تم العثور على الهيليوم، الذي يتم إنتاجه عادةً عن طريق التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235، في الغلاف الجوي الشمسي قبل 13 عامًا من وجوده على الأرض. يمتلك هذا الغاز أدنى القيم الحرجة، وأدنى نقطة غليان، وأدنى حرارة تبخر وانصهار. أما بالنسبة لدرجة حرارة انصهار الهيليوم، فإنه عند الضغط الطبيعي لا يوجد على الإطلاق. ولا يمكن العثور على مادة أخرى مثل هذه في الطبيعة.
الهيليوم عنصر غير عادي، وتاريخه غامض إلى حد ما وغير مفهوم. تم العثور عليه في الغلاف الجوي الشمسي قبل 13 عامًا من وجوده على الأرض. وبتعبير أدق، تم اكتشاف خط D أصفر ساطع في طيف الإكليل الشمسي، وما كان مخفيًا خلفه أصبح معروفًا بشكل موثوق فقط بعد استخراج الهيليوم من المعادن الأرضية التي تحتوي على عناصر مشعة.
كيف يتكون الهيليوم؟
يتكون الهيليوم الأرضي بشكل رئيسي أثناء التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم والمنتجات غير المستقرة من اضمحلالها. يتراكم الهيليوم ببطء في القشرة الأرضية. طن واحد من الجرانيت يحتوي على 2 جرام من اليورانيوم و 10 جرام من الثوريوم ينتج فقط 0.09 ملجم من الهيليوم على مدى مليون سنة - نصف سنتيمتر مكعب. تحتوي المعادن القليلة جدًا الغنية باليورانيوم والثوريوم على نسبة عالية جدًا من الهيليوم - عدة سنتيمترات مكعبة من الهيليوم لكل جرام.
بمرور الوقت، تخضع معظم المعادن لعمليات التجوية وإعادة البلورة وما إلى ذلك، ويتركها الهيليوم. فقاعات الهيليوم المنبعثة من الهياكل البلورية تذوب جزئيًا في المياه الجوفية. ويهرب جزء آخر من الهيليوم إلى الغلاف الجوي من خلال مسام وشقوق المعادن. وتقع جزيئات الغاز المتبقية في مصائد تحت الأرض، حيث تتراكم لعشرات أو مئات الملايين من السنين. المصائد هنا عبارة عن طبقات من الصخور السائبة، تمتلئ فراغاتها بالغاز. عادة ما تكون قاعدة خزانات الغاز هذه عبارة عن ماء أو زيت، وفي الأعلى تكون مغطاة بطبقات غير منفذة للغاز من الصخور الكثيفة.
تخليق الهيليوم - بداية الحياة
المناطق الداخلية والغلاف الجوي لكوكبنا فقيرة بالهيليوم. ولكن هذا لا يعني أن هناك القليل منه في كل مكان في الكون. ووفقاً للتقديرات الحديثة، فإن 76% من الكتلة الكونية عبارة عن هيدروجين و23% هيليوم؛ ويبقى واحد في المئة فقط لجميع العناصر الأخرى. وبالتالي، يمكن أن تسمى المادة العالمية بالهيدروجين والهيليوم. ويهيمن هذان العنصران على النجوم والسدم الكوكبية والغاز بين النجوم. يعتبر تفاعل تركيب الهيليوم أساس النشاط النشط للنجوم وتوهجها. وبالتالي، يمكن اعتبار تخليق الهيليوم هو الأب الروحي لجميع التفاعلات في الطبيعة، والسبب الجذري للحياة والضوء والحرارة والظواهر الجوية على الأرض.
تعتبر الغازات الطبيعية المصدر الوحيد للمواد الخام المستخدمة في الإنتاج الصناعي للهيليوم. يوجد الهيليوم في الغازات الطبيعية كشوائب بسيطة. لا يتجاوز محتواه أجزاء من الألف أو المئات أو نادرًا أعشار النسبة المئوية. يعد محتوى الهيليوم الكبير (1.5-10٪) في رواسب نيتروجين الميثان ظاهرة نادرة للغاية. للفصل عن الغازات الأخرى، يتم استخدام الهيليوم المتطاير الاستثنائي، المرتبط بدرجة حرارة تميعه المنخفضة. وبعد تكثيف جميع مكونات الغاز الطبيعي الأخرى أثناء التبريد العميق، يتم ضخ غاز الهيليوم إلى الخارج. ثم يتم تنظيفه من الشوائب. تصل نسبة نقاء الهيليوم المصنع إلى 99.995%. يتم إنتاج الهيليوم السائل عن طريق تسييل غاز الهيليوم.
خصائص الهيليوم
غاز الهيليوم– غاز خامل ليس له لون ولا رائحة ولا طعم. الهيليوم السائل– سائل عديم اللون والرائحة مع نقطة غليان عند الضغط الجوي العادي 101.3 كيلو باسكال (760 ملم زئبق) 4.215 كلفن (ناقص 268.9 درجة مئوية) وكثافته 124.9 كجم / م 3.
الهيليوم ليس سامًا، وغير قابل للاشتعال، وغير قابل للانفجار، ولكن بتركيزات عالية في الهواء يسبب نقص الأكسجين والاختناق. الهيليوم السائل هو سائل منخفض الغليان يمكن أن يسبب قضمة الصقيع للجلد وتلف الغشاء المخاطي للعينين.
ذرة الهيليوم(المعروف أيضًا باسم الجزيء) هو أقوى الهياكل الجزيئية. إن مدارات الإلكترونين متماثلة تمامًا، وتمر بالقرب جدًا من النواة. لكشف نواة الهيليوم، من الضروري إنفاق كمية قياسية من الطاقة (78.61 فولت). وهذا يعني السلبية الكيميائية الهائلة للهيليوم.
جزيئات الهيليوم غير قطبية. قوى التفاعل بين الجزيئات بينهما صغيرة للغاية - أقل من أي مادة أخرى. ولهذا السبب فإن الهيليوم لديه أدنى القيم الحرجة، وأدنى نقطة غليان، وأدنى حرارة تبخر وانصهار. أما بالنسبة لدرجة حرارة انصهار الهيليوم، فإنه عند الضغط الطبيعي لا يوجد على الإطلاق. الهيليوم السائل عند درجة حرارة مهما كانت قريبة من الصفر المطلق لا يتصلب إلا إذا تعرض، بالإضافة إلى درجة الحرارة، لضغط يبلغ 25 ضغط جوي أو أكثر. ولا توجد مادة أخرى مثل هذه في الطبيعة. وهو أفضل موصل للكهرباء بين الغازات وثاني أفضل موصل للحرارة بعد الهيدروجين. سعتها الحرارية عالية جداً ولزوجتها على العكس قليلة.
الهيليوم والمناطيد والغواصين والطاقة النووية..
تم استخدام الهيليوم لأول مرة في ألمانيا. وفي عام 1915، بدأ الألمان بملء مناطيدهم التي قصفت لندن بها. وسرعان ما أصبح الهيليوم خفيف الوزن وغير القابل للاشتعال مادة حشو لا غنى عنها لمركبات الطيران. أدى التراجع في بناء المناطيد الذي بدأ في منتصف الثلاثينيات إلى بعض الانخفاض في إنتاج الهيليوم، ولكن لفترة قصيرة فقط. جذب هذا الغاز انتباه الكيميائيين وعلماء المعادن والمهندسين الميكانيكيين بشكل متزايد.
مجال آخر لتطبيق الهيليوم يرجع إلى حقيقة أن العديد من العمليات والعمليات التكنولوجية لا يمكن تنفيذها في الهواء. ولتجنب تفاعل المادة الناتجة (أو المادة الأولية) مع غازات الهواء، يتم إنشاء بيئات وقائية خاصة، ولا يوجد غاز أكثر ملاءمة لهذه الأغراض من الهيليوم.
في الهيليوم بيئة وقائيةالخضوع لمراحل منفصلة للحصول على الوقود النووي. يتم تخزين عناصر الوقود في المفاعلات النووية ونقلها في حاويات مملوءة بالهيليوم. بمساعدة أجهزة كشف التسرب الخاصة، التي يعتمد عملها على قدرة الهيليوم على الانتشار الاستثنائية، فإنها تحدد أدنى احتمال للتسرب في المفاعلات النووية والأنظمة الأخرى تحت الضغط أو الفراغ.
في البحث العلمي والهندسيتستخدم على نطاق واسع الهيليوم السائل. تفضل درجات الحرارة المنخفضة للغاية المعرفة المتعمقة بالمادة وبنيتها - ففي درجات الحرارة المرتفعة، يتم حجب التفاصيل الدقيقة لأطياف الطاقة من خلال الحركة الحرارية للذرات.
توجد بالفعل ملفات لولبية فائقة التوصيل مصنوعة من سبائك خاصة تخلق مجالات مغناطيسية قوية (تصل إلى 300 ألف أورستد) عند درجة حرارة الهيليوم السائل مع استهلاك ضئيل للطاقة. عند درجة حرارة الهيليوم السائل، تصبح العديد من المعادن والسبائك الموصلات الفائقة. يتم استخدام مرحلات الكريوترون فائقة التوصيل بشكل متزايد في تصميمات أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية. فهي بسيطة وموثوقة ومدمجة للغاية. أصبحت الموصلات الفائقة، ومعها الهيليوم السائل، ضرورية للإلكترونيات. يتم تضمينها في تصميمات أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء، والمضخمات الجزيئية (الميزر)، ومولدات الكم الضوئية (الليزر)، وأدوات قياس الترددات فوق العالية.
مخاليط الهيليوم والأكسجينأصبحت وسيلة موثوقة للوقاية من مرض تخفيف الضغط وحققت مكاسب كبيرة في الوقت عند رفع الغواصين. وكما هو معروف فإن ذوبان الغازات في السوائل، مع تساوي العوامل الأخرى، يتناسب طردياً مع الضغط. الغواصون الذين يعملون تحت ضغط مرتفع لديهم كمية أكبر من النيتروجين المذاب في دمائهم مقارنة بالظروف الطبيعية الموجودة على سطح الماء. عند الارتفاع من العمق، عندما يقترب الضغط من المستوى الطبيعي، تنخفض ذوبان النيتروجين ويبدأ إطلاق الفائض منه. إذا كان الارتفاع سريعًا، فإن إطلاق الغازات الذائبة الزائدة يحدث بعنف شديد لدرجة أن أنسجة الجسم الغنية بالدم والماء، المشبعة بالغاز، ترغى بكتلة من فقاعات النيتروجين - مثل الشمبانيا عند فتح الزجاجة.
يؤدي تكوين فقاعات النيتروجين في الأوعية الدموية إلى تعطيل عمل القلب، وظهورها في الدماغ يعطل وظائفه، وكل هذا معًا يؤدي إلى اضطرابات شديدة في عمل الجسم وفي النهاية إلى الوفاة. ومن أجل منع تطور الظواهر الموصوفة، والمعروفة باسم "مرض تخفيف الضغط"، يتم صعود الغواصين، أي الانتقال من الضغط المرتفع إلى الوضع الطبيعي، ببطء شديد.
وفي هذه الحالة يتم إطلاق الغازات الذائبة الزائدة تدريجياً ولا تحدث أي اضطرابات مؤلمة. مع استخدام الهواء الاصطناعي، الذي يتم فيه استبدال النيتروجين بهيليوم أقل قابلية للذوبان، يتم القضاء بالكامل تقريبًا على احتمال حدوث اضطرابات ضارة. وهذا يجعل من الممكن زيادة عمق نزول الغواصين (حتى 100 متر أو أكثر) وإطالة الوقت الذي يقضيه تحت الماء.
كثافة هواء "الهيليوم" أقل بثلاث مرات من كثافة الهواء العادي. لذلك فإن استنشاق مثل هذا الهواء أسهل من استنشاق الهواء العادي (ينخفض عمل عضلات الجهاز التنفسي). هذا الظرف مهم لأمراض الجهاز التنفسي. لهذا الهواء "الهليوم".تستخدم أيضا في الدواءفي علاج الربو والاختناق وغيرها من الأمراض.
ليست أبدية بعد، ولكنها غير ضارة بالفعل
تم تطويره في مختبر لوس ألاموس فيرمي الوطني (نيو مكسيكو) محرك جديدوالتي يمكن أن تغير بشكل خطير النظرة إلى السيارة باعتبارها أحد المصادر الرئيسية للتلوث. مع كفاءة مماثلة لمحرك الاحتراق الداخلي (30-40%)، فهو خالي من عيوبه الرئيسية: الأجزاء المتحركة التي تتطلب التشحيم لتقليل الاحتكاك والتآكل، والانبعاثات الضارة بالبيئة الناتجة عن الاحتراق غير الكامل للوقود.
في الواقع، نحن نتحدث عن تحسين محرك الاحتراق الخارجي المعروف، والذي اقترحه الكاهن الاسكتلندي ر. ستيرلينغ في عام 1816. ولم يتم استخدام هذا المحرك على نطاق واسع في المركبات بسبب تصميمه الأكثر تعقيدًا مقارنة بمحرك الاحتراق الداخلي الأعلى. استهلاك المواد والتكلفة. لكن محول الطاقة الحراري الصوتي الذي اقترحه العلماء الأمريكيون، والذي يعمل فيه الهيليوم المضغوط كسائل التشغيل، يختلف بشكل إيجابي عن سابقه في غياب المبادلات الحرارية الضخمة التي حالت دون استخدامه في سيارات الركاب، وفي المستقبل القريب يمكن أن يصبح بديل مقبول بيئيًا ليس فقط لمحرك الاحتراق الداخلي، ولكن أيضًا لمحول الطاقة الشمسية والثلاجة ومكيف الهواء. لا يزال من الصعب تخيل حجم تطبيقه.
في 18 أغسطس 1868، قام العالم الفرنسي بيير يانسن، أثناء كسوف الشمس الكلي في مدينة جونتور الهندية، بفحص كروموسفير الشمس لأول مرة - غلافها الخارجي. تمكن يانسن من تكوين المنظار الطيفي بحيث يمكن ملاحظة طيف الإكليل الشمسي ليس فقط أثناء الكسوف، ولكن أيضًا في الأيام العادية. في اليوم التالي، أثناء دراسة الشواظات (كتل من المادة الباردة نسبيًا التي ترتفع وتبقى فوق سطح الشمس بواسطة مجال مغناطيسي)، اكتشف يانسن في نتائج التحليل الطيفي ليس فقط الخطوط الزرقاء والخضراء والزرقاء والحمراء للشمس. الهيدروجين، ولكن أيضًا أصفر ساطع جدًا، والذي اعتقد الفلكي وزملاؤه في البداية أنه خط الصوديوم.
وبعد شهرين، في 20 أكتوبر/تشرين الأول، أجرى عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير، الذي لم يكن على علم بتطورات زميله الفرنسي، بحثًا أيضًا عن الطيف الشمسي.
بعد أن اكتشف خطًا أصفر غير معروف بطول موجة يبلغ 588 نانومتر، أطلق عليه اسم D3.
وصلت رسائل يانسن ولوكير حول اكتشاف خط جديد من الطيف الشمسي إلى الفرنسية في نفس اليوم - 24 أكتوبر 1868، لكن رسالة لوكير، المكتوبة قبل أربعة أيام، وصلت قبل عدة ساعات. وفي اليوم التالي، تمت قراءة الرسالتين في اجتماع للأكاديمية. تكريما للطريقة الجديدة لدراسة الشواهد، قررت الأكاديمية الفرنسية سك ميدالية. على أحد جانبي الميدالية كانت هناك صور لجانسن ولوكير فوق أغصان الغار المتقاطعة، وعلى الجانب الآخر كانت هناك صورة لإله النور الأسطوري أبولو، وهو يقود عربة بأربعة خيول تجري بأقصى سرعة.
حاول لوكير إعادة إنشاء خطوط طيفية جديدة في المختبر، لكن كل محاولاته باءت بالفشل. ثم أدرك أنه اكتشف عنصرًا كيميائيًا جديدًا. أطلق عليه لوكير اسم الهيليوم، من الكلمة اليونانية هيليوس - "الشمس".
كان موقف العلماء من اكتشاف الهيليوم مثيرًا للجدل. اقترح البعض أنه قد حدث خطأ في تفسير أطياف الشوافضات، لكن وجهة النظر هذه تلقت عددًا أقل من المؤيدين حيث أصبح المزيد والمزيد من علماء الفلك قادرين على مراقبة خطوط لوكير. وذهب آخرون إلى أن هناك عناصر في الشمس لم يتم العثور عليها على الأرض، وهو ما يتناقض مع فكرة أن جميع قوانين الطبيعة المعروفة لنا حاليًا كانت وستكون صالحة في جميع الأوقات وفي جميع نقاط الكون. لا يزال البعض الآخر (كانت هناك أقلية) يعتقد أنه سيتم العثور على الهيليوم على الأرض يومًا ما.
ومع ذلك، تبين أنهم على حق. في عام 1895، اكتشف الكيميائي الاسكتلندي ويليام رامزي، وهو يفحص عينة من الغاز تم الحصول عليها من تحلل المعدن، خطوطًا غير معروفة في طيفه وأرسل عينات إلى العديد من زملائه لتحليلها. عند استلام العينة، تعرف لوكير على الفور على الخطوط التي لاحظها في ضوء الشمس قبل أكثر من ربع قرن. تم حل لغز الهيليوم: لا شك أن هذا الغاز موجود في الشمس، ولكنه موجود أيضًا هنا على الأرض.
الهيليوم هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون، حيث يمثل 23% من إجمالي الكتلة الكونية.
ومع ذلك، فهو نادر على الأرض. وهذا العنصر هو أحد نواتج الاضمحلال النووي، لذا فإن مصدره هو خامات العناصر المشعة.
ومع بداية القرن العشرين، تم إثبات وجود الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض بشكل نهائي. وفي عام 1906، تمكن الفيزيائيون من الحصول على الهيليوم السائل، وفي عام 1926، تمكنوا من تبلوره. في عام 1938، اكتشف عالم فيزياء سوفيتي ظاهرة السيولة الفائقة للهليوم السائل II، والتي تتكون من انخفاض حاد في معامل اللزوجة، ونتيجة لذلك يتدفق الهيليوم عمليا دون احتكاك.
وفي الصناعة يتم الحصول على الهيليوم من الغازات الطبيعية المحتوية على الهيليوم. ويتم فصل الهيليوم عن الغازات الأخرى عن طريق التبريد العميق، مستفيداً من أنه يسيل بشكل أصعب من جميع الغازات الأخرى.
تم استخدام الهيليوم لأول مرة في ألمانيا. وفي عام 1915، بدأ الألمان بملء مناطيدهم التي قصفت لندن بها. وسرعان ما أصبح الغاز الخفيف وغير القابل للاشتعال مادة حشو لا غنى عنها لمركبات الطيران. أدى الانخفاض في بناء المناطيد الذي بدأ في منتصف ثلاثينيات القرن العشرين إلى بعض الانخفاض في إنتاج الهيليوم، ولكن لفترة قصيرة فقط. جذب هذا الغاز انتباه الكيميائيين وعلماء المعادن والمهندسين الميكانيكيين بشكل متزايد.
اليوم، يتم استخدام الهيليوم في صناعة المواد الغذائية كغاز دافع وتعبئة، وكمبرد للحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية، ولملء البالونات وأغلفة مجسات الطقس، ولملء مصابيح مصابيح LED الفتيلية، مما يسمح بإزالة الحرارة بكفاءة من خيوط LED، لاكتشاف التسربات في خطوط الأنابيب والغلايات، كحامل في كروماتوغرافيا الغاز وفي العديد من المجالات الأخرى.
يستخدم الهيليوم السائل على نطاق واسع في البحث العلمي والتكنولوجيا. تفضل درجات الحرارة المنخفضة للغاية المعرفة المتعمقة بالمادة وبنيتها - ففي درجات الحرارة المرتفعة، يتم حجب التفاصيل الدقيقة لأطياف الطاقة من خلال الحركة الحرارية للذرات.
أصبحت مخاليط الهيليوم والأكسجين وسيلة موثوقة للوقاية من مرض تخفيف الضغط وأعطت مكاسب كبيرة في الوقت عند رفع الغواصين.
إن ذوبان الغازات في السوائل، مع تساوي العوامل الأخرى، يتناسب طرديا مع الضغط. الغواصون الذين يعملون تحت ضغط مرتفع لديهم كمية أكبر من النيتروجين المذاب في دمائهم مقارنة بالظروف الطبيعية الموجودة على سطح الماء. عند الارتفاع من العمق، عندما يقترب الضغط من المستوى الطبيعي، تنخفض ذوبان النيتروجين ويبدأ إطلاق الفائض منه. إذا حدث الصعود بسرعة، فإن إطلاق الغازات الذائبة الزائدة يحدث بعنف شديد لدرجة أن أنسجة الجسم الغنية بالماء والدم، المشبعة بالغاز، ترغى حرفيًا من كتلة فقاعات النيتروجين.
إن تكوين فقاعات النيتروجين في الأوعية الدموية يعطل عمل القلب، وظهورها في الدماغ يعطل وظائفه، كل هذا يؤدي إلى اضطرابات شديدة في عمل الجسم وفي النهاية الموت. ومن أجل منع تطور الظواهر الموصوفة، يرتفع الغواصون ببطء شديد.
وفي هذه الحالة يتم إطلاق الغازات الذائبة الزائدة تدريجياً، ولا تحدث أي اضطرابات مؤلمة. مع استخدام الهواء الاصطناعي، الذي يتم فيه استبدال النيتروجين بهيليوم أقل قابلية للذوبان، يتم القضاء بالكامل تقريبًا على احتمال حدوث اضطرابات ضارة. وهذا يجعل من الممكن زيادة عمق نزول الغواصين (حتى 100 متر أو أكثر) والوقت الذي يقضيه تحت الماء.
كثافة هواء "الهيليوم" أقل بثلاث مرات من كثافة الهواء العادي. لذلك فإن استنشاق مثل هذا الهواء أسهل من استنشاق الهواء العادي (ينخفض عمل عضلات الجهاز التنفسي). هذا الظرف مهم لأمراض الجهاز التنفسي. ولذلك فإن هواء "الهيليوم" يستخدم أيضاً في الطب في علاج أمراض الربو والربو وغيرها من الأمراض.
بالإضافة إلى ذلك، يعتبر الهيليوم مؤشرا مناسبا للجيولوجيين.
وباستخدام التصوير الفوتوغرافي بالهيليوم، من الممكن تحديد موقع الصدوع العميقة على سطح الأرض. الهيليوم، كمنتج لتحلل العناصر المشعة التي تشبع الطبقة العليا من قشرة الأرض، يتسرب من خلال الشقوق ويرتفع إلى الغلاف الجوي. وبالقرب من هذه الشقوق، وخاصة عند تقاطعاتها، يكون تركيز الهيليوم أعلى. ويستخدم هذا النمط لدراسة البنية العميقة للأرض والبحث عن خامات المعادن غير الحديدية والنادرة.
هيليوم، هو (لاتيني هيليوم، من اليونانية هيليوس - الشمس، منذ اكتشافه لأول مرة في الطيف الشمسي * أ. هيليوم؛ ن. هيليوم؛ و. هيليوم؛ ط. هيليو)، - عنصر من المجموعة الثامنة من الدورية نظام مندليف، يشير إلى الغازات النبيلة، العدد الذري 2، الكتلة الذرية 4.0026. يتكون الهيليوم الطبيعي من نظيرين مستقرين 3 He و 4 He. تم اكتشافه عام 1868 من قبل عالم الفلك الفرنسي ج. يانسن والفلكي الإنجليزي ج. ن. لوكير أثناء دراسة طيفية للشواظ الشمسي. تم عزل الهيليوم لأول مرة في عام 1895 من قبل الفيزيائي الإنجليزي دبليو رامزي من المعدن المشع كليفيت.
خصائص الهيليوم
في الظروف العادية، الهيليوم هو غاز عديم اللون والرائحة. 0.178 كجم/م3، نقطة الغليان - 268.93 درجة مئوية. الهيليوم هو العنصر الوحيد الذي في الحالة السائلة لا يتصلب عند الضغط العادي، مهما تم تبريده بعمق. في عام 1938، اكتشف الفيزيائي السوفيتي P. L. Kapitsa السيولة الفائقة في 4 He - القدرة على التدفق دون لزوجة. الحد الأدنى من الضغط اللازم لتحويل الهيليوم السائل إلى مادة صلبة هو 2.5 ميجا باسكال، بينما تبلغ درجة الانصهار 272.1 درجة مئوية. (عند 0 درجة مئوية) 2.1.10 -2 واط/م.ك. يتكون جزيء الهيليوم من ذرة واحدة، نصف قطرها من 0.085 (نيتين) إلى 0.133 نانومتر (فان دير فالس) (0.85-1.33 هـ)، ويذوب حوالي 8.8 مل من الهيليوم في 1 لتر من الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، وهي مركبات كيميائية ثابتة من لم يتم الحصول على الهيليوم.
الهيليوم في الطبيعة
من حيث الانتشار في الكون، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية بعده. يوجد القليل من الهيليوم على الأرض: 1 م 3 من الهواء يحتوي على 5.24 سم 3 من الهيليوم، متوسط المحتوى 3.10 -7٪. يوجد في طبقة الغلاف الصخري 3 مكونات وراثية للهيليوم - الهيليوم الإشعاعي، البدائي، والهيليوم الجوي. يتشكل الهيليوم الإشعاعي في كل مكان أثناء التحولات الإشعاعية للعناصر الثقيلة والتفاعلات النووية المختلفة، ويدخل الهيليوم البدائي الغلاف الصخري من الصخور العميقة التي غطت الهيليوم البدائي وحافظت عليه منذ تكوين الكوكب، ومن الفضاء مع الغبار الكوني والنيازك وما إلى ذلك. . يدخل الهيليوم الجوي إلى الهطول من الهواء، أثناء عمليات تكوين الترسيب، وكذلك مع المياه السطحية المتسربة.
قيمة النسبة 3 He/4 He في الهيليوم الإشعاعي هي 10 -8، في الهيليوم الوشاح (خليط من البدائي والإشعاعي) (3±1).10 -5، في الهيليوم الكوني 10 -3 -10 -4، في الهواء الجوي 1.4.10 -6. يهيمن نظائر 4 He بشكل مطلق على الهيليوم الأرضي. المبلغ الرئيسي هو 4 تم تشكيله خلال اضمحلال العناصر المشعة الطبيعية (النظائر المشعة والأكتينورانيوم و). المصادر الثانوية لتكوين 4 He و3 He في الغلاف الصخري هي التفاعلات النووية (انشطار نيوترون الليثيوم، وما إلى ذلك)، واضمحلال التريتيوم، وما إلى ذلك. في المناطق القديمة المستقرة من القشرة الأرضية، يكون المنشأ الإشعاعي 4 He 3 He/ 4 He = = (2±1 ).10 -8 . تتميز القشرة الأرضية المضطربة تكتونيًا (مناطق الصدع، الصدوع العميقة، الأجهزة الانفجارية، ذات النشاط التكتوني أو الزلزالي، وما إلى ذلك) بكمية متزايدة قدرها 3 He 3 He/ 4 He = n.10 -5. بالنسبة للهياكل الجيولوجية الأخرى، تتراوح نسبة 3 He/4 He في الغازات والسوائل المكمنية ضمن 10 -8 -10 -7. يعد الاختلاف في نسب نظائر الهيليوم 3 He/ 4 He في الهيليوم والوشاح والقشرة مؤشرًا على الارتباط الحديث للسوائل العميقة بالوشاح. ونظرًا لخفة الهيليوم وخموله ونفاذيته العالية، فإن معظم المواد المكونة للصخور لا تحتفظ به، ويهاجر الهيليوم عبر فراغات المسام المتشققة في الصخور، ويذوب في السوائل التي تملأها، وفي بعض الأحيان يتم فصله بعيدًا عن المناطق الرئيسية في الصخور. تشكيل.
والهيليوم شائبة واجبة في جميع الغازات التي تتراكم بشكل مستقل في القشرة الأرضية أو تنطلق إلى الخارج على شكل نفاثات غاز طبيعي. عادة ما يكون الهيليوم خليطًا ضئيلًا من الغازات الأخرى؛ في حالات نادرة، يصل مقدارها إلى عدة٪ (من حيث الحجم)؛ تم العثور على أقصى تركيز للهيليوم في تراكمات الغاز تحت الأرض (8-10٪)، وغازات اليورانيوم (10-13٪)، والغازات المذابة في الماء (18-20٪).
إنتاج الهيليوم
وفي الصناعة، يتم الحصول على الهيليوم من الغازات المحتوية على الهيليوم عن طريق التبريد العميق (حتى -190 درجة مئوية)، ويتم الحصول على كمية صغيرة أثناء تشغيل محطات فصل الهواء. يتم تكثيف مكونات الغاز الرئيسية (تجميدها)، ويتم إزالة تركيز الهيليوم المتبقي من الهيدروجين و. ويجري أيضًا تطوير طرق منتشرة لاستخراج الهيليوم.
يتم نقل وتخزين الهيليوم في حاويات محكمة الغلق. يتم نقل الهيليوم من الدرجة 1-2 عادةً في أسطوانات فولاذية ذات سعات مختلفة، تصل عادةً إلى 40 لترًا، تحت ضغط يصل إلى 15 ميجا باسكال. يتم أيضًا تركيب مرافق تخزين الهيليوم في غرف الملح تحت الأرض، ويتم تخزين الهيليوم الخام (حوالي 60% He و40% N2) في هياكل الغاز المنضب تحت الأرض. يتم توفير الهيليوم لمسافات طويلة في شكل مضغوط وسائل باستخدام وسائل النقل المجهزة خصيصًا، وكذلك عبر خطوط أنابيب الغاز (على سبيل المثال، في الولايات المتحدة الأمريكية).
استخدام الهيليوم
يعتمد استخدام الهيليوم على خصائصه الفريدة مثل الخمول الكامل (اللحام في جو الهيليوم، إنتاج مواد فائقة النقاء وأشباه الموصلات، المضافة إلى مخاليط التنفس، وما إلى ذلك)، والنفاذية العالية (كاشفات التسرب في أجهزة الضغط العالي والمنخفض). الهيليوم هو العنصر الكيميائي الوحيد الذي يسمح للمرء بالحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية ضرورية لجميع أنواع الأنظمة والمنشآت فائقة التوصيل (طاقة التبريد). الهيليوم السائل هو مبرد للبحث العلمي.
تم اكتشاف العنصر الكيميائي الهيليوم لأول مرة في الشمس وبعد ذلك فقط على الأرض.
لعب نورمان لوكير دورًا رئيسيًا في تاريخ اكتشاف الهيليوم، مؤسس إحدى المنشورات العلمية الرائدة في العالم - المجلة طبيعة. استعدادًا لنشر المجلة، تعرف على المؤسسة العلمية في لندن وأصبح مهتمًا بعلم الفلك. كان هذا هو الوقت الذي بدأ فيه علماء الفلك، مستوحاة من اكتشاف كيرشوف-بنسن، في دراسة طيف الضوء المنبعث من النجوم. تمكن لوكير بنفسه من تحقيق عدد من الاكتشافات المهمة - على وجه الخصوص، كان أول من أظهر أن البقع الشمسية أكثر برودة من بقية سطح الشمس، وكان أيضًا أول من أشار إلى أن الشمس لها غلاف خارجي، يطلق عليه اسم "البقع الشمسية". هو - هي كروموسفير. في عام 1868، أثناء دراسة الضوء المنبعث من الذرات في الشواظات - وهي انبعاثات ضخمة من البلازما من سطح الشمس - لاحظ لوكير عددًا من الخطوط الطيفية غير المعروفة سابقًا ( سم.التحليل الطيفي). فشلت محاولات الحصول على نفس الخطوط في المختبر، ومن خلالها استنتج لوكير أنه اكتشف عنصرًا كيميائيًا جديدًا. أطلق عليه لوكير اسم الهيليوم، من اليونانية هيليوس- "شمس".
كان العلماء في حيرة من أمرهم بشأن كيفية الرد على ظهور الهيليوم. اقترح البعض أنه قد حدث خطأ في تفسير أطياف الشوافضات، لكن وجهة النظر هذه تلقت عددًا أقل من المؤيدين حيث أصبح المزيد والمزيد من علماء الفلك قادرين على مراقبة خطوط لوكير. وجادل آخرون بأن الشمس تحتوي على عناصر غير موجودة على الأرض، وهو ما يتعارض، كما ذكرنا سابقًا، مع النقطة الأساسية المتعلقة بقوانين الطبيعة. لا يزال البعض الآخر (كانت هناك أقلية) يعتقد أنه سيتم العثور على الهيليوم على الأرض يومًا ما.
في أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر، أجرى اللورد رايلي والسير ويليام رامزي سلسلة من التجارب التي أدت إلى اكتشاف الأرجون. قام رامزي بتعديل إعداده لاستخدامه في دراسة الغازات المنبعثة من المعادن المحتوية على اليورانيوم. اكتشف رامزي خطوطًا غير معروفة في طيف هذه الغازات وأرسل عينات إلى العديد من زملائه لتحليلها. عند استلام العينة، تعرف لوكير على الفور على الخطوط التي لاحظها في ضوء الشمس قبل أكثر من ربع قرن. تم حل لغز الهيليوم: لا شك أن هذا الغاز موجود في الشمس، ولكنه موجود أيضًا هنا على الأرض. في الوقت الحاضر، اشتهر هذا الغاز في الحياة اليومية كغاز لتضخيم المناطيد والبالونات ( سم.قانون جراهام)، وفي العلوم - بفضل تطبيقه في علم التبريد، تقنيات تحقيق درجات حرارة منخفضة للغاية.
الكورونيوم والسنبيوم
إن مسألة ما إذا كانت هناك عناصر كيميائية في مكان ما في الكون غير موجودة على الأرض لم تفقد أهميتها في القرن العشرين. عند دراسة الغلاف الجوي الشمسي الخارجي - الشمسي التيجانالمكونة من بلازما ساخنة شديدة التخلخل، اكتشف علماء الفلك خطوطًا طيفية لم يتمكنوا من التعرف عليها مع أي من العناصر الأرضية المعروفة. ورجح العلماء أن هذه الخطوط تنتمي إلى عنصر جديد يسمى التاج. وعند دراسة أطياف البعض السدم- تراكمات بعيدة للغازات والغبار في المجرة - اكتشاف خطوط غامضة أخرى. وقد نُسبت إلى عنصر "جديد" آخر - سديم. في ثلاثينيات القرن العشرين، توصل عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي إيرا سبراج بوين (1898-1973) إلى استنتاج مفاده أن خطوط السدم تنتمي بالفعل إلى الأكسجين، ولكنها اكتسبت هذا المظهر بسبب الظروف القاسية الموجودة على الشمس وفي السدم، ولا يمكن إعادة إنتاج هذه الظروف في المختبرات الأرضية. تبين أن الكورونيوم عبارة عن حديد عالي التأين. وهذه السطور حصلت على الاسم خطوط محظورة.
جوزيف نورمان لوكير
جوزيف نورمان لوكير، 1836-1920
عالم إنجليزي. ولد في مدينة الرجبي في عائلة طبيب عسكري. جاء لوكير إلى العلم بطريقة غير عادية، حيث بدأ حياته المهنية كمسؤول في وزارة الحرب. ولكسب المزيد من المال، استغل الاهتمام العام بالعلم وبدأ في نشر مجلة علمية شعبية. صدر العدد الأول من المجلة عام 1869 طبيعةوظل لوكير محررًا لها لمدة 50 عامًا. شارك في العديد من الرحلات الاستكشافية لمراقبة كسوف الشمس الكلي. قادته إحدى هذه الرحلات الاستكشافية إلى اكتشاف الهيليوم. يُعرف لوكير أيضًا بأنه مؤسس علم الفلك الأثري - العلم الذي يدرس المعنى الفلكي للهياكل القديمة مثل ستونهنج - ومؤلف العديد من الكتب العلمية الشعبية.
الهيليوم هو غاز نبيل حقا. ولم يكن من الممكن حتى الآن إجباره على أي رد فعل. جزيء الهيليوم أحادي الذرة. ومن حيث الخفة، فهذا الغاز يأتي في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين، فالهواء أثقل من الهيليوم بـ 7.25 مرة. الهيليوم غير قابل للذوبان تقريبًا في الماء والسوائل الأخرى. وبنفس الطريقة، لا تذوب أي مادة بشكل ملحوظ في الهيليوم السائل.
لا يمكن الحصول على الهيليوم الصلب عند أي درجة حرارة إلا إذا زاد الضغط.
في تاريخ اكتشاف هذا العنصر والبحث عنه وتطبيقه، يمكن العثور على أسماء العديد من الفيزيائيين والكيميائيين البارزين من مختلف البلدان. كان الأشخاص التاليون مهتمين بالهيليوم وعملوا بالهيليوم: يانسن (فرنسا)، لوكير، رامزي، كروكس، روثرفورد (إنجلترا)، بالميري (إيطاليا)، كيسوم، كامرلينج أونيس (هولندا)، فاينمان، أونساجر (الولايات المتحدة الأمريكية)، كابيتزا. وكيكوين ولاندو (الاتحاد السوفيتي) والعديد من العلماء البارزين الآخرين.
يتم تحديد المظهر الفريد لذرة الهيليوم من خلال الجمع بين بنيتين طبيعيتين مذهلتين - الأبطال المطلقون في الاكتناز والقوة. في قلب الهيليوم، الهيليوم -4، تكون كلا القذيفتين النوويتين مشبعتين - كل من البروتون والنيوترون. كما أن الإطار المزدوج الإلكتروني الذي يؤطر هذا القلب مشبع أيضًا. تحمل هذه التصاميم المفتاح لفهم خصائص الهيليوم. وهذا هو مصدر خمولها الكيميائي الهائل وصغر حجم ذرتها.
إن دور نواة ذرة الهيليوم - جسيم ألفا - هائل في تاريخ تكوين وتطور الفيزياء النووية. إذا كنت تتذكر، فقد كانت دراسة تشتت جسيمات ألفا هي التي قادت رذرفورد إلى اكتشاف النواة الذرية. ومن خلال قصف النيتروجين بجسيمات ألفا، تم تحقيق التحويل البيني للعناصر لأول مرة - وهو الأمر الذي حلمت به أجيال عديدة من الكيميائيين لعدة قرون. صحيح، في هذا التفاعل، لم يتحول الزئبق إلى ذهب، ولكن النيتروجين إلى أكسجين، ولكن من الصعب القيام بذلك تقريبًا. وقد شاركت نفس جسيمات ألفا في اكتشاف النيوترون وإنتاج أول نظير اصطناعي. وفي وقت لاحق، تم تصنيع الكوريوم والبيركيليوم والكاليفورنيوم والمندليفيوم باستخدام جسيمات ألفا.
لقد أدرجنا هذه الحقائق لغرض واحد فقط - وهو إظهار أن العنصر رقم 2 هو عنصر غير عادي للغاية.
هيليوم الارض
الهيليوم عنصر غير عادي، وتاريخه غير عادي. تم اكتشافه في الغلاف الجوي الشمسي قبل 13 عامًا من اكتشافه على الأرض. وبتعبير أدق، تم اكتشاف خط D أصفر ساطع في طيف الإكليل الشمسي، وما كان مخفيًا خلفه أصبح معروفًا بشكل موثوق فقط بعد استخراج الهيليوم من المعادن الأرضية التي تحتوي على عناصر مشعة.
هناك 29 نظيرًا في القشرة الأرضية، ينتج عن التحلل الإشعاعي لها جسيمات ألفا - نوى ذرات الهيليوم النشطة للغاية وعالية الطاقة.
في الأساس، يتم تشكيل الهيليوم الأرضي أثناء التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم والمنتجات غير المستقرة من اضمحلالها. يتم إنتاج كميات أقل بشكل لا مثيل له من الهيليوم من خلال التحلل البطيء للسماريوم 147 والبزموت. كل هذه العناصر تنتج فقط النظير الثقيل للهيليوم - 4 هو، الذي يمكن اعتبار ذراته بقايا جسيمات ألفا، مدفونة في غلاف من إلكترونين مقترنين - في ثنائي الإلكترون. في الفترات الجيولوجية المبكرة، ربما كانت هناك سلسلة أخرى من العناصر المشعة بشكل طبيعي والتي اختفت بالفعل من على وجه الأرض، مما أدى إلى تشبع الكوكب بالهيليوم. واحدة منها كانت سلسلة النبتونيوم التي تم إعادة إنشائها بشكل مصطنع.
من خلال كمية الهيليوم الموجودة في الصخور أو المعادن، يمكن للمرء أن يحكم على عمرها المطلق. وتعتمد هذه القياسات على قوانين التحلل الإشعاعي: على سبيل المثال، يتحول نصف اليورانيوم 238 إلى هيليوموالرصاص.
يتراكم الهيليوم ببطء في القشرة الأرضية. طن واحد من الجرانيت يحتوي على 2 جرام من اليورانيوم و 10 جرام من الثوريوم ينتج فقط 0.09 ملجم من الهيليوم - نصف سنتيمتر مكعب - على مدى مليون سنة. تحتوي المعادن القليلة جدًا الغنية باليورانيوم والثوريوم على نسبة عالية جدًا من الهيليوم - عدة سنتيمترات مكعبة من الهيليوم لكل جرام. ومع ذلك، فإن حصة هذه المعادن في إنتاج الهيليوم الطبيعي تقترب من الصفر، لأنها نادرة جدًا.
تم اكتشاف هيليوم بي الشمس من قبل الفرنسي ج. يانسن، الذي أجرى ملاحظاته في الهند في 10 أغسطس 1868، والإنجليزي ج. لوكير في 20 أكتوبر من نفس العام. وصلت رسائل كلا العالمين إلى باريس في نفس اليوم، وتمت قراءتها في اجتماع لأكاديمية باريس للعلوم في 26 أكتوبر، بفاصل زمني عدة دقائق. قرر الأكاديميون، الذين اندهشوا من هذه الصدفة الغريبة، أن يطردوا الميدالية الذهبية تكريما لهذا الحدث.
المركبات الطبيعية التي تحتوي على نظائر ألفا النشطة هي مجرد مصدر أساسي، ولكنها ليست مادة خام للإنتاج الصناعي للهيليوم. صحيح أن بعض المعادن ذات البنية الكثيفة - المعادن الأصلية والمغنتيت والعقيق والأباتيت والزركون وغيرها - تحتفظ بقوة بالهيليوم الموجود فيها. ومع ذلك، مع مرور الوقت، تخضع معظم المعادن لعمليات التجوية وإعادة البلورة وما إلى ذلك، ويتركها الهيليوم.
تنطلق فقاعات الهيليوم المنطلقة من الهياكل البلورية في رحلة عبر القشرة الأرضية. وجزء صغير جداً منها يذوب في المياه الجوفية. لتكوين محاليل الهيليوم الأكثر أو الأقل تركيزا، هناك حاجة إلى ظروف خاصة، في المقام الأول الضغوط العالية. ويهرب جزء آخر من الهيليوم المتجول إلى الغلاف الجوي من خلال مسام وشقوق المعادن. وتقع جزيئات الغاز المتبقية في مصائد تحت الأرض، حيث تتراكم لعشرات أو مئات الملايين من السنين. والمصائد عبارة عن طبقات من الصخور السائبة، تمتلئ فراغاتها بالغاز. عادة ما تكون قاعدة خزانات الغاز هذه عبارة عن ماء وزيت، وفي الأعلى تكون مغطاة بطبقات غير منفذة للغاز من الصخور الكثيفة.
وبما أن الغازات الأخرى (أساسا الميثان والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون) تنتقل أيضا في القشرة الأرضية، وبكميات أكبر بكثير، فلا توجد تراكمات للهيليوم النقي. يوجد الهيليوم في الغازات الطبيعية كشوائب بسيطة. لا يتجاوز محتواه أجزاء من الألف أو المئات أو نادرًا أعشار النسبة المئوية. يعد المحتوى الكبير (1.5-10٪) من الهيليوم في رواسب نيتروجين الميثان ظاهرة نادرة للغاية.
تبين أن الغازات الطبيعية هي المصدر الوحيد للمواد الخام اللازمة للإنتاج الصناعي للهيليوم. ولفصله عن الغازات الأخرى، يتم استخدام خاصية التطاير الاستثنائية للهيليوم، المرتبطة بانخفاض درجة حرارة تميعه. وبعد تكثيف جميع مكونات الغاز الطبيعي الأخرى أثناء التبريد العميق، يتم ضخ غاز الهيليوم إلى الخارج. ثم يتم تنظيفه من الشوائب. تصل نسبة نقاء الهيليوم المصنع إلى 99.995%.
تقدر احتياطيات الهيليوم على الأرض بـ 54.014 م3؛ إذا حكمنا من خلال الحسابات، فقد تشكلت عشرات المرات منه في القشرة الأرضية على مدى ملياري سنة. وهذا التناقض بين النظرية والتطبيق أمر مفهوم تماما. الهيليوم هو غاز خفيف، مثل الهيدروجين (على الرغم من أنه أبطأ)، فهو يتبخر من الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي. ربما، أثناء وجود الأرض، تم تجديد الهيليوم من كوكبنا مرارا وتكرارا - تبخر القديم في الفضاء، وبدلا من ذلك، دخل الهيليوم الطازج إلى الغلاف الجوي - "الزفير" من الأرض.
يوجد ما لا يقل عن 200 ألف مرة من الهيليوم في الغلاف الصخري أكثر من الغلاف الجوي؛ يتم تخزين المزيد من الهيليوم المحتمل في "رحم" الأرض - في عناصر ألفا النشطة. لكن المحتوى الإجمالي لهذا العنصر في الأرض والغلاف الجوي صغير. الهيليوم هو غاز نادر ومنتشر. يوجد فقط 0.003 ملغ من الهيليوم لكل 1 كجم من المواد الأرضية، ويبلغ محتواه في الهواء 0.00052 بالمائة من حيث الحجم. مثل هذا التركيز المنخفض لا يسمح بعد باستخراج الهيليوم اقتصاديًا من الهواء.
خامل ولكن هناك حاجة ماسة إلى الهيليوم
في نهاية القرن الماضي، نشرت مجلة Punch الإنجليزية رسما كاريكاتوريا تم فيه تصوير الهيليوم على أنه رجل صغير يغمز ماكرًا - أحد سكان الشمس. وجاء في النص الموجود أسفل الصورة: "أخيرًا، لقد تم القبض علي على الأرض! استمر هذا لفترة كافية! أتساءل كم من الوقت سيستغرق حتى يعرفوا ما يجب فعله معي؟
وبالفعل، فقد مرت 34 سنة على اكتشاف الهيليوم الأرضي (نُشر التقرير الأول عن ذلك عام 1881) قبل أن يجد استخدامًا عمليًا. لعبت الخصائص الفيزيائية والتقنية والكهربائية والكيميائية الأصلية للهيليوم دورًا معينًا هنا، الأمر الذي تطلب دراسة طويلة. وكانت العقبات الرئيسية هي تبديد العنصر رقم 2 وارتفاع تكلفته. ولهذا السبب لم يكن الهيليوم متاحا عمليا.
كان الألمان أول من استخدم الهيليوم. وفي عام 1915، بدأوا بملء مناطيدهم التي قصفت لندن بها. وسرعان ما أصبح الهيليوم خفيف الوزن وغير القابل للاشتعال مادة حشو لا غنى عنها لمركبات الطيران. أدى التراجع في بناء المناطيد الذي بدأ في منتصف الثلاثينيات إلى بعض الانخفاض في إنتاج الهيليوم، ولكن لفترة قصيرة فقط. جذب هذا الغاز انتباه الكيميائيين وعلماء المعادن والمهندسين الميكانيكيين بشكل متزايد.
لا يمكن تنفيذ العديد من العمليات والعمليات التكنولوجية في الهواء. لتجنب تفاعل المادة الناتجة (أو المواد الخام) مع غازات الهواء، يتم إنشاء بيئات وقائية خاصة؛ ولا يوجد غاز أكثر ملاءمة لهذه الأغراض من الهيليوم.
خامل، خفيف الوزن، متحرك، وموصل جيد للحرارة، الهيليوم هو وسيلة مثالية لضغط السوائل والمساحيق القابلة للاشتعال من حاوية إلى أخرى؛ وهذه هي الوظائف التي تؤديها في الصواريخ والصواريخ الموجهة. تتم المراحل الفردية لإنتاج الوقود النووي في بيئة واقية من الهيليوم. يتم تخزين عناصر الوقود في المفاعلات النووية ونقلها في حاويات مملوءة بالهيليوم. بمساعدة أجهزة كشف التسرب الخاصة، التي يعتمد عملها على قدرة الهيليوم على الانتشار الاستثنائية، فإنها تحدد أدنى احتمال للتسرب في المفاعلات النووية أو الأنظمة الأخرى تحت الضغط أو الفراغ.
وقد تميزت السنوات الأخيرة بتجدد الارتفاع في بناء المناطيد، والتي أصبحت الآن على أساس علمي وتقني أعلى. في عدد من البلدان، تم بناء ويجري بناء مناطيد مملوءة بالهيليوم بسعة حمل تتراوح من 100 إلى 3000 طن، وهي اقتصادية وموثوقة ومريحة لنقل البضائع كبيرة الحجم، مثل سلاسل خطوط أنابيب الغاز ومصافي النفط. ، دعامات خطوط الكهرباء، وما إلى ذلك. التعبئة بـ 85% هيليوم و15% هيدروجين مقاومة للحريق وتقلل فقط من الرفع بنسبة 7% مقارنة بحشوة الهيدروجين.
بدأ تشغيل مفاعلات نووية ذات درجة حرارة عالية من نوع جديد، يعمل فيها الهيليوم كمبرد.
يستخدم الهيليوم السائل على نطاق واسع في البحث العلمي والتكنولوجيا. تفضل درجات الحرارة المنخفضة للغاية المعرفة المتعمقة بالمادة وبنيتها - ففي درجات الحرارة المرتفعة، يتم حجب التفاصيل الدقيقة لأطياف الطاقة من خلال الحركة الحرارية للذرات.
توجد بالفعل ملفات لولبية فائقة التوصيل مصنوعة من سبائك خاصة تخلق مجالات مغناطيسية قوية عند درجات حرارة الهيليوم السائل (تصل إلى 300 ألف أورستد) مع استهلاك ضئيل للطاقة.
عند درجة حرارة الهيليوم السائل، تصبح العديد من المعادن والسبائك موصلة للكهرباء. تُستخدم المرحلات فائقة التوصيل - الكريوترونات - بشكل متزايد في تصميمات أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية. فهي بسيطة وموثوقة ومدمجة للغاية. أصبحت الموصلات الفائقة، ومعها الهيليوم السائل، ضرورية للإلكترونيات. يتم تضمينها في تصميمات أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء، والمضخمات الجزيئية (الميزر)، ومولدات الكم الضوئية (الليزر)، وأدوات قياس الترددات فوق العالية.
وبالطبع فإن هذه الأمثلة لا تستنفد دور الهيليوم في التكنولوجيا الحديثة. لكن لولا الطبيعة المحدودة للموارد الطبيعية والتبدد الشديد للهيليوم، لوجد العديد من التطبيقات. ومن المعروف، على سبيل المثال، أنه عند تعليبها في الهيليوم، تحتفظ المنتجات الغذائية بطعمها ورائحتها الأصلية. لكن الأغذية المعلبة "الهيليوم" لا تزال "شيئا في حد ذاته"، لأنه لا يوجد ما يكفي من الهيليوم ويستخدم فقط في أهم الصناعات وحيث لا يمكن الاستغناء عنه. لذلك، من المؤسف بشكل خاص أن ندرك أنه مع الغاز الطبيعي القابل للاشتعال، تمر كميات أكبر بكثير من الهيليوم عبر أجهزة وأفران وأفران التخليق الكيميائي وتهرب إلى الغلاف الجوي مقارنة بتلك المستخرجة من المصادر الحاملة للهيليوم.
الآن يعتبر إطلاق الهيليوم مربحًا فقط في الحالات التي لا يقل فيها محتواه في الغاز الطبيعي عن 0.05٪. إن احتياطيات هذا الغاز تتناقص باستمرار، ومن المحتمل أن تنضب قبل نهاية هذا القرن. ومع ذلك، من المحتمل أن يتم حل مشكلة "نقص الهيليوم" بحلول هذا الوقت - جزئيًا من خلال إنشاء طرق جديدة أكثر تقدمًا لفصل الغازات، واستخراج الأجزاء الأكثر قيمة منها، على الرغم من عدم أهميتها من حيث الحجم، وجزئيًا بفضل التحكم فيها. الاندماج النووي الحراري. سيصبح الهيليوم منتجًا مهمًا، وإن كان ثانويًا، لنشاط "الشمس الاصطناعية".
نظائر الهيليوم: هناك نظيران مستقران للهيليوم في الطبيعة: الهيليوم-3 والهيليوم-4. يتم توزيع النظير الخفيف على الأرض أقل بمليون مرة من النظير الثقيل. هذا هو أندر النظائر المستقرة الموجودة على كوكبنا. تم الحصول على ثلاثة نظائر أخرى للهيليوم بشكل مصطنع. كلها مشعة. عمر النصف للهيليوم-5 هو 2.440-21 ثانية، والهليوم-6 هو 0.83 ثانية، والهيليوم-8 هو 0.18 ثانية. تم الحصول على النظائر الأثقل، المثيرة للاهتمام لأنه يوجد في نواتها ثلاثة نيوترونات لكل بروتون، لأول مرة في دوبنا في الستينيات. ولم تنجح محاولات الحصول على الهيليوم-10 حتى الآن.
آخر الغاز الصلب. كان الهيليوم آخر الغازات التي تم تحويلها إلى حالتين سائلة وصلبة. يتم تفسير الصعوبات الخاصة بتسييل وتصلب الهيليوم من خلال بنية ذرته وبعض خصائص خصائصه الفيزيائية. على وجه الخصوص، الهيليوم، مثل الهيدروجين، عند درجات حرارة أعلى من - 250 درجة مئوية، عند التوسع، لا يبرد، ولكن مع ارتفاع درجات الحرارة. ومن ناحية أخرى، فإن درجة الحرارة الحرجة للهيليوم منخفضة للغاية. ولهذا السبب تم الحصول على الهيليوم السائل لأول مرة فقط في عام 1908، والهيليوم الصلب في عام 1926.
هيليوم إير. الهواء الذي يتم فيه استبدال كل أو معظم النيتروجين بالهيليوم لم يعد خبرًا اليوم. يستخدم على نطاق واسع على الأرض وتحت الأرض وتحت الماء.
هواء الهيليوم أخف بثلاث مرات وأكثر قدرة على الحركة من الهواء العادي. يتصرف بشكل أكثر نشاطًا في الرئتين - فهو يزود الأكسجين بسرعة ويزيل ثاني أكسيد الكربون بسرعة. ولهذا السبب يتم إعطاء هواء الهيليوم للمرضى الذين يعانون من اضطرابات التنفس وبعض العمليات. يخفف الاختناق، ويعالج الربو القصبي، وأمراض الحنجرة.
إن استنشاق هواء الهيليوم يزيل عمليا انسداد النيتروجين (مرض الغواصات) الذي يتعرض له الغواصون والمتخصصون في المهن الأخرى الذين يعملون في ظل ظروف الضغط المرتفع أثناء الانتقال من الضغط المرتفع إلى الوضع الطبيعي. سبب هذا المرض مهم للغاية، خاصة مع ارتفاع ضغط الدم، وذوبان النيتروجين في الدم. مع انخفاض الضغط، يتم إطلاقه على شكل فقاعات غازية، والتي يمكن أن تسد الأوعية الدموية، وتلحق الضرر بالعقد العصبية. على عكس النيتروجين، فإن الهيليوم غير قابل للذوبان عمليا في سوائل الجسم، لذلك لا يمكن أن يسبب مرض تخفيف الضغط. بالإضافة إلى ذلك، فإن هواء الهيليوم يزيل حدوث "التخدير النيتروجيني"، والذي يشبه ظاهريًا التسمم بالكحول.
عاجلاً أم آجلاً، سيتعين على البشرية أن تتعلم العيش والعمل في قاع البحر لفترة طويلة من أجل الاستفادة بجدية من الموارد المعدنية والغذائية للجرف. وفي أعماق كبيرة، كما أظهرت تجارب الباحثين السوفييت والفرنسيين والأمريكيين، لا يزال هواء الهيليوم لا غنى عنه. لقد أثبت علماء الأحياء أن التنفس المطول لهواء الهيليوم لا يسبب تغيرات سلبية في جسم الإنسان ولا يهدد بتغييرات في الجهاز الوراثي: فجو الهيليوم لا يؤثر على تطور الخلايا وتكرار الطفرات. هناك أعمال يعتبر مؤلفوها أن هواء الهيليوم هو وسيلة الهواء المثالية للمركبات الفضائية التي تقوم برحلات طويلة إلى الكون.
الهيليوم لدينا. في عام 1980، حصلت مجموعة من العلماء والمتخصصين بقيادة I. L. Andreev على جائزة الدولة لإنشاء وتنفيذ تكنولوجيا إنتاج مركزات الهيليوم من الغازات الحاملة للهيليوم الفقيرة نسبيا. تم بناء مصنع للهيليوم في حقل غاز أورينبورغ، والذي أصبح المورد الرئيسي لدينا لـ "الغاز الشمسي" لتلبية احتياجات الصناعات المختلفة.
مجمع الهيليوم. في عام 1978، تمكن الأكاديمي V. A. Legasov وزملاؤه، أثناء تحلل نواة التريتيوم المتضمنة في جزيء الحمض الأميني الجليكاين، من تسجيل مجمع يحتوي على الهيليوم المغنطيسي، حيث لوحظ تفاعل فائق الدقة لنواة الهيليوم -3 مع إلكترون غير مقترن . وهذا هو أعظم إنجاز في كيمياء الهليوم حتى الآن.