هلیم

هلیم، پس از نئون، کم واکنش ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همهٔ عنصرها است. این گاز کم واکنش، در همهٔ شرایط استاندارد به صورت تک‌اتمی باقی می‌ماند. هلیم به دلیل داشتن جرم مولی نسبتا پایین، دارای رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی بالایی است و سرعت صدا هم در آن، در حالت گازی، از هر گاز دیگری به جز هیدروژن، بالاتر است. همچنین به دلیل همانند و به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیم، نرخ پخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ پخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ پخش هیدروژن است.

هلیم نسبت به دیگر گازهای تک اتمی از همه کمتر در آب حل می‌شود. و نسبت به دیگر گازها، می توان گفت یکی از کم حل شدنی ترین گازها است؛ ضریب حلالیت این گاز 0.70797 x۲/۱۰−۵ است که از CF۴ و SF۶ و C۴F۸ که به ترتیب دارای میزان حلالیت‌های ۰٫۳۸۰۲ و ۰٫۴۳۹۴ و 0.2372 x۲/۱۰−۵اند، بیشتر است (مول). ضریب شکستهلیم بیش از هر گاز دیگری به یک نزدیک است. ضریب ژول-تامسونهلیم در دمای معمولی پیرامونش، منفی است به این معنی که اگر اجازه دهیم این گاز آزدانه افزایش حجم پیدا کند، گرم تر می‌شود. اما اگر هلیم در زیر دمای واژگون ژول-تامسون (در حدود ۳۲ تا ۵۰ کلوین در یک اتمسفر) باشد، اگر اجازه داشته باشد آزادانه افزایش حجم پیدا کند، دمای آن پایین می‌آید. با توجه به این ویژگی اگر دمای هلیم از این دما پایین تر آماده باشد، می توان با افزایش حجم، آن را خنک و مایع کرد.
برخلاف دیگر عنصرها در فشار معمولی، هلیم تا دمای صفر مطلق، همچنان مایع باقی می‌ماند. دلیل این پدیده را می توان با مکانیک کوانتوم توضیح داد: بویژه انرژی نقطهٔ صفر این سامانه بسیار بالا است برای اینکه بخواهد اجازه دهد هلیم جامد شود. هلیم برای جامد شدن باید به دمایی میان ۱ تا ۱٫۵ کلوین (۴۵۷- فارنهایت یا ۲۷۲- سلسیوس) و فشاری نزدیک به ۲٫۵ مگاپاسکال برسد. معمولا شناسایی هلیم جامد از مایع کمی دشوار است چون ضریب شکست هر دو بسیار نزدیک است. هلیم در حالت جامد دارای نقطهٔ ذوب دقیق است، ساختار بلوری دارد و بسیار تراکم پذیر است تا حدی که با وارد کردن فشار بر آن می توان تا بیش از ۳۰ درصد حجم آن را کاهش داد. ضریب کشسانی حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است که تقریبا ۱۰۰ برابر بیشتر از آب تراکم پذیر است. چگالی هلیم جامد در دمای ۱٫۱ کلوین و فشار ۶۶ اتمسفر، ۰٫۲۱۴ ± ۰٫۰۰۶ g/cm۳ و در دمای صفر کلوین و فشار ۲۵ بار (۲٫۵ مگاپاسکال)، ۰٫۱۸۷ ± ۰٫۰۰۹ g/cm۳ است.
هلیم دارای ویژگی‌هاییکتایی است که در بسیاری جاها به آن نیاز است. این ویژگی‌هایهلیم عبارتند از: نقطهٔجوش، چگالی و حل شوندگی پایین، رسانش گرمایی بالا و واکنش ناپذیر بودن آن. از سال ۲۰۰۸ میزان تولید هلیم، ۳۲ میلیون کیلوگرم یا ۱۹۳ میلیون مترمکعب در سال بوده‌است که بیشترین کاربرد آن (نزدیک به ۲۲ درصد کل در سال ۲۰۰۸) در کاربردهای سردکننده بویژه در آهن‌ربایابررسانا‏ در دستگاه‌هایام‌آرآی است. دیگر کاربردهای مهم آن (۷۸ درصد کل در سال ۱۹۹۶) برای ایجاد فشار، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاریبوده‌است.
هلیم، در فرایند جوشکاری با قوس الکتریکی بر روی موادی که در دمای جوشکاری در اثر تماس با هوا یا نیتروژن دچار آسیب می‌شوند به عنوان لایهٔ محافظ یا پوشش عمل می‌کند. گازهای گوناگونی در جوشکاری با قوس الکتریکی به عنوان گاز محافظ به کار می‌روند که هلیم به جای آرگون ارزان، بویژه برای موادی که رسانش گرمایی بالاتری دارند مانند آلومینیم و مس بکار می‌رود.
هلیم طبیعی در شرایط استاندارد، آسیب رسان نیست. اندازه‌های بسیار اندکی از این ماده در خون انسان پیدا می‌شود. اگر بجای اکسیژن مورد نیاز بدن، هلیم را تنفس کنیم امکان خفگی پیش می‌آید. نکته‌های ایمنی گفته شده دربارهٔهلیم مایع و کار با آن همانند کار با دیگر نیتروژن مایع است. چون دمای آن بسیار پایین است و ممکن است فرد دچار سوختگی در اثر سرما شود.
سرعت صدا در هلیم نزدیک به سه برابر بیشتر از سرعت آن در هوا است. چون بسامد پایه در گاز با سرعت صدا در گاز متناسب است. هنگامی که هلیم را تنفس می‌کنیم در بسامد تولیدی توسط مجرای صوتی، تشدید رخ می‌دهد و کیفیت صدا را تغییر می‌دهد. برعکس این اثر و رسیدن به بسامدهای پایین تر هم ممکن است به شرطی که گازهای سنگین تر مانند هگزا فلوراید گوگرد یا زنون را تنفس کنیم.
تنفس هلیممی‌تواند خطرناک باشد چون این گاز می‌تواند خود را جایگزین اکسیژن مورد نیاز در تنفس معمولی کند. تنفس هلیم به تنهایی هم باعث خفگی در چند دقیقه می‌شود. از این ویژگی در طراحی کیف‌های خودکشی بهره برده می‌شود.
تنفس هلیمی که در کپسول فشرده شده بسیار خطرناک است چون شدت جریان آن بالا است و می‌تواند باعث فشارزدگی گوش میانی و پارگی ناگهانی شش‌ها شود. البته شمار مرگ به خاطر پارگی شش‌ها بسیار کم بوده‌است برای نمونه از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ تنها دو مورد مرگ در آمریکا گزارش شده‌است. در سال ۲۰۱۰ هم دو مورد مرگ گزارش شده‌است که یکی در آمریکاو دیگری در ایرلند شمالی رخ داده بود
در فشارهای بالا (بیش از ۲۰ اتمسفر یا ۲ مگاپاسکال) آمیخته‌ای از هلیم و اکسیژن (هلیوکس) می‌تواند باعث مشکل در دستگاه عصبی شود (سندرم اعصاب در فشار بالا) که با افزودن مقدار اندکی نیتروژن به این آمیخته می توان مشکل را کاهش داد.
یک کاربرد صنعتی هلیم، تشخیص جای نشت است. چون هلیم توان پخش شدن خوبی از میانهٔبدنهٔ جامد دارد، سه بار تندتر از هوا، برای همین به عنوان گازی که می‌تواند محل نشت را ردیابی کند، بکار می‌رود. برای نمونه می توان از مخزن‌های فشارهای بالا یا ابزارهای سردکننده یاد کرد. برای تشخیص جای نشت یک ابزار، آن را درون یک محفظه که اول کاملا تهی شده و سپس از هلیم پر شده، می‌گذارند. هلیمی که از محل‌های نشت رد شده را با کمک ابزار طیف سنجی جرمی هلیم شناسایی می‌کنند. این ابزار بسیار دقیق است و دقت آن به ۱۰−۹mbar•L/s یا ۱۰−۱۰ Pa•m3/s هم می‌رسد. این فرایند اندازه گیری معمولا به صورت خودکار انجام می‌شود و در اصطلاح به آن helium integral test می گویند. یک فرایند ساده تر شناسایی نشت، پر کردن وسیلهٔ مورد نظر از هلیم است برای این کار پس از پر کردن، باید با ابزارهای دستی محل نشت را جستجو کرد.
هلیمی که از ترک‌های یک وسیله می‌گذرد را نباید با نفوذ گاز از بدنهٔ ماده اشتباه گرفت. ثابت نفوذ هلیم از بدنهٔ مواد (شیشه، سرامیک و مواد آزمایشگاهی)، مشخص است و ضریب گذر آن قابل محاسبه‌است. البته بیشتر گازهای بی اثر مانند گازهای نجیب و نیتروژن و البته هلیم، از بدنهٔ بیشتر مواد نمی‌توانند بگذرند.
چون هلیم از هوا سبکتر است (نزدیک به ۷ درصد شناوری بیشتری دارد)، برای به هوا رفتن کشتی‌های هوایی و بالون‌ها به گاز هلیم رو آورده‌اند. همچنین ویژگی‌هایی چون آتشگیر نبودن و به تاخیر انداختن آتش باعث سازگاری بیشتری هلیم برای این کاربردند. با اینکه کاربرد هلیم در بالون‌ها بسیار شناخته‌است اما این مطلب تنها بخش کوچکی از کاربردهای این گاز است. کاربرد دیگر هلیم در موشک‌هایفضاپیما است. فضای خالی بالای جایی که سوخت قرار دارد را از هلیم پر می‌کنند؛ این کار باعث می‌شود تا هم جابجایی سوخت و اکسیدکننده‌ها آسان تر شود و هم بتوان با آن هیدروژن و اکسیژن را فشرده کرد تا سوخت موشک بدست آید. همچنین برای زدودن سوخت و اکسیدکننده‌ها از ابزارهای پیش از پرواز و پیش خنک کردن هیدروژن مایع در فضاپیما به آن نیاز است. برای نمونه موشک ساترن ۵ در برنامهٔ فضایی آپولو پیش از پرتاب به 370,000 m۳هلیم نیاز داشت.
تا کنون ۸ ایزوتوپ برای هلیم پیدا شده‌است. که از میان آنها هلیم-۳ و هلیم-۴ تنها ایزوتوپ‌های پایدار آن اند. در هواکرهٔ زمین در برابر هر یک اتم هلیم-۳ یک میلیون هلیم-۴ وجود دارد. برخلاف بیشتر عنصرها، فراوانی ایزوتوپ‌هایهلیم بسته به منبع تولید و فرایند پدیداری شان بسیار متفاوت است. فراوان ترین ایزوتوپ آن، هلیم-۴ در زمین از راه واپاشیآلفای عنصرهای پرتوزای سنگین تر تولید می‌شود. پرتوهایآلفای تابیده شده همگی هسته‌هاییونیزهشدهٔ هلیم-۴ اند. هلیم-۴ به طرز غیرمعمولیهستهٔ پایداری دارد چون ذره‌هایهسته‌ای آن از آرایش الکترونی پایداری برخوردازند. این ایزوتوپ‌ها در جریان هسته‌زاییمهبانگ به فراوانی تولید شدند.
هلیم دومین عنصر سبک جهان است و از دید فراوانی در جایگاه دوم است. نزدیک به ۲۴٪ از جرم گیتی از آن این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیم به همان صورت که در خورشید و هرمز یافت می‌شود در جهان پیدا می‌شود و این به دلیل انرژی بستگی (به ازای هر هسته) بسیار بالای هلیم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن در جدول تناوبی است. بیشتر هلیم موجود در گیتی، هلیم-۴ است و گمان آن می‌رود که در جریان مه بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌هایهمجوشیهسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیم ساخته شده‌است.