هلیم یکی از عناصر شیمیایی مهم است که با نماد He و عدد اتمی 2 شناخته می‌شود. این گاز نجیب به دلیل خواص ویژه‌ای که دارد، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف و تحقیقات علمی پیدا کرده است. در این مقاله از پرستلی ، به بررسی ویژگی‌ها، کاربردها، و اهمیت گاز هلیم می‌پردازیم.

تاریخچه هلیم

گاز هلیم نخستین بار در سال 1868 توسط دو ستاره‌شناس، ژول ژانس و نورمن لاکیر، در طی مشاهدات خورشیدگرفتگی کشف شد. آنها با استفاده از طیف‌سنجی، یک خط طیفی زرد رنگ ناشناخته در طیف خورشید را مشاهده کردند و آن را به یک عنصر جدید نسبت دادند که نام "هلیم" از کلمه یونانی "هلیوس" به معنی خورشید برای آن انتخاب شد. هلیم در سال 1895 توسط شیمیدان انگلیسی، ویلیام رمزی، در زمین شناسایی شد. او هلیم را از تجزیه ماده‌ای به نام کلوییت که حاوی اورانیوم بود، استخراج کرد و وجود آن را در زمین تأیید کرد. این کشف نقطه عطفی در شیمی و فیزیک بود و منجر به شناخت گسترده‌تر گازهای نجیب شد.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی

هلیم دومین عنصر سبک در جدول تناوبی است و پس از هیدروژن، دومین فراوان‌ترین عنصر در جهان محسوب می‌شود. هلیم یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و غیرسمی است که در شرایط استاندارد فشار و دما به صورت گاز وجود دارد. این گاز به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در دسته گازهای نجیب قرار می‌گیرد که دارای واکنش‌پذیری بسیار پایین هستند.

· چگالی کم: چگالی هلیم بسیار کم است که این ویژگی باعث می‌شود در بالون‌ها و هواپیماهای سبک استفاده شود.

· نقطه جوش و ذوب پایین: هلیم دارای نقطه جوش و ذوب بسیار پایین است، به طوری که در دمای بسیار پایین نیز به حالت گاز باقی می‌ماند.

· رسانایی حرارتی بالا: هلیم دارای رسانایی حرارتی بالایی است که آن را برای استفاده در خنک‌کننده‌ها مناسب می‌سازد.

نحوه تولید گاز هلیم

گاز هلیم عمدتاً از طریق استخراج از ذخایر گاز طبیعی تولید می‌شود. این ذخایر شامل مقادیر کمی هلیم هستند که طی میلیون‌ها سال از تجزیه رادیواکتیو عناصر سنگین مانند اورانیوم و توریم در زمین به‌وجود آمده‌اند. فرآیند تولید هلیم با جداسازی آن از دیگر گازهای موجود در گاز طبیعی آغاز می‌شود. این کار با استفاده از تقطیر جز به جز در دماهای بسیار پایین انجام می‌شود، جایی که هلیم به عنوان تنها گاز باقی می‌ماند و دیگر گازها به حالت مایع در می‌آیند. پس از جداسازی، هلیم خالص‌سازی شده و برای کاربردهای مختلف از جمله پزشکی، صنایع، و تحقیقات علمی به بازار عرضه می‌شود.

منابع هلیم

هلیم به طور طبیعی در زمین به میزان کمی یافت می‌شود و بیشتر آن از تجزیه اورانیوم و توریم در زمین به دست می‌آید. منابع اصلی هلیم شامل ذخایر گاز طبیعی است که در برخی از مناطق جهان مانند ایالات متحده، قطر، الجزایر و روسیه وجود دارند. استخراج هلیم از گاز طبیعی از طریق فرآیندهای جداسازی و تقطیر انجام می‌شود.

گاز هلیم پس از هیدروژن، دومین عنصر فراوان در جهان است و تقریباً 24 درصد از جرم اتمی کائنات را تشکیل می‌دهد. این گاز عمدتاً در ستارگان و از جمله خورشید، از طریق فرایند همجوشی هسته‌ای تولید می‌شود. در زمین، هلیم به نسبت کمتری یافت می‌شود و بیشتر در ذخایر گاز طبیعی و از تجزیه رادیواکتیو عناصر سنگین مانند اورانیوم و توریم به دست می‌آید. منابع اصلی هلیم در ایالات متحده، قطر، الجزایر و روسیه قرار دارند و استخراج آن از گاز طبیعی نیازمند فناوری‌های پیشرفته و پرهزینه است.

ایزوتوپ‌های گاز هلیم

گاز هلیم دو ایزوتوپ پایدار دارد: هلیم-3 (³He) و هلیم-4 (⁴He). ایزوتوپ هلیم-4 با دو پروتون و دو نوترون، رایج‌ترین نوع هلیم در طبیعت است و بیش از 99.999 درصد از هلیم موجود را تشکیل می‌دهد. هلیم-3 که دارای دو پروتون و یک نوترون است، بسیار نادرتر و حدود یک در میلیون نسبت به هلیم-4 است. این ایزوتوپ به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد، در تحقیقات علمی و کاربردهای خاص مانند برودت‌سازی فوق‌العاده پایین و مطالعات فیزیک حالت جامد مورد استفاده قرار می‌گیرد. هلیم-3 نیز به عنوان محصول جانبی از تجزیه تریتیوم، که در برخی از واکنش‌های هسته‌ای تولید می‌شود، به دست می‌آید.

کاربردهای هلیم

هلیم به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود در بسیاری از صنایع و کاربردهای علمی به کار می‌رود. برخی از مهم‌ترین کاربردهای این گاز عبارتند از:

صنعت پزشکی: هلیم در پزشکی به عنوان یک گاز تنفسی در مخلوط با اکسیژن مایع برای بیماران با مشکلات تنفسی و در دستگاه‌های MRI به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌شود.

بالون‌ها و هواپیماهای سبک: به دلیل چگالی کم، هلیم به عنوان گاز پرکننده در بالون‌ها و هواپیماهای سبک استفاده می‌شود.

صنعت جوشکاری: هلیم به عنوان گاز حفاظتی در جوشکاری و برش فلزات به کار می‌رود. این گاز به ایجاد یک محیط خنثی کمک می‌کند که از اکسیداسیون فلزات جلوگیری می‌کند.

خنک‌کننده‌ها: هلیم به عنوان یک خنک‌کننده فوق‌العاده در تجهیزات برودتی و تحقیقاتی استفاده می‌شود. این گاز به ویژه در خنک‌کردن آهنرباهای ابررسانا در تجهیزات MRI و شتاب‌دهنده‌های ذرات کاربرد دارد.

تحقیقات علمی: هلیم در تحقیقات فیزیکی و شیمیایی به عنوان یک گاز حامل در کروماتوگرافی گازی و به عنوان محیطی برای مطالعه خواص ماده در دماهای پایین استفاده می‌شود.

صنعت الکترونیک: هلیم به عنوان گاز حامل در تولید نیمه‌رساناها و فیبرهای نوری استفاده می‌شود. این گاز به دلیل ویژگی‌های حرارتی و الکتریکی خاص خود، به تولید و بهره‌وری بهتر این محصولات کمک می‌کند.

گاز هلیم در بادکنک‌ها

گاز هلیم به دلیل چگالی بسیار کم و بی‌خطر بودنش، به طور گسترده‌ای برای پر کردن بادکنک‌ها استفاده می‌شود. این گاز سبک‌تر از هوا است و به همین دلیل بادکنک‌های پر شده با هلیم به سمت بالا صعود می‌کنند و در هوا معلق می‌مانند. علاوه بر این، هلیم غیرقابل اشتعال و بی‌اثر است، که آن را به یک انتخاب ایمن‌تر نسبت به گازهای دیگر مانند هیدروژن تبدیل می‌کند. استفاده از هلیم در بادکنک‌ها در جشن‌ها، مراسم و تزئینات باعث ایجاد جلوه‌ای جذاب و شاداب می‌شود.

اهمیت اقتصادی و استراتژیک

هلیم به دلیل کاربردهای گسترده و ویژگی‌های خاص خود، اهمیت اقتصادی و استراتژیک زیادی دارد. این گاز در بسیاری از صنایع حیاتی مانند پزشکی، الکترونیک و تحقیقات علمی نقش کلیدی ایفا می‌کند. به همین دلیل، مدیریت منابع هلیم و اطمینان از دسترسی پایدار به آن، برای بسیاری از کشورها اهمیت ویژه‌ای دارد.

خطرات احتمالی گاز هلیم

با اینکه هلیم یک گاز بی‌اثر و غیرقابل اشتعال است و به طور کلی بی‌خطر محسوب می‌شود، استفاده نادرست از آن می‌تواند خطراتی به همراه داشته باشد. استنشاق هلیم به صورت مستقیم، به ویژه از کپسول‌های فشرده، می‌تواند منجر به خفگی شود زیرا جایگزین اکسیژن در ریه‌ها می‌شود و موجب کاهش سطح اکسیژن خون می‌گردد. این موضوع می‌تواند به از دست دادن هوشیاری یا حتی آسیب‌های جدی مغزی منجر شود. همچنین، استفاده نادرست از تجهیزات فشرده‌سازی هلیم می‌تواند خطر انفجار و آسیب‌های فیزیکی را به دنبال داشته باشد. به همین دلیل، هنگام استفاده از هلیم باید احتیاط کرد و از مصرف مستقیم آن خودداری نمود.

آینده هلیم

با توجه به اهمیت و کاربردهای فراوان هلیم، تحقیق و توسعه در زمینه بهره‌برداری بهتر از این منابع و کشف منابع جدید از اهمیت بالایی برخوردار است. تلاش‌ها برای بهینه‌سازی فرآیندهای استخراج و استفاده از هلیم، می‌تواند به کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری کمک کند. همچنین، بازیافت هلیم و استفاده مجدد از آن در صنایع مختلف، یکی از راهکارهای موثر برای مقابله با کمبود منابع این گاز است.

نتیجه‌گیری

گاز هلیم یکی از عناصر حیاتی و پرکاربرد در صنایع مختلف و تحقیقات علمی است. ویژگی‌های منحصر به فرد این گاز، آن را به یکی از مهم‌ترین مواد در پزشکی، الکترونیک، جوشکاری و تحقیقات علمی تبدیل کرده است. با این حال، کمبود منابع و افزایش تقاضا، چالش‌هایی را در استفاده از هلیم ایجاد کرده است. مدیریت منابع، بهینه‌سازی فرآیندهای استخراج و بازیافت، و تحقیق و توسعه در زمینه استفاده بهتر از هلیم، از اهمیت بالایی برخوردار است تا این گاز ارزشمند بتواند به طور پایدار در دسترس باشد و به پیشرفت علمی و صنعتی کمک کند.