کاربرد گاز هلیوم چیست و در زندگی انسان چه نقشی ایفا می کند :
هِلیوم یا هلیُم (Helium) با نماد شیمیایی He، عنصری با عدد اتمی ۲ و وزن اتمی ۴٫۰۰۲۶۰۲ است.
نام هلیوم برگرفته از واژه یونانی هلیوس (ایزدخورشید) می باشد.
تاریخچه:
برای اولین بار، ستاره شناس فرانسوی ژول ژانسن و سر جوزف نورمن لاکیر در طیف سنجی خورشید گرفتگی سال 1868 خط زرد طیف هلیوم را رویت کردند.
دیری نپایید که در سال 1881 دانشمند ایتالیایی لوئیجی پالمیری در پردازش خط طیف گدازه های آتشفشان وزوو این عنصر را شناسایی کند.
در سال 1895 نیلز آبراهام لانگلت و پر تئودر کلیو از سنگ کلویت که کانی اورانیوم است این عنصر را شناسایی و اعلام کردند و دیری نپایید که در سال 1903 منبع بزرگی از هلیوم در یکی از میدان های گازی ایالات متحد امریکا پیدا شد.
این کشف موجب شد ایالات متحده به بزرگ‌ترین تأمین کننده هلیوم دنیا تبدیل شود.
ویژگی‌های منحصربه فردی گاز هلیوم :
- نقطه ی جوش
- چگالی
- حل شوندگی پایین
- رسانش گرمایی بالا
- واکنش ناپذیر بودن
این گاز غیرسمی،بی اثر،بی مزه،بی رنگ می باشد.
گازهلیوم منبع تجدید ناپذیر است و با آزاد شدن آن به اتمسفر، دیگر امکان بازیابی آن وجود ندارد.
با تنفس گاز هلیوم می توان برای مدتی کیفیت و زنگ صدا را تغییر داد که این تغییر به علت چگالی متغییر این گاز با هوا است.
میزان فراوانی:
هلیوم بعد از هیدروژن دومین عنصر فراوان کیهان می باشد و 24 درصد از حجم جهان هستی را به خود اختصاص داده است که در فرا زمین به حالت پلاسما یافت می شود که بسیار متفاوت با ویژگی های حالت اتمی آن است. در حالت پلاسما، الکترون‌ها در بند هسته نیستند و در نتیجه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی است که ذره‌های باردار به شدت از میدان مغناطیسی و الکتریکی پیرامون تأثیر می‌پذیرند.
بیشتر هلیوم موجود در جهان هستی گرید 4 می باشد که محققین بر این باورند در جریان بیگ بنگ پدید آمده است.
نکته قابل توجه این است که این عنصر در سطح زمین بسیار کمیاب (نزدیک به ۰٫۰۰۰۵۲٪ حجم) و در اثر واپاشی هسته ای به صورت طبیعی به وجود می آید به این خاطر است که این عنصر بسیار گران قیمت است.
در حال حاضرعمرمنابع هلیوم به ذخایر گاز طبیعی وابسته است و پیش بینی می‌شود بهای این گاز در آینده، همچنان روند افزایشی داشته باشد.
میزان تولید گاز هلیوم در سال 2008:
۳۲ میلیون کیلوگرم یا ۱۹۳ میلیون مترمکعب
- ۲۲ درصد در تجهیزات سردکننده
(بویژه در آهن‌ربای ابررسانا در دستگاههای ام آرآی)
- ۷۸ درصد برای جوشکاری و ایجاد فشار و درپویشگرهای ام آر آی، فضا پیماها، تِلِسکوپ ها و دستگاه نظارت بر پرتونگاری هسته‌ای
هلیوم ازدیدگاه شیمیایی بی اثر و تک اتمی است که در جدول تناوبی استاندارد، در بالای گروه گازهای نجیب جا دارد.
انحلال پذیری:
نسبت به گازهای تک اتمی دیگر، این عنصر از همه کمتر در آب حل می شود و با داشتن انحلال پذیری 0/070797 مول در هر
۵-۱۰ از مجموع مول حل شونده در آب به عنوان حلال می باشد و همچنین دارای ضریب شکست نزدیک به یک است که بیش از هر گاز دیگری است.
چرا از گاز هلیوم به عنوان رسانای انتقال گرما در راکتورهای هسته‌ای استفاده می شود ؟
- گرمای ویژه و رسانایی گرمایی بسیار بالایی
- عدم ایجاد فرسایش
- بی اثر بودن (ایزوتوپ‌های رادیواکتیو ندارد)
- روی عامل ضریب نوترون تاثیری نمی‌گذارد
- تغییر نکردن حالت
- توانایی جایگزینی با نیتروژن به عنوان رسانای انتقال گرما
به علت اینکه گاز هلیوم،سبک ترین گاز موجود بر روی زمین می باشد و استفاده آن در داخل بادکنک به علت سبکی، بهتر از گازهای دیگر است و از آن برای جشنها استفاده می شود.
از این گاز به عنوان گاز محافظ، در مواردی که از رسانش گرمایی بیشتری از گاز آرگون مورد نیاز است، در جوشکاری مورد استفاده،قرارمی گیرد.
به دلیل قدرت توان پخش بالای هلیوم،تقریبا سه برابر
اکسیژن می باشد، از این خاصیت گاز هلیوم استفاده می گردد.
یکی از فرایند هایی که در نشت یابی به کار می رود، آزمایش انتگرال هلیوم نام دارد.
- در آهن رباهای ابر رساناها،به عنوان خنک کننده
- علوم زیستی
- علوم شیمیایی
- نجوم و فیزیک نجومی
- گروه هسته ای و فیزیک اتمی
- گاز هلیوم گرید 6 جهت دستگاههای کروماتوگرافی
- گاز هلیوم گرید 5 در سیلندرهای 50 لیتری 200 بار، جهت مصارف آزمایشگاهی
از این گاز در صنعت برش کاری با لیزر استفاده می گردد.
از این گاز جهت تولید گاز میکس، برای تنفس غواصان در آبهای عمیق استفاده می شود.
به دلیل خنثی بودن این گاز و ویسکوزیته پایین، تنفس برای غواص در فشار زیر آب، راحت تر می شود.
لیزر و نورپردازی
از این گاز به عنوان گاز کاربردی در لیزرها و برای نورپردازی استفاده می شود، همچون:
- لیزرهای هلیم-نئون
- لیزرهای دی اکسید کربن
- لیزر بخار فلزی هلیوم کادمیم
مصارف این لیزرها:
- تحقیقات علمی
- تداخل
- هولوگرافی
- طیف سنجی
- اسکن بارکد
- هم ترازی
- جراحی چشم
- نمایش اپتیکال
- چاپ
- حروف چینی
- جوش و برش
همچنین به عنوان گاز در چراغ های تخلیه گاز مورد استفاده قرار می گیرد.
رنگ ساطع این گاز از طیف سفید تا نارنجی می باشد و هنرمندان از این رنگ ها برای پروژه های نورپردازی استفاده می کنند.
هلیوم در مکانیک کوانتومی
در مکانیک کوانتومی، هلیوم دومین اتم ساده (پس از هیدروژن) در ساخت مدل کوانتمی می باشد که این عنصر تشکیل شده از دو الکترون در حال چرخش در اوربیتالهای خود است که حول هسته خود که متشکل از دو پوروتن و دو نوترون می باشد. همانطور که می دانید هلیوم با داشتن دو الکترون و یک هسته، یک سیستم سه‌ذره‌ای می باشد و در نتیجه امکان انجام محاسبات ریاضی با کمک مکانیک نیوتونی برای آن وجود ندارد.
کروماتوگرافی گازی
گاز هلیوم یک گاز حامل و پاکساز با درجه خلوص بالا است که در کروماتوگرافی گازی استفاده می شود.
از کروماتوگرافی برای تحلیل کیفی و کمی در فرایند های جدا سازی مخلوط در آزمایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد.
این گاز را می توان به عنوان حامل جایگزین نیتروژن و هیدروژن کرد.
در ساخت مواد نیمه هادی
به علت بی اثر بودن و هدایت گرمایی و گرمای ویژه این گاز به عنوان گاز خنک کننده در ساخت و تولید مواد نیمه هادی کاربرد فراوان دارد.
برای مثال از این گاز به عنوان آستر در نمایشگر های ال سی دی و همچنین برای مقابله با سرخ شدگی در حین پردازش چیپ های نیمه هادی استفاده می شود.
علاوه بر این از هلیوم در زمان رشد بلورهای سیلیکون و ژرمانیم نیز استفاده می شود.
تولید فیبر نوری
از این گاز به عنوان خنک کننده در تولید کابل فیبر نوری استفاده می شود.
این گاز گزینه ای ایده آل در سردسازی سریع رشته های سیلیسی است.
اسپری پوشش های فلزی
از هلیوم به عنوان گاز حامل پودر در اسپری حرارتی و سرد به دلیل سرعت بالای صوت و بی اثری فیزیکی آن استفاده می گردد که معمولا به صورت اسپری پوشش فلزی معرفی می شود.
در فرآیند پوشش دهی سطحی، بر سطوح فلزی و سرامیکی با سرعت بالا بر آن اسپری می شود تا پوشش فلزی بر روی آن تشکیل شود.
راکتور های هسته ای
در نسل جدید راکتورهای هسته ای به عنوان رسانه انتقال گرما از هلیوم استفاده می شود.
ویژگی های این گاز به عنوان رسانه انتقال گرما عبارتند از :
- گرمای ویژه بالا
- عدم ایجاد فرسایش
- بی اثر از نظر رادیولوژیکی
- بی اثر بودن بر روی عامل ضریب نوترون
- دمای عملیاتی بالا
- جایگزین مناسب برای نیتروژن
هلیوم مایع
در فشار معمولی برخلاف دیگر عناصر، هلیوم تا دمای صفر مطلق، مایع باقی می‌ماند.
برای جامد شدن باید به دمایی میان ۱ تا ۱٫۵ کلوین و فشاری نزدیک به ۲٫۵ مگاپاسکال برسد.
شناسایی هلیوم جامد از مایع دشوار است زیرا ضریب شکست هر دو بسیار نزدیک است.
ایزوتوپ‌ها
از میان 9 ایزوتوپ پیدا شده برای این عنصر ایزوتوپ 3 و 4 پایداری دارند.
نسبت این دو ایزوتوپ در کره زمین نسبت به هم 1 به 1 میلیون می باشد یعنی به ازای یک ایزوتوپ سه٫ 1 میلیون ایزوتوپ 4 یافت می شود.
در محیط های میان ستاره ای این اختلاف به 100 تقلیل می یابد (1 به 100).
آیا گاز هلیوم خطرناک است؟
این گاز نجیب و بی خطر است و به دلیل عدم ترکیب شدن با اکسیژن قابل اشتعال نمی باشد.
اما ناخالصی های همراه با این گاز می تواند باعث ایجاد انفجار و آتش سوزی شود.
به طور مثال در اکتبر 2019 در کشور مالزی به خاطر استفاده از هلیوم کیفیت پایین با ناخالصی بالا در بادکنک های یک مراسم افتتاحیه
٫ انفجار مهیبی رخ داد و باعث مجروح شدن 19 نفر شد.
در هنگام خرید باید توجه داشت گاز هلیوم را از
مراکز معتبر تهیه گردد تا میزان ناخالصی آن بسیار پایین باشد.
خطرات استنشاق گاز هلیوم
هنگامی که ریه های انسان با گاز هلیوم پر می‌شوند
٫ به دلیل فقدان اکسیژن در تنفس٫ میزان اکسیژن موجود در خون پایین می آید.
مرگ مغزی
فقدان اکسیژن باعث سرگیجه٫ بیهوشی و در موارد استنشاق بیش از اندازه منجر به رفتن فرد به کما و مرگ مغزی می شود.
پایرگی مویرگ ها
افزایش فشار گاز هلیوم در ریه می تواند باعث پارگی مویرگ ها و کیسه هوا (آلوئول) شود. این رخداد مرگ فجیعی را برای فرد رقم خواهد زد.
