هلیوم (He) — عنصر شماره ۲ جدول تناوبی
هلیوم (Helium) یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌طعم و غیرسمی است که به‌عنوان دومین عنصر سبک‌ترین و دومین گاز فراوان در جهان شناخته می‌شود. این عنصر شیمیایی با نماد He در جدول تناوبی قرار دارد و شماره اتمی آن ۲ است. هلیوم در دمای اتاق به‌صورت گاز است و در دماهای بسیار پایین به‌صورت مایع یا جامد در می‌آید.
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی هلیوم:
رنگ، بو و طعم: هلیوم بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌طعم است، بنابراین به‌راحتی نمی‌توان آن را با حواس انسانی تشخیص داد.
حالت فیزیکی: در شرایط دمایی معمولی (در دمای اتاق و فشار استاندارد)، هلیوم به‌صورت گاز است. این گاز تحت فشار و دماهای بسیار پایین (حدود -۲۵۸.۹ درجه سانتی‌گراد) به مایع تبدیل می‌شود. دمای تبدیل هلیوم به مایع بسیار پایین‌تر از بیشتر عناصر دیگر است.
چگالی بسیار کم: هلیوم یکی از کم‌چگال‌ترین گازها است و چگالی آن تقریباً یک‌هشتم چگالی هوا است. به همین دلیل هلیوم از هوا سبک‌تر است و در هنگام آزاد شدن از ظروف پر فشار، به‌سرعت بالا می‌رود.
-
نقطه ذوب و جوش:
- نقطه ذوب: -۲۲۹ درجه سانتی‌گراد
- نقطه جوش: -۲۵۸.۹ درجه سانتی‌گراد هلیوم به‌طور معمول در دماهای بسیار پایین مایع می‌شود، به‌ویژه در شرایطی که فشار آن پایین باشد.
عدم واکنش‌پذیری شیمیایی: هلیوم یکی از گازهای نجیب است و دارای ساختار الکترونی بسیار پایدار است. به‌خاطر داشتن یک لایه الکترونی کامل (با دو الکترون در لایه بیرونی)، تمایلی به واکنش‌پذیری ندارد. به همین دلیل، هلیوم در شرایط طبیعی به‌صورت گاز خالص یافت می‌شود و معمولاً با دیگر عناصر ترکیب نمی‌شود.
رسانایی حرارتی بسیار بالا: هلیوم یکی از بهترین رساناهای حرارتی است. این ویژگی در استفاده‌های خاص هلیوم در فناوری‌های مختلف مانند خنک‌کنندگی در سیستم‌های پیچیده علمی و پزشکی مفید است.
کاربردهای هلیوم:
بالن‌های هلیومی: هلیوم به‌دلیل چگالی پایین و غیرسمی بودنش در پر کردن بالن‌ها و فضاهای پر از گازهای سبک استفاده می‌شود. این گاز به‌جای هیدروژن، که خطرناک و قابل اشتعال است، به‌عنوان گاز پرکننده در بالن‌ها و کشتی‌های هوایی استفاده می‌شود.
فناوری‌های پیشرفته (آزمایشگاه‌ها و تحقیقات): هلیوم در بسیاری از آزمایشگاه‌ها به‌عنوان خنک‌کننده استفاده می‌شود، به‌ویژه در دستگاه‌های تشخیص پزشکی مانند دستگاه‌های ام‌آرآی (MRI). این گاز به‌دلیل دمای جوش بسیار پایین، به‌عنوان ماده‌ای خنک‌کننده در فناوری‌هایی که نیاز به دماهای بسیار پایین دارند (مانند دماسنج‌های هلیومی) به کار می‌رود.
کرایوژنیک و فضا: هلیوم در فضاپیماها برای خنک کردن تجهیزات و سیستم‌های الکترونیکی که نیاز به دماهای پایین دارند، استفاده می‌شود. همچنین در صنایع کرایوژنیک (فناوری مرتبط با دماهای بسیار پایین) برای تولید و نگهداری دمای بسیار پایین مورد نیاز در تحقیقات فیزیکی و زیست‌پزشکی استفاده می‌شود.
لیزر هلیوم-نئون (HeNe Laser): لیزرهای هلیوم-نئون که معمولاً در سیستم‌های اپتیکی، آزمایشگاه‌های علمی، و تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، از یک ترکیب گازی هلیوم و نئون استفاده می‌کنند. این لیزرها در طیف‌های مختلف نور (از جمله نور قرمز) کاربرد دارند.
تنفس در عمق‌های زیاد: در غواصی، هلیوم به‌عنوان بخشی از مخلوط گازی به نام نیتروهلیوم برای غواصان در عمق‌های زیاد استفاده می‌شود. این مخلوط به کاهش خطر مسمومیت به دلیل اکسیژن تحت فشار و همچنین کاهش خطر سکته و حباب‌های گازی کمک می‌کند.
پیشرفته‌ترین تحقیقات فیزیکی: هلیوم مایع به‌دلیل ویژگی‌های خاص فیزیکی آن، مانند قابلیت جریان به‌صورت فوق‌سیال (حالت ویژه‌ای از مایع که می‌تواند بدون مقاومت در لوله‌ها جریان یابد) در آزمایش‌های فیزیکی پیشرفته مانند مطالعات کوانتومی و فیزیک ذرات بنیادی کاربرد دارد.
منابع هلیوم:
هلیوم به‌طور عمده در منابع گاز طبیعی یافت می‌شود. بسیاری از مخازن گازی طبیعی دارای مقادیر قابل توجهی هلیوم هستند، که معمولاً از طریق فرآیندهای خاص استخراج می‌شود. هلیوم در جو زمین به‌طور طبیعی وجود دارد، اما در مقادیر بسیار کم. در برخی مناطق جهان، ذخایر بزرگ گاز طبیعی که غنی از هلیوم هستند، استخراج می‌شود.
تاریخچه هلیوم:
کشف هلیوم: هلیوم برای اولین بار در سال ۱۸۶۸ توسط اخترشناس فرانسوی پی‌یر ژانسون در طی مطالعه نور خورشید کشف شد. این گاز برای مدت‌ها تنها در جو خورشید شناسایی شده بود، اما بعدها در زمین نیز یافت شد.
استخراج صنعتی هلیوم: در اوایل قرن ۲۰، استخراج هلیوم از منابع گاز طبیعی برای نخستین بار به‌طور تجاری انجام شد. پس از جنگ جهانی اول، استفاده از هلیوم در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی توسعه یافت.
اهمیت اقتصادی هلیوم:
هلیوم به‌عنوان یک منبع تجدیدناپذیر شناخته می‌شود. با توجه به منابع محدود آن، نگرانی‌ها درباره‌ی آینده تأمین هلیوم وجود دارد، زیرا ذخایر قابل دسترس آن ممکن است در آینده به پایان برسد. بنابراین، مطالعات در زمینه مدیریت بهتر منابع و بازیافت هلیوم در حال افزایش است.
نتیجه‌گیری:
هلیوم یک عنصر شیمیایی است که در بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی ضروری است. به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی مانند چگالی پایین، عدم واکنش‌پذیری شیمیایی، و قابلیت‌های فوق‌العاده در شرایط دمای پایین، هلیوم یکی از گازهای بسیار مهم در دنیای فناوری و علم محسوب می‌شود.