الهيليوم: خصائص العنصر واستخداماته

الوصف

الهيليوم غاز نبيل يلعب دوراً أساسياً في مختلف التطبيقات العلمية والصناعية. يتناول هذا المقال خصائصه واستخداماته الشائعة وطرق تحضيره.

مقدمة عن العنصر

الهيليوم غاز أحادي الذرة عديم اللون، عديم الرائحة، عديم الطعم، غير سام، خامل، أحادي الذرة، يترأس مجموعة الغازات النبيلة في الجدول الدوري. وهو ثاني أخف عنصر في الكون بعد الهيدروجين، ويوجد بشكل أساسي في النجوم، بما في ذلك شمسنا. يُستخدَم الهيليوم على نطاق واسع في مختلف المجالات نظراً لخصائصه الفريدة، بما في ذلك درجات الغليان والانصهار المنخفضة ، وهو ما يجعله مثالياً للتطبيقات المبردة وعالية التقنية.

وصف الخواص الكيميائية

الهيليوم خامل كيميائياً بسبب غلافه الإلكتروني الخارجي الكامل، مما يجعله مستقراً للغاية. وباعتباره غازاً نبيلاً، فإنه لا يشكل بسهولة مركبات مع عناصر أخرى في الظروف العادية. إن افتقاره إلى التفاعلية يجعله ذا قيمة عالية في التطبيقات التي يكون فيها الاستقرار الكيميائي أمرًا بالغ الأهمية. لا يتفاعل الهيليوم مع الأكسجين أو النيتروجين أو الغازات الأخرى في درجة حرارة الغرفة، ويظل غير قابل للاشتعال حتى في وجود الحرارة أو النار.

كما أن الهيليوم عديم اللون والرائحة، مما يزيد من سلامته وملاءمته في مختلف التطبيقات الصناعية والعلمية. وعلى الرغم من أنه خامل كيميائياً في الغالب، إلا أنه يمكن أن يُكوِّن مركبات مع عناصر مثل الصوديوم والبوتاسيوم والليثيوم تحت ظروف معملية مضبوطة.

الخواص الفيزيائية

يتميز الهيليوم بالعديد من الخواص الفيزيائية الرائعة التي تجعله مفيدًا في مجموعة متنوعة من المجالات. فيما يلي جدول يلخص الخواص الفيزيائية للهيليوم:

إن درجات الغليان والانصهار المنخفضة للهيليوم تجعله العنصر الوحيد الذي يبقى سائلاً في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، مما يمنحه تطبيقات فريدة في مجال التبريد والتبريد الفائق. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الاستخدامات الشائعة

للهيليوم مجموعة واسعة من الاستخدامات في مختلف الصناعات، من التطبيقات الطبية إلى تقنيات الفضاء. وتشمل بعض الاستخدامات الأكثر شيوعاً ما يلي:

1. التبريد: الهيليوم ضروري لتبريد المغناطيس فائق التوصيل المستخدم في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وفي مسرعات الجسيمات. تسمح له درجة غليانه المنخفضة بالوصول إلى درجات حرارة منخفضة للغاية.
2. البالونات والمناطيد: يُستخدم الهيليوم لملء البالونات والمناطيد لأنه أخف من الهواء وغير قابل للاشتعال، على عكس الهيدروجين الذي يتميز بسرعة اشتعال عالية.
3. مخاليط التنفس: في الغوص، يُستخدم الهيليوم في خلائط الغازات (مثل التريميكس) لمنع تخدير النيتروجين عند الضغط العالي.
4. كشف التسرب: يُستخدم الهيليوم في الكشف عن التسريبات في أنظمة التفريغ العالي، نظراً لصغر حجمه الذري ووزنه الجزيئي المنخفض.
5. اللحام: يُستخدم الهيليوم كغاز تدريع في اللحام بالقوس الكهربائي لأنه يمنع أكسدة المواد، مما يضمن لحامات عالية الجودة.

طرق التحضير

يُستخرج الهيليوم في المقام الأول من رواسب الغاز الطبيعي حيث يتراكم بكميات صغيرة. تتضمن عملية الاستخراج عادةً:

• التقطير بالتبريد: في هذه الطريقة، يتم تبريد الغاز الطبيعي إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، مما يسمح بفصل الهيليوم عن الغازات الأخرى.
• الامتزاز المتأرجح بالضغط: تستخدم هذه الطريقة مواد ماصة لفصل الهيليوم عن المكونات الأخرى في الغاز الطبيعي.

ويمكن أيضاً الحصول على الهيليوم كمنتج ثانوي أثناء تكرير خام اليورانيوم أو من الاضمحلال الإشعاعي للعناصر الأثقل مثل الثوريوم واليورانيوم، التي ينبعث منها الهيليوم كجزء من عملية اضمحلالها.

المنتجات الصناعية ذات الصلة

تعتمد العديد من المنتجات على الهيليوم، أو يتم إنتاجها باستخدام الهيليوم في عملية تصنيعها. وتشمل هذه المنتجات ما يلي:

• المجمدات المبردة: تستخدم في التطبيقات الطبية والعلمية، وتعتمد هذه الأنظمة على الهيليوم للتبريد.
• المغناطيسات فائقة التوصيل: تُستخدم في آلات التصوير بالرنين المغناطيسي وغيرها من المعدات عالية التقنية، وتتطلب هذه المغناطيسات الهيليوم السائل للحفاظ على درجات حرارة منخفضة.
• ليزر هيليوم-نيون: تعتمد هذه الليزرات، التي يشيع استخدامها في البحث العلمي وماسحات الباركود، على الهيليوم لتشغيلها.
• تصنيع أشباه الموصلات: يُستخدم الهيليوم في إنتاج أشباه الموصلات، خاصةً في العمليات التي تتطلب درجات حرارة منخفضة جداً أو أجواءً مضبوطة.

الأسئلة المتداولة

لماذا يُستخدم الهيليوم في البالونات بدلاً من الهيدروجين؟
الهيليوم غير قابل للاشتعال، في حين أن الهيدروجين قابل للاشتعال بشكل كبير ويشكل خطرًا كبيرًا على السلامة، خاصة في الحالات التي يمكن أن يحدث فيها انفجار.

هل يمكن صنع الهيليوم على الأرض؟
يُستخرَج الهيليوم عادةً من احتياطيات الغاز الطبيعي، ولكن يمكن أيضاً إنتاجه عن طريق التفاعلات النووية، مثل اضمحلال العناصر المشعة.

هل الهيليوم ضار بالبشر؟
الهيليوم غير سام ويُعتبر آمنًا بشكل عام. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي استنشاق كميات كبيرة من الهيليوم إلى إزاحة الأكسجين في الرئتين، مما يؤدي إلى الاختناق.

لماذا الهيليوم باهظ الثمن؟
يُعد الهيليوم نادرًا نسبيًا وباهظ الثمن نسبيًا لاستخراجه ويتطلب معدات متخصصة لفصله وتنقيته من الغاز الطبيعي.

كيف يُستخدم الهيليوم في الطب؟
يُستخدم الهيليوم في التبريد لتبريد المغناطيس فائق التوصيل في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وهو أيضاً جزء من مخاليط غازات التنفس للمرضى الذين يعانون من مشاكل في الجهاز التنفسي.