سنتحدث في هذه المقالة عن خصائص الهيليوم الكيميائية والفيزيائية. و استخدامات هذا العنصر بالإضافة إلى أهم نظائره وتطبيقاته وهل له تفاعلات كيميائية؟. وكذلك التواجد الطبيعي له في كل من الغلاف الصخري الأرضي والغلاف الجوي وتوجده في الكواكب الأخرى والنجوم. ونختم بتاريخ اكتشافه.
ما هو الهيليوم؟
هو عنصر كيميائي تتركب ذراته من نواة بها نيوترونين وبروتونين. وغلاف واحد (مستوى طاقة واحد) به إلكترونين يدوران حول النواة بسرعة عالية و باستمرار. الهيليوم غاز خامل (نبيل).
يعتبر الهيليوم أخف عنصر بعد الهيدروجين[2]، بسبب امتلاكه بروتونين ونيوترونين فقط داخل النواة، بالنسبة للنظير الأكثر وفرة. ويعتبر أصغر عنصر من حيث الحجم الذري. وهو أصغر من الهيدروجين في الحجم وذلك لأن قوة التجاذب بين إلكترونين وبروتونين أكبر من التي تحدث بين إلكترون واحد وبروتون واحد. وهذه القوة تقلص من المسافة بين النواة والإلكترونات.
خواص الهيليوم الذرية
- الرمز الكيميائي: He.
- العدد الذري: 2
- الوزن الذري: 4.0026.
- التصنيف: الغازات النبيلة
- الدورة الأفقية: الدورة الأولى
- المجموعة الرأسية: المجموعة الثامنة(الأخيرة).
- عدد الأغلفة: واحد
- مستوى الطاقة الرئيس: المستوى الأول (K).
- مستوى الطاقة الفرعي: S.
الخصائص الفيزيائية لعنصر الهيليوم
- الطور: غاز
- اللون: عديم اللون.
- الذوبانية: لا يوجد غاز واحد لديه قابلية ذوبان أقل من الهيليوم. عند T = 20 درجة مئوية والضغط = 1 بار ، يذوب 1.5 مجم فقط من الهيليوم في الماء.
- الكثافة: 0.1786 جم/لتر عند STP
- الكثافة النسبية: 0.138
- نصف القطر التساهمي: 28 بيكومتر.
- نقطة الانصهار: 0.95 كلفن.
- نقطة الغليان: 4.222 كلفن.
- السعة الحرارية: 20.786 جول/مول*كلفن.
- الرائحة والطعم: عديم الرائحة والطعم.
الخصائص الكيميائية
- السمية: غير سام في الظروف العادية لعدم نشاطه. ولكن ينصح بعدم بلعه.
- التحلل الإشعاعي: تتحلل النظائر المشعة إلى المستقرة.
- النشاط: خامل.
- التوزيع الإلكتروني: 1s2.
هل لدى الهيليوم تفاعلات كيميائية؟
لا يرتبط عنصر الهيليوم كيميائيًا بالعناصر الأخرى لأنه خامل ، مما يعني أن غلاف التكافؤ الخاص به ممتلئ تمامًا. لذلك لا توجد مركبات معروفة للهيليوم. حتى في المختبر ، لم يتمكن الناس أبدًا من الحصول على تفاعل الهيليوم كيميائيًا مع أي شيء.
يأتي خمول الهيليوم من امتلاء مداره الأخير والوحيد. وبما أن الهيليوم يحتوي فقط على إلكترونين، و مستوى الطاقة الأول يتسع لإلكترونين كحد أقصى، ويمكن أن يحمل أقل من ذلك. ومعلوم أن العناصر الكيميائية تتفاعل فيما بينها إما بمنح إلكترون لعنصر آخر أو بكسب إلكترون من عنصر آخر أو عن طريق المشاركة والمساندة. ما سبق يصح إن كان العنصر بحاجة لذلك، أما إذا كان العنصر مستقرا ومداره الأخير ممتليء فإنه لا يتفاعل. ومن هنا جاء خمول الهيليوم والعناصر الخاملة الأخرى.
لذا يمكن القول بأنه لا يوجد هناك أي تفاعلات للهيليوم، أو على الأقل في الظروف المعروفة.
تطبيقات و استخدامات الهيليوم
- يستخدم الهيليوم كوسيط تبريد لمصادم الهادرونات الكبير (LHC). والمغناطيسات فائقة التوصيل في ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي ومقاييس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي. كما أنها تستخدم للحفاظ على برودة أجهزة الأقمار الصناعية ، كما أنها تستخدم لتبريد الأكسجين السائل والهيدروجين اللذين يعملان على تشغيل مركبات الفضاء أبولو.
- غالبًا ما يستخدم الهيليوم بسبب كثافته المنخفضة لملء البالونات المزخرفة وبالونات الطقس والمناطيد. كان الهيدروجين يستخدم في السابق لملء البالونات ولكنه تفاعل بشكل خطير.
- نظرًا لأنه غير نشط للغاية ، يتم استخدام الهيليوم لتوفير جو وقائي خامل لصنع الألياف البصرية وأشباه الموصلات ولحام القوس. يستخدم الهيليوم أيضًا لاكتشاف التسربات ، كما هو الحال في أنظمة تكييف الهواء في السيارة ، ولأنه ينتشر بسرعة فإنه يستخدم لتضخيم الوسائد الهوائية للسيارة بعد الاصطدام.
- يتم استخدام مزيج من 80٪ هيليوم و 20٪ أكسجين كغلاف جوي اصطناعي للغواصين في أعماق البحار وغيرهم ممن يعملون تحت ظروف مضغوطة.
- يتم استخدام ليزر غاز الهيليوم ونيون لمسح الرموز الشريطية في عمليات الدفع في السوبر ماركت. استخدام جديد للهيليوم هو مجهر أيون الهليوم الذي يعطي دقة صورة أفضل من المجهر الإلكتروني الماسح.
نظائر الهيليوم
للهيليوم نظيران مستقران: \(\ce{^3He}\) و \(\ce{^4He}\). تم إنتاج كلا النظيرين عن طريق التخليق النووي في الكون المبكر جدًا بعد حوالي 100 ثانية من الانفجار العظيم ، ربما بسبب اندماج الديوتيريوم (D) كما هو موضح أدناه. \[\ce{D + D → ^3He + n} \\ \ce{D + D → ^4He + γ} \\ \ce{T + D → ^4He + n} \\ \ce{^3He + n → ^4He + γ} \\ \ce{^3He + D → ^4He + p}\].
في هذه التعبيرات ، تشير n و γ و T و p على التوالي إلى النيوترون و شعاع Y و التريتيوم \(\ce{^3He}\) والبروتون. تم حساب النسبة النظيرية للهيليوم \(\ce{^3He / ^4He}\) تقريبًا 8 × 10−5 (Burles et al. 1999) لأن نواة \(\ce{^4He}\) أكثر استقرارًا من نواة \(\ce{^3He}\). تطورت النسبة من خلال العمليات النجمية. يتم إنتاج كل من \(\ce{^3He}\) و \(\ce{^4He}\) من خلال تفاعل متسلسل بروتون-بروتون يحدث في أعماق النجوم مثل الشمس ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة على النحو التالي. \[\ce{p + p → D + \beta^{+} + \nu} \\ \ce{D + p → ^3He + \gamma} \\ \ce{^3He + ^3He → ^4He + 2p}\].
هنا ، β+ و ν على التوالي ، تدل على البوزيترون والنيوترينو
هناك العديد من النظائر غير المستقرة للهيليوم
أقصر نظير للهيليوم عمرا بنصف عمر يبلغ 7.6 × 10−22 ثانية ؛ تحتوي نواتها على بروتونين وثلاثة نيوترونات. هو النظير \(\ce{^5He}\) ؛ يتحلل بشكل رئيسي عن طريق انبعاث النيوترونات إلى الهيليوم 4.
ذرة الهليوم -6 هي النظير المشع للهيليوم بكتلة ذرية نسبية 6.01889 وعمر نصف يبلغ 806.7 مللي ثانية. تتكون نواة الهيليوم 6 من بروتونين و4 نيوترونات.
نظير آخر غير مستقر للهيليوم بعمر قصير للغاية (نصف عمر 2.9 × 10−21 ثانية) ؛ تتكون نواتها من بروتونين وخمسة نيوترونات. هو الهيليوم -7 \(\ce{^7He}\) ؛ يتحلل عن طريق انبعاث النيوترونات إلى الهيليوم 6.
ذرة الهليوم -8 هي النظير المشع للهيليوم بكتلة ذرية نسبية 8.03392 وعمر نصف يبلغ 119.0 مللي ثانية. هو نظير ثقيل للهيليوم يحتوي على 6 نيوترونات.
النظير هيليوم -9 يمتلك 7 نيوترونات وعمر النصف 7×10−21 ثانية.
أما النظير الأخير وهو الهيليوم -10 يمتلك 8 نيوترونات وعمر نصف 2.7×10−21 ثانية.
تتحول النظائر المشعة السابقة عن طريق التحلل والاضمحلال إلى العناصر الأكثر استقرارا.
تواجد الهيليوم في الطبيعية
الهيليوم هو عنصر كيميائي يتواجد في الكون بشكل واسع. يعد الهيليوم ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون بعد الهيدروجين. تتمثل أهمية الهيليوم في تطبيقاته الواسعة في مجالات مختلفة مثل الصناعة والطب والبحث العلمي.
نسبة الهيليوم في الجو الأرضي: يتواجد الهيليوم في الجو بنسبة ضئيلة جدًا تقدر بحوالي 5.24 جزء في المليون (ppm)[1]، أي بنسبة 0.000524٪. وتكون هذه النسبة قليلة جدًا مقارنةً بغازات الأكسجين والنيتروجين التي تشكل معظم الجو.
نسبة الهيليوم في الغلاف الصخري: تقديرات تشير إلى أن الهيليوم يوجد في الغلاف الصخري بنسبة تصل إلى حوالي 7 جزء في المليون (ppm)[2]. وهذه النسبة تعتبر أعلى من نسبة تواجده في الجو، وذلك بسبب تكوين الصخور والمعادن الأرضية التي تحتوي على كميات قليلة من الهيليوم.
يرجى ملاحظة أن هذه النسب قابلة للتغيير وقد تختلف قليلاً وفقًا للمصدر والمنطقة الجغرافية. إلا أنها توفر فكرة عامة عن تواجد الهيليوم في الجو والغلاف الصخري على الأرض.
التواجد الطبيعي للهيليوم في الكواكب الأخرى: الهيليوم يتواجد في الكواكب الغازية بشكل رئيسي. تشتهر كواكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون بتركيبتها الغازية وارتفاع نسبة الهيليوم في جوها. يتشكل الهيليوم في هذه الكواكب نتيجة عملية اندماج الهيدروجين في نواتجها الحرارية، وهذا يؤدي إلى تكوين نسب عالية من الهيليوم في جوها. تتراوح نسبة الهيليوم في هذه الكواكب بين 15% و27% من التركيبة الغازية.
التواجد الطبيعي للهيليوم في النجوم: الهيليوم يشكل جزءًا كبيرًا من تركيبة النجوم. يتشكل الهيليوم في نوى النجوم نتيجة عملية اندماج الهيدروجين، وهذا يحدث في مراحل تطور النجم. نسبة الهيليوم في النجوم تختلف بين نجم وآخر وتعتمد على عدة عوامل مثل كتلة النجم وعمره وحالته التطورية.
على سبيل المثال، تقدر نسبة الهيليوم في الشمس بحوالي 27% من تركيبتها. أما في النجوم الأكبر حجمًا والأكثر اكتمالًا، فإن نسبة الهيليوم تزداد لتصل إلى حوالي 40% من التركيبة. وفي النجوم الأكبر والأكثر قدمًا، يمكن أن تصل نسبة الهيليوم إلى 70% أو أكثر.
بشكل عام، يمكن القول أن الهيليوم يشكل جزءًا هامًا من تركيبة النجوم ويسهم في تحقيق التوازن الحراري والضغط النووي داخلها.
تاريخ الاكتشاف
يبدأ تاريخ اكتشاف الهيليوم في عام 1868، أثناء كسوف كلي للشمس في الهند. لاحظ عالم الفلك الفرنسي جولز يانسن، مسلحًا بمنظار طيفي، خطًا أصفر لامعًا في طيف الشمس لم يسبق له مثيل من قبل. هذا العنصر غير المعروف، والذي أطلق عليه عالم الفلك البريطاني جوزيف نورمان لوكير فيما بعد اسم "الهليوم"، ظل بعيد المنال لما يقرب من ثلاثة عقود.
في عام 1895، وصل اختراق من مصدر غير متوقع. لاحظ الكيميائي الاسكتلندي السير ويليام رامزي، أثناء فحصه لمعدن مشع يسمى كليفيت، غازًا ينطلق ويحمل نفس البصمة الطيفية مثل العنصر الشمسي الغامض. وكان هذا هو الدليل القاطع على وجود الهيليوم على الأرض.
فتح اكتشاف الهيليوم على الأرض الباب على مصراعيه أمام الاحتمالات. خفة وزنه الرائعة وطبيعته غير القابلة للاشتعال جعلته مثاليًا للمناطيد الأخف من الهواء، مما مهد الطريق لمناطيد زيبلين الشهيرة في أوائل القرن العشرين.
اقرأ أيضا: عنصر الليثيوم
