هيليوم

الهيليوم He هو عنصر كيميائي لا لون له ولا رائحة وعديم الطعم (يسمى في الترجمات الحديثة النَّهْرَن، على وزن فعلن من نَهَرَ أي سال بقوّة، ذلك أنّه مستعمل في نقل الحرارة في المفاعلات النووية وفي صناعة غازات تنفس الغواصين وفي صناعة موائع التبريد، رمزه الكيميائي العربي نه). وهو من العناصر الخاملة أو النبيلة (الغازات النادرة)، له أقل درجات الغليان والانصهار مقارنة ببقية العناصر، وهو لا يوجد إلا في الحالة الغازية باستثناء ظروف خاصة جدا، ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون، وكميات ملموسة منه على الأرض موجودة فقط في الغاز الطبيعي، يستخدم في تطبيقات علوم درجات الحرارة شديدة الانخفاض وفي أنظمة تنفس الغواصيين، ولنفخ البالونات، الهيليوم غاز غير سام وليس له تأثير بيولوجي على الكائنات الحية.

تاريخه

لوحظ الهيليوم لأول مرّة عام 1868 بسبب خط أصفر لامع في الطيف الضوئي للشمس لاحظه الفلكي الفرنسي بيير جانسين أثناء حدوث كسوف شمسي في الهند. وفي ذات العام لاحظ الفلكي الإنجليزي نورمان لوكير نفس المقطع الأصفر من الطيف الضوئي للشمس واستنتج أن هذا الطيف الضوئي سببه عنصر غير موجود على الأرض. فأطلق عليه سوية مع العالم الإنجليزي إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس هيليوس. وفي 1895، استطاع العالم البريطاني ويليام رامساي أن يعزل الهيليوم على الأرض بمعالجة الكليفيت بأحماض معدنية، وشخصت هذه العينات على أنها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروكس. وفصل أيضا بتجربة منفصلة باستخدام الكليفيت في نفس العام على يد الكيميائي السويدي بير تيودور كليفي ونيلز لانجليت.

في عام 1905، اكتشف العالمان الأمريكيان هاميلتون كادي وديفيد مك فارلاند أن الهيليوم يمكن استخلاصه من الغاز الطبيعي. وفي 1907، طرح إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيم الفا هو نواة الهيليوم.

أسيل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي الدنماركي هايكه كاميرلنجث أونيس عام 1908 بتبريد الغاز لأقل من درجة كلفن واحدة، وحول إلى الحالة الصلبة أول مرّة عام 1926 على يد تلميذ هايكه، ويليام هيندريك كيسوم. وفي 1938 اكتشف العالم الروسي ليونيدوفيش كابيتسا أن نظير الهيليوم-4 عديم اللزوجة تقريبا في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بفوق الميوعة. وفي عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هيليوم-3 على يد الفيزيائيين الأمريكييين دوغلاس أوشيروف وديفيد لي وروبرت ريتشاردسون.

حالاته

تحت درجة الحرارة والضغط القياسيين، يوجد الهيليوم في الحالة الغازية فقط. وهو لا يتحول إلى الحالة الصلبية إلا تحت ضغوط كبيرة، والذي بتغيره يتغير حجم المادة الصلبة. وفي درجة حرارة دون درجة غليان الهيليوم 4.21 كلفن، وفوق "نقطة لامدا" 2.1768 كلفن، يكون النظير هيليوم-4 في حالة السيولة العادية وتسمى هيليوم I، ولكن تحت "نقطة لامدا"، يكون للهيليوم خواص فيزيائية غريبة، ويسمى عندها بهيليوم II، ومثل هذه الخواص الفيزيائية غير واضحة عند النظير هيليوم-3.

هيليوم II

هيليوم II له خصائص سائلين، أحدهما سائل عادي والآخر عديم اللزوجة، فلا احتكاك داخلي بين جزيئاته، وله حركة جريان سريعة، وله موصلية كهربائية أعلى من أي مادة أخرى، وتنتقل فيه الحرارة على شكل موجات.

تفاعله

الهيليوم عنصر خامل كيميائيا تحت كل الظروف العادية. ولكن تحت ظروف كهربائية معينة يمكن للهيليوم أن يكون مركبات مع التنجستن، واليود، والفلورايد والكبريت والفوسفور.

نظائره

هناك 8 نظائر معروفة للهيليوم، ولكن النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 هما الوحيدين المستقرين، فالبقية لها نشاط إشعاعي، وتتحول بسرعة إلى عناصر أخرى. أكثر النظائر انتشارا هو هيليوم-4، وهو يتكون من إشعاع ألفا من عناصر مشعة أثقل، فنواته عبارة عن جسيم ألفا، وهي بالعادة نواة مستقرة، أما النظير هيليوم-3 فهو نادر على الأرض وهو ينتج من إشعاع بيتا من التريتيوم.

تواجده

الهيليوم ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون المعروف بعد الهيدرجين، ويشكل حوالي ربع كتلة الكون. ووجوده يتركز في النجوم، حيث أنه يتكون هناك من اتحاد ذرات الهيدرجين، وحسب نظرية الانفجار العظيم، تكون أغلب الهيليوم في الدقائق الثلاث الاولى بعد الانفجار.

أما على الارض ، فإن الهيليوم يشكل جزء واحد من 200 ألف جزء، وذلك يعود بشكل رئيسي إلى تطاير الهيليوم إلى الفضاء الخارجي، وكميات الهيليوم الملموسة الموجودة على الأرض ناتجة عن التحلل الإشعاعي للعناصر الكيميائية، أما أكبر تركيزاته فموجودة مع الغاز الطبيعي ومنها يستخرج معظم الهيليوم للاستخدامات التجارية، وتعتبر آبار الغاز في ولايات تكساس، أوكلاهوما وكنساس الامريكية المصدر الرئيسي لهذا الغاز في العالم.

استخداماته

تتركز أسباب تطبيقات استخدام الهيليوم دون غيره في بعض المجالات إلى كونه غازا خاملا لا يتفاعل بسهولة إضافة إلى عوامل أخرى.

• يستخدم الهيليوم للمناطيد الضخمة والبالونات، لأنه أخف من الهواء فهو ثاني أخف غاز موجود، كما أنه لا يحترق أو ينفجر مما يجعل منه خيارا مناسبا لمثل هذا التطبيق.
• صوت الإنسان الذي استنشق هواء فيه تركيز ملموس من الهيليوم، يصبح عالي الدرجة (من النعومة والجهارة، فيسمع كان فيه شيء من التزمير)، وذلك يعود إلى أن سرعة الصوت في الهيليوم أكبر بثلاث مرات من سرعته في الهواء العادي، مما يؤدي إلى زيادة تردده عند وصول موجات الصوت إلى الهواء العادي، ولكن التعرض لاستنشاق تركيزات عالية من الهيليوم قد تودي بالحياة بسبب نقص الأكسجين.
• يستخدم خليط الهيليوم مع الأكسجين والنيتروجين لملء قوارير هواء تنفس الغواصين في الأعماق الكبيرة لأنه يساعد في منع التسمم الأكسجيني والاستبدال النيترجيني (دخول النيتروجين إلى الدم بدل الأكسجين الأمر الذي يؤثر على عمل الأعصاب ويعطي تأثيرا شبيها بالسُكر) تحت ضغوط الأعماق الكبيرة.
• يستخدم الهيليوم في بيئات تنمية البلورات الدقيقة في الظروف الحساسة لأنه لا يتفاعل ولا يؤثر في تركبها.

• يستخدم الهيليوم للمساعدة في ضغط الوقود الغازي المسال (كالهيدرجين السائل)، وذلك لأنه لا ينفجر تحت ضغوط أو درجات حرارة عالية.