جدول مشخصات سریع هلیوم

تاریخچه کشف هلیوم

از طیف خورشید تا شناسایی روی زمین

داستان هلیوم با بسیاری از عناصر تفاوت دارد، زیرا نخستین نشانه‌های وجود آن نه در یک سنگ زمینی، بلکه در نور خورشید دیده شد. در سال ۱۸۶۸، پیر ژول سزار یانسن هنگام بررسی طیف خورشید در زمان خورشیدگرفتگی، خط زردی مشاهده کرد که با خطوط طیفی عناصر شناخته‌شده سازگار نبود. جوزف نورمن لاکر نیز همان خط را بررسی کرد و نتیجه گرفت که باید به عنصری ناشناخته مربوط باشد. لاکر نام این عنصر را از واژه یونانی helios به معنی خورشید گرفت. بنابراین، هلیوم نمونه مشهور عنصری است که پیش از کشف زمینی، از راه طیف‌سنجی نجومی شناسایی شد. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

چند دهه طول کشید تا دانشمندان بتوانند هلیوم را روی زمین پیدا کنند. ویلیام هیلبراند در سال ۱۸۸۹ هنگام بررسی اورانینیت، گازی را مشاهده کرد که در ابتدا آن را نیتروژن پنداشت. در سال ۱۸۹۵، ویلیام رامزی گاز حاصل از حل‌کردن یک کانی اورانیم‌دار در اسید را بررسی کرد و خطوط طیفی هلیوم را در آن یافت. تقریباً در همان زمان، پر تئودور کلِوه و نیلس آبراهام لانگلت در سوئد نیز این شناسایی را تکرار کردند و جرم اتمی هلیوم را اندازه گرفتند. از این مرحله به بعد روشن شد که ماده کشف‌شده یک فلز نیست، بلکه گازی بسیار کم‌واکنش است.

پس باید میان دو تاریخ تمایز بگذاریم: سال ۱۸۶۸ زمان شناسایی طیفی هلیوم در خورشید و سال ۱۸۹۵ زمان تأیید وجود آن روی زمین است. در برخی منابع آموزشی، عبارت «کشف هلیوم» بدون توضیح این تفاوت به‌کار می‌رود و همین موضوع ممکن است باعث سردرگمی شود. نام هلیوم نیز برخلاف نام بیشتر عنصرهایی که به پسوند «ـیوم» پایان می‌یابند، برای یک نافلز انتخاب شده است؛ این نکته در تاریخ شیمی و زبان‌شناسی نام‌گذاری عنصرها جالب است. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

خواص فیزیکی هلیوم

گازی سبک، تک‌اتمی و بسیار سردشونده

هلیوم در شرایط معمول گازی بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و غیرقابل‌اشتعال است. ذرات آن در گاز طبیعی به‌صورت اتم‌های جدا از هم حضور دارند و برخلاف هیدروژن، مولکول دو اتمی He₂ در شرایط عادی تشکیل نمی‌دهند. چگالی هلیوم در دمای اتاق حدود ۰٫۰۰۰۱۶۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب گزارش می‌شود؛ این مقدار از چگالی هوا کمتر است و به همین دلیل بالن پرشده با هلیوم در هوا بالا می‌رود. البته قدرت بالابری به حجم بالن، جرم پوشش و دما و فشار گازها وابسته است و صرفاً از نام «سبک» نمی‌توان مقدار دقیق نیروی بالابرنده را نتیجه گرفت. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

دمای جوش هلیوم در فشار یک اتمسفر حدود ۴٫۲۲۲ کلوین، یعنی نزدیک به ۲۶۸٫۹۲۸- درجه سلسیوس است. این دما یکی از پایین‌ترین دماهای جوش در میان مواد شناخته‌شده به شمار می‌آید و دلیل اصلی کاربرد هلیوم مایع در پژوهش‌های دماپایین و خنک‌کردن آهنرباهای ابررسانا است. هلیوم در فشار معمول با سردکردن ساده به جامد تبدیل نمی‌شود؛ برای جامدکردن آن باید فشار مناسبی اعمال شود. بنابراین برای «نقطه ذوب معمولی در فشار یک اتمسفر»، اطلاعات قطعی در دسترس نیست؛ چون در این فشار، هلیوم رفتار عادی یک ماده دارای نقطه ذوب قابل‌اندازه‌گیری را نشان نمی‌دهد.

هلیوم ظرفیت گرمایی ویژه و رسانندگی گرمایی قابل‌توجهی دارد و در حالت مایع، به‌ویژه زیر دمای گذار معروف هلیوم-۴، رفتارهای کوانتومی مانند ابرشارگی نشان می‌دهد. این ویژگی‌ها را نباید با «سرمای ذاتی» یا تولید سرما در اثر واکنش شیمیایی اشتباه گرفت. هلیوم خودش در واکنش شیمیایی گرماگیر یا گرمازا شرکت نمی‌کند؛ مایع‌بودن آن در دماهای بسیار پایین نتیجه برهم‌کنش ضعیف میان اتم‌ها و قوانین فیزیک حالت چگال است. ([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

داده استاندارد و داده وابسته به شرایط

• جرم اتمی استاندارد: حدود ۴٫۰۰۲۶۰۲ u است و در جدول‌های ساده‌تر به ۴٫۰۰۳ گرد می‌شود.
• دمای جوش: مقدار ۴٫۲۲۲ K برای فشار یک اتمسفر است؛ تغییر فشار، دمای جوش را تغییر می‌دهد.
• چگالی: عدد گزارش‌شده به دما و فشار وابسته است؛ بنابراین نباید چگالی گاز را بدون ذکر شرایط، یک ثابت مطلق دانست.

خواص شیمیایی هلیوم

چرا هلیوم تقریباً واکنش نمی‌دهد؟

هلیوم در گروه ۱۸ جدول تناوبی قرار دارد و نخستین گاز نجیب است. تنها لایه الکترونی آن با دو الکترون پر شده است؛ این آرایش برای تراز نخست به معنای رسیدن به وضعیت پایدار است. هلیوم برای از دست‌دادن الکترون به انرژی زیادی نیاز دارد و افزودن الکترون به آن نیز از نظر انرژی مطلوب نیست. در نتیجه، تمایل آن برای تشکیل یون یا پیوند کووالانسی بسیار کم است. نخستین انرژی یونش هلیوم حدود ۲۴٫۵۸۷ الکترون‌ولت و دومین انرژی یونش آن حدود ۵۴٫۴۱۸ الکترون‌ولت است؛ مقدار دوم نشان می‌دهد که جداکردن آخرین الکترون از He⁺ نیز بسیار دشوار است. ([physics.nist.gov](https://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/heliumtable1_a.htm?utm_source=openai))

عدد اکسایش هلیوم در حالت عنصری و در بیشتر گونه‌های شناخته‌شده صفر در نظر گرفته می‌شود. هلیوم نه سوخت است، نه اکسنده معمولی و نه گازی که از سوختن مواد پشتیبانی کند. «غیرقابل‌اشتعال» به این معناست که خود گاز در شرایط معمول به‌سادگی نمی‌سوزد؛ اما این عبارت نباید به «بی‌خطر در هر غلظت» تعبیر شود، زیرا تجمع هلیوم می‌تواند اکسیژن هوا را جابه‌جا کند و به خفگی منجر شود.

در شرایط عادی، ترکیب مولکولی پایدار و رایجی که هلیوم در آن مانند یک عنصر معمولی پیوند شیمیایی ساخته باشد، شناخته نشده است. بااین‌حال، در فضا یا پلاسما، یون هلیوم هیدرید HeH⁺ دیده می‌شود و در فشارهای بسیار زیاد، موادی مانند Na₂He می‌توانند پایدار شوند. این مثال‌ها استثناهایی وابسته به شرایط ویژه‌اند و نباید در مسائل دبیرستانی به‌عنوان نشانه‌ای از واکنش‌پذیری عادی هلیوم به‌کار روند. ([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

آرایش الکترونی هلیوم

آرایش ۱s² و مفهوم کامل‌شدن لایه اول

عدد اتمی هلیوم ۲ است؛ بنابراین هر اتم خنثی هلیوم دو پروتون در هسته و دو الکترون دارد. هر دو الکترون در زیرلایه 1s قرار می‌گیرند و آرایش الکترونی هلیوم به‌صورت 1s2 نوشته می‌شود. در نمایش لایه‌ای نیز توزیع الکترون‌ها برابر با ۲ است؛ یعنی لایه اول کاملاً پر شده است. این آرایش، علت اصلی پایداری اتم هلیوم و جایگاه آن در گروه گازهای نجیب است.

در هلیوم، زیرلایه ۱s فقط یک اوربیتال دارد و هر اوربیتال حداکثر دو الکترون با اسپین مخالف می‌پذیرد. بنابراین، دو الکترون هلیوم در یک اوربیتال قرار می‌گیرند و اصل طرد پائولی را رعایت می‌کنند. از دیدگاه کتاب درسی، هلیوم یک استثنای مهم در قاعده هشت‌تایی است: برای عنصرهای دوره نخست، کامل‌شدن لایه ظرفیت با دو الکترون و رسیدن به آرایش دوتایی معنا پیدا می‌کند، نه هشت‌تایی.

اگر یک الکترون از هلیوم جدا شود، یون He⁺ با آرایش 1s1 به‌وجود می‌آید. اگر هر دو الکترون جدا شوند، He²⁺ یا هسته هلیوم باقی می‌ماند که همان ذره آلفا، در زمینه واپاشی هسته‌ای، است. توجه کنید که «یونش هلیوم» یک فرایند فیزیکی یا شیمی‌فیزیکی نیازمند انرژی است و به معنی واکنش عادی هلیوم با ماده دیگر نیست. طیف‌های نشر و جذب هلیوم نیز از گذارهای الکترونی میان ترازهای انرژی آن ایجاد می‌شوند و در شناسایی طیفی عناصر کاربرد دارند. ([physics.nist.gov](https://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/heliumtable1_a.htm?utm_source=openai))

نکته مفهومی

هلیوم با وجود قرارگرفتن در دوره اول، در گروه ۱۸ جای دارد؛ زیرا ملاک گروه، شباهت آرایش الکترونی ظرفیت و رفتار شیمیایی است، نه اینکه تعداد لایه‌های الکترونی با عنصرهای پایین‌تر گروه یکسان باشد. همین موضوع به دانش‌آموز کمک می‌کند جایگاه هلیوم را با هیدروژن اشتباه نگیرد.

ایزوتوپ‌های هلیوم

هلیوم-۳ و هلیوم-۴

ایزوتوپ‌های هلیوم اتم‌هایی با دو پروتون، اما تعداد متفاوتی نوترون هستند. دو ایزوتوپ طبیعی و پایدار هلیوم عبارت‌اند از هلیوم-۳ و هلیوم-۴. در هلیوم-۳، هسته شامل دو پروتون و یک نوترون است؛ در هلیوم-۴، دو پروتون و دو نوترون وجود دارد. به همین دلیل، عدد جرمی آن‌ها متفاوت است، اما عدد اتمی هر دو ۲ باقی می‌ماند و هر دو به عنصر هلیوم تعلق دارند.

بر اساس داده‌های NIST برای ترکیب ایزوتوپی طبیعی، فراوانی هلیوم-۳ حدود ۰٫۰۰۰۱۳۴ درصد و فراوانی هلیوم-۴ حدود ۹۹٫۹۹۹۸۶۶ درصد است. این اعداد برای ترکیب استاندارد زمینی‌اند و مقدار نمونه‌های واقعی می‌تواند بر اساس منبع، به‌ویژه در گازهای طبیعی یا مواد حاصل از فرایندهای هسته‌ای، تفاوت داشته باشد. بنابراین، در محاسبات مدرسه‌ای معمولاً هلیوم را تقریباً تک‌ایزوتوپی و جرم اتمی آن را نزدیک ۴ در نظر می‌گیرند، اما در اندازه‌گیری‌های دقیق باید میان عدد جرمی ایزوتوپ و جرم اتمی میانگین عنصر تفاوت گذاشت. ([physics.nist.gov](https://physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl?ele=2&isotype=all))

هلیوم-۴ در پژوهش‌های دماپایین و فیزیک ماده چگال اهمیت فراوان دارد. هلیوم-۳ به‌سبب ویژگی‌های هسته‌ای و برهم‌کنش مناسب با نوترون، در آشکارسازهای نوترونی، پژوهش‌های برودتی و برخی روش‌های تصویربرداری ریه به‌کار رفته است. بسیاری از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هلیوم مانند هلیوم-۵ تا هلیوم-۱۰ ناپایدار و کوتاه‌عمرند و بیشتر در آزمایش‌های فیزیک هسته‌ای تولید می‌شوند. برای این ایزوتوپ‌ها، کاربرد عمومی یا پزشکی روتین را نباید بدون منبع معتبر ادعا کرد؛ کاربردهای شناخته‌شده آن‌ها عمدتاً پژوهشی است.

([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

ترکیبات مهم هلیوم

چرا فهرست ترکیب‌های هلیوم بسیار کوتاه است؟

در شیمی معمول، هلیوم ترکیب‌های پایدار و فراوانی مانند آب، آمونیاک یا نمک‌های یونی نمی‌سازد. دلیل اصلی، اندازه کوچک اتم، انرژی یونش بسیار زیاد و کامل‌بودن لایه ۱s است. در منابع داده‌ای معتبر، برای هلیوم ترکیب شیمیایی معمولی شناخته‌شده‌ای گزارش نشده است؛ بنابراین نوشتن فرمول‌هایی مانند HeCl یا HeF و معرفی آن‌ها به‌عنوان ترکیب‌های پایدار در شرایط عادی نادرست است. حتی گزارش‌های مربوط به تلاش برای ساخت گونه‌هایی مانند HeF₂ نیز به معنی وجود یک ماده پایدار و قابل‌تهیه در آزمایشگاه معمولی نیست. ([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

مهم‌ترین گونه دارای هلیوم که در شیمی کیهانی و پلاسما مطرح است، یون هلیوم هیدرید، یعنی HeH⁺، است. این گونه از پیوند یک پروتون با اتم هلیوم و انتشار فوتون شکل می‌گیرد و به‌عنوان یکی از نخستین مولکول‌های شکل‌گرفته در جهان اولیه شناخته می‌شود. ناسا در سال ۲۰۱۹ نشانه طیفی HeH⁺ را در سحابی سیاره‌ای NGC 7027 گزارش کرد. این یون با یک ترکیب مولکولی خنثی و پایدار در بطری آزمایشگاه یکسان نیست؛ بار الکتریکی و شرایط پلاسما یا محیط نجومی در پایداری آن نقش دارند. ([nasa.gov](https://www.nasa.gov/image-article/first-molecule-found/?utm_source=openai))

نمونه متفاوت دیگر، Na₂He است که در فشارهای بسیار زیاد، بالاتر از حدود ۱۱۳ گیگاپاسکال، تشکیل بلوری آن گزارش شده است. این ماده در فشار عادی پایدار نیست و کاربرد صنعتی یا آموزشی روزمره ندارد. در برخی پژوهش‌های نظری نیز ترکیب‌های هلیوم و آب در فشار و دمای زیاد بررسی شده‌اند. پس بهتر است عبارت «هلیوم ترکیب نمی‌سازد» را برای شرایط عادی شیمی دبیرستان به‌کار ببریم و در سطح پیشرفته اضافه کنیم که فشار زیاد، یون‌ها و محیط‌های نجومی می‌توانند استثناهایی ایجاد کنند.

کاربرد صنعتی هلیوم

از سرمایش ابررسانا تا کنترل کیفیت

مهم‌ترین کاربرد صنعتی هلیوم به دمای جوش بسیار پایین آن مربوط است. هلیوم مایع برای خنک‌کردن آهنرباهای ابررسانا در سامانه‌های MRI و NMR و نیز در شتاب‌دهنده‌هایی مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی به‌کار می‌رود. هنگامی که سیم‌پیچ ابررسانا در دمای مناسب قرار بگیرد، مقاومت الکتریکی آن بسیار کم می‌شود و می‌تواند میدان مغناطیسی قوی ایجاد کند. در این کاربرد، هلیوم با واکنش شیمیایی دستگاه را خنک نمی‌کند؛ بلکه با جذب گرما هنگام تبخیر و گردش در سامانه برودتی، دمای تجهیزات را کنترل می‌کند. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

بی‌واکنشی هلیوم سبب شده است که در جو محافظ برای جوشکاری قوس الکتریکی، رشد بلورهای سیلیسیم و ژرمانیم، تولید نیمه‌رساناها و ساخت برخی فیبرهای نوری استفاده شود. حضور اکسیژن یا نیتروژن در فرایندهای حساس می‌تواند اکسایش، آلودگی یا تغییر خواص ماده را افزایش دهد؛ هلیوم با رقیق‌کردن این گازهای واکنش‌پذیر، محیط کنترل‌شده‌تری فراهم می‌کند. در ساخت فیبر نوری، سرعت خروج و نفوذ گاز نیز در کنترل سردشدن شیشه مذاب اهمیت دارد.

هلیوم به‌دلیل نفوذپذیری زیاد برای آزمون نشتی در مخزن‌ها، لوله‌ها، سامانه‌های خلأ و مدارهای سرمایشی استفاده می‌شود. مقدار بسیار کم هلیوم می‌تواند از منافذ ریز عبور کند و آشکارساز آن را ثبت کند. در صنایع هوافضا، هلیوم برای پرفشارکردن مخزن‌های سوخت و جابه‌جایی برخی سیالات در سامانه‌های پرتابگر استفاده شده است. کاربردهای دیگر شامل تونل‌های باد، خنک‌کردن ابزارهای ماهواره‌ای، آشکارسازهای نوترونی با هلیوم-۳ و تولید لیزر هلیوم-نئون است. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

چالش تأمین

هلیوم از هوا به‌صورت اقتصادی استخراج نمی‌شود، زیرا مقدار آن در جو بسیار کم است. منبع تجاری مهم، برخی ذخایر گاز طبیعی است که هلیوم طی میلیون‌ها سال در آن‌ها به دام افتاده است. از آنجا که هلیوم سبک است و پس از رهاشدن می‌تواند از جو بالایی زمین خارج شود، بازیابی و مصرف مسئولانه آن در صنایع اهمیت دارد.

کاربرد پزشکی هلیوم

کاربرد پزشکی مستقیم و غیرمستقیم

هلیوم در پزشکی بیش از آنکه یک داروی زیستی باشد، یک ماده فیزیکی و مهندسی مهم است. آهنرباهای ابررسانای دستگاه MRI برای حفظ دمای کاری خود به سرمایش بسیار پایین نیاز دارند و هلیوم مایع در بسیاری از سامانه‌ها برای این کار استفاده می‌شود. در اینجا بیمار هلیوم را تنفس نمی‌کند؛ هلیوم در مدار برودتی دستگاه قرار دارد و پایداری میدان مغناطیسی را ممکن می‌کند. بنابراین، عبارت «هلیوم در MRI استفاده می‌شود» باید با توضیح محل استفاده همراه باشد تا با تزریق یا استنشاق هلیوم اشتباه نشود. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

مخلوط هلیوم و اکسیژن که هلیوکس نام دارد، در برخی شرایط انسداد راه هوایی به‌عنوان کمک‌درمان موقت بررسی یا استفاده شده است. چگالی کم هلیوم می‌تواند جریان آشفته و مقاومت عبور گاز از راه‌های هوایی تنگ‌شده را کاهش دهد. هلیوکس درمان علت بیماری نیست و جایگزین اکسیژن‌درمانی، دارو، بازکردن راه هوایی یا تهویه مکانیکی نمی‌شود. شواهد بالینی نیز برای همه بیماران یکسان نیست؛ بنابراین استفاده از آن باید با تجهیزات مناسب و زیر نظر تیم درمان انجام شود. ([pmc.ncbi.nlm.nih.gov](https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1794472/?utm_source=openai))

هلیوم-۳ قطبیده در پژوهش‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی ریه نیز به‌کار رفته است. بیمار مقدار مشخصی از مخلوط گازی را استنشاق می‌کند و توزیع گاز در فضای هوایی ریه تصویر می‌شود. این روش برای بررسی تهویه و ریزساختار ریه در پژوهش‌های بیماری‌هایی مانند آسم، بیماری انسدادی مزمن ریه و فیبروز کیستی مطالعه شده است، اما نباید آن را با یک روش عمومی و در دسترس برای همه مراکز درمانی یکی دانست. در برخی برنامه‌های پژوهشی، گازهای قطبیده دیگر مانند زنون-۱۲۹ نیز مطرح شده‌اند و انتخاب روش به تجهیزات و هدف پزشکی بستگی دارد. ([pubmed.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21105144/?utm_source=openai))

کاربرد هلیوم در زندگی روزمره

بادکنک، بالن و چند فناوری آشنا

شناخته‌شده‌ترین کاربرد هلیوم، پرکردن بادکنک‌های تزئینی، بالن‌های هواشناسی و برخی کشتی‌های هوایی است. هلیوم از هوا سبک‌تر است و چون مانند هیدروژن به‌سادگی نمی‌سوزد، از نظر خطر آتش‌گیری انتخاب ایمن‌تری برای بسیاری از وسایل پرنده سبک به‌شمار می‌آید. بااین‌حال، سبک‌بودن به معنی بی‌ارزش‌بودن نیست؛ هلیوم منبعی محدود و مهم برای تجهیزات علمی و پزشکی است و رهاکردن آن در بادکنک‌ها باعث از دست‌رفتن گازی می‌شود که بازیابی آن پس از ورود به جو دشوار است. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

لیزر هلیوم-نئون در برخی سامانه‌های قدیمی یا آموزشی، تجهیزات اندازه‌گیری و اسکنرهای بارکد کاربرد داشته است. در این لیزر، هلیوم و نئون به‌طور مستقیم با هم ترکیب شیمیایی نمی‌شوند؛ برخورد اتم‌های برانگیخته هلیوم با نئون، انرژی را به ترازهای مناسب نئون منتقل می‌کند و تابش لیزری ایجاد می‌شود. این نکته نمونه خوبی است که نشان می‌دهد «مخلوط دو گاز» الزاماً به معنی «تشکیل ترکیب شیمیایی» نیست.

هلیوم در آزمون نشتی برخی وسایل سرمایشی، تجهیزات الکترونیکی و سامانه‌های خلأ نیز استفاده می‌شود؛ این کاربرد معمولاً برای مصرف‌کننده قابل مشاهده نیست، اما کیفیت و ایمنی محصول را افزایش می‌دهد. گاهی افراد برای ایجاد صدای زیر، هلیوم را از بادکنک تنفس می‌کنند. این کار علمی یا بی‌خطر نیست: هلیوم اکسیژن مورد نیاز مغز و بدن را تأمین نمی‌کند و در حجم زیاد می‌تواند به بیهوشی و مرگ منجر شود. این خطر با هلیوم موجود در یک محیط عادی تفاوت دارد، زیرا در حالت عادی مقدار هلیوم بسیار کم است و اکسیژن هوا را جابه‌جا نمی‌کند. ([osha.gov](https://www.osha.gov/laws-regs/standardinterpretations/1995-01-25?utm_source=openai))

نقش هلیوم در بدن انسان

نقش زیستی شناخته‌شده‌ای ندارد

هلیوم برای ساخت پروتئین‌ها، DNA، آنزیم‌ها یا بافت‌های بدن لازم نیست و نقش زیستی شناخته‌شده‌ای در انسان، جانوران یا گیاهان ندارد. بدن انسان هلیوم را مانند اکسیژن مصرف نمی‌کند و واکنش متابولیکی شناخته‌شده‌ای برای بهره‌برداری از آن ندارد. به همین دلیل، هلیوم را نباید ماده غذایی، مکمل، ویتامین یا گاز تنفسی جایگزین اکسیژن دانست. منابع علمی معتبر نیز برای هلیوم نقش زیستی شناخته‌شده‌ای گزارش نمی‌کنند. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

هلیوم از نظر سمیت شیمیایی، گازی بسیار کم‌واکنش است؛ اما این موضوع با بی‌خطر بودن فیزیولوژیک یکسان نیست. اگر هلیوم در فضای بسته یا در ریه جای اکسیژن را بگیرد، فشار جزئی اکسیژن کاهش می‌یابد و سلول‌ها دچار کمبود اکسیژن می‌شوند. در چنین حالتی، عامل آسیب اصلی واکنش شیمیایی هلیوم با بافت نیست، بلکه هیپوکسی یا کمبود اکسیژن است. OSHA هلیوم و دیگر گازهای بی‌اثر را در غلظت‌های کافی، خفه‌کننده ساده می‌داند؛ یعنی گاز با رقیق‌کردن هوا، مقدار اکسیژن را پایین می‌آورد. ([osha.gov](https://www.osha.gov/laws-regs/standardinterpretations/1995-01-25?utm_source=openai))

تنفس مستقیم از سیلندر فشرده خطرهای دیگری نیز دارد، زیرا فشار بالای گاز می‌تواند به آسیب مکانیکی ریه و اختلال شدید تنفسی منجر شود. در غواصی با مخلوط‌های هلیوم و اکسیژن، فشار زیاد و تغییر فشار هنگام صعود نیز باید کنترل شود؛ جایگزینی نیتروژن با هلیوم خطر نارکوز نیتروژنی را کاهش می‌دهد، اما مشکلات فشار بالا و بیماری کاهش فشار را به‌طور کامل حذف نمی‌کند. بنابراین، هیچ‌یک از کاربردهای پزشکی یا غواصی هلیوم به معنای مجازبودن استنشاق خودسرانه گاز خالص نیست. ([osha.gov](https://www.osha.gov/commercial-diving/more?utm_source=openai))

نقش هلیوم در طبیعت

از مهبانگ و ستارگان تا سنگ‌های زمین

هلیوم در مقیاس کیهانی بسیار فراوان است و پس از هیدروژن، یکی از فراوان‌ترین عنصرهای جهان به شمار می‌رود. هسته‌های هلیوم-۴ در دقایق نخست پس از مهبانگ شکل گرفتند و بعدها در ستارگان نیز از همجوشی هسته‌های هیدروژن تولید شدند. در ستاره‌هایی مانند خورشید، همجوشی هیدروژن به هلیوم انرژی زیادی آزاد می‌کند و همین فرایند یکی از سرچشمه‌های تابش ستاره‌ای است. هلیوم در ستارگان به‌صورت گاز داغ یا پلاسما حضور دارد، نه الزاماً گازی مشابه نمونه سرد و خنثای آزمایشگاه. ([science.nasa.gov](https://science.nasa.gov/mission/webb/early-universe/?utm_source=openai))

در زمین، مقدار هلیوم جو بسیار کم و حدود چند قسمت در میلیون حجمی است. هلیوم از نظر شیمیایی به‌سادگی با سنگ‌ها پیوند نمی‌سازد، اما هسته‌های هلیوم در واپاشی آلفای اورانیم و توریم تولید می‌شوند. ذرات آلفا همان هسته‌های هلیوم-۴ هستند؛ پس از گرفتن دو الکترون از محیط، اتم‌های هلیوم پدید می‌آیند. بخشی از این گاز از سنگ‌ها خارج می‌شود، اما بخشی در ساختارهای زمین‌شناسی و برخی ذخایر گاز طبیعی به دام می‌افتد و امکان استخراج صنعتی پیدا می‌کند. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

به‌دلیل جرم اتمی کم، هلیوم می‌تواند از لایه‌های بالایی جو به فضا بگریزد. این فرار جوی با تولید مداوم هلیوم از واپاشی‌های پرتوزا به تعادل کامل نمی‌رسد؛ به همین دلیل هلیوم آزادشده در جو مانند دی‌اکسیدکربن انباشته نمی‌شود. در کیهان، هلیوم در ابرهای گازی، ستاره‌ها، سحابی‌ها و محیط میان‌ستاره‌ای یافت می‌شود و خطوط طیفی آن برای بررسی دما، چگالی و ترکیب اجرام نجومی اهمیت دارد.

واکنش‌های مهم هلیوم

کمبود واکنش شیمیایی، اهمیت فرایندهای هسته‌ای

در دما و فشار معمول، هلیوم واکنش شیمیایی قابل‌توجهی با اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن یا فلزهای رایج نشان نمی‌دهد. بنابراین، در آزمایشگاه بیشتر از آن به‌عنوان گاز بی‌اثر، محیط محافظ یا ماده انتقال‌دهنده گرما استفاده می‌شود. اگر هلیوم در تخلیه الکتریکی یا پلاسما قرار گیرد، می‌تواند برانگیخته یا یونیده شود و نور مشخصی گسیل کند؛ اما برانگیختگی اتمی با تشکیل ترکیب شیمیایی یکسان نیست.

یکی از فرایندهای مهم مرتبط با هلیوم، یونش آن است. در این فرایند انرژی از تابش، تخلیه الکتریکی یا برخورد ذرات به اتم داده می‌شود و الکترون جدا می‌گردد. یون He⁺ سپس می‌تواند دوباره الکترون جذب کند و به اتم خنثی بازگردد. این فرایندها در طیف‌سنجی، فیزیک پلاسما، لامپ‌های تخلیه و برخی ابزارهای علمی مهم‌اند. انرژی زیاد لازم برای یونش، یکی از نشانه‌های پایداری آرایش الکترونی هلیوم است. ([physics.nist.gov](https://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/heliumtable1_a.htm?utm_source=openai))

در مقیاس هسته‌ای، واپاشی آلفای هسته‌های سنگین، هلیوم-۴ تولید می‌کند و همجوشی هیدروژن در ستارگان نیز هلیوم می‌سازد. این دو فرایند را نباید واکنش شیمیایی تلقی کرد، زیرا در آن‌ها هسته اتم تغییر می‌کند. تشکیل HeH⁺ نیز یک فرایند یون-مولکولی در پلاسما یا محیط‌های نجومی است و در شرایط شیمی دبیرستان رخداد رایج ندارد. در نتیجه، برای هلیوم باید همیشه مشخص کنیم درباره واکنش شیمیایی، برانگیختگی اتمی، یونش یا واکنش هسته‌ای سخن می‌گوییم.

معادلات شیمیایی و هسته‌ای مرتبط با هلیوم

معادله‌ها با ذکر نوع فرایند و شرایط

هلیوم در معادله‌های شیمیایی معمولی به‌ندرت به‌عنوان واکنش‌دهنده یا فرآورده ظاهر می‌شود. معادله‌های زیر نمونه‌هایی از فرایندهای معتبرند، اما همه آن‌ها «واکنش شیمیایی» نیستند. درج نوع فرایند برای جلوگیری از اشتباه مفهومی ضروری است.

1. یونش نخست اتم هلیوم: He(g) + انرژی → He+(g) + e−
2. یونش دوم: He+(g) + انرژی → He2+(g) + e−
3. بازترکیب یون و الکترون: He+(g) + e− → He(g) + انرژی؛ نوع دقیق انرژی آزادشده به مسیر گذار وابسته است.
4. تشکیل یون هلیوم هیدرید در محیط یونیده: He(g) + H+ → HeH+ + hν؛ این معادله به محیط‌های پلاسما و نجومی مربوط است.
5. واپاشی آلفای اورانیم-۲۳۸: 23892U → 23490Th + 42He؛ این یک واکنش هسته‌ای است، نه شیمیایی.
6. خالصه شبکه پروتون–پروتون در ستارگان: 411H → 42He + 2e+ + 2νe + انرژی؛ این فرایند در دما و فشار ستاره‌ای رخ می‌دهد.
7. انتقال انرژی در لیزر هلیوم–نئون: He* + Ne → He + Ne*؛ ستاره نشان‌دهنده حالت برانگیخته است و این معادله نمایش برخوردی انتقال انرژی است، نه تشکیل ترکیب He–Ne.

در مسائل مدرسه‌ای، معمولاً از دانش‌آموز انتظار نمی‌رود واکنش‌پذیری معمول برای هلیوم بنویسد؛ مهم‌تر آن است که بداند هلیوم گاز نجیب است، آرایش پایدار دارد و در شرایط عادی واکنش شیمیایی نمی‌دهد. اگر در صورت سؤال به فشار بسیار زیاد، پلاسما، ستاره یا واپاشی اشاره شود، باید از چارچوب شیمی ساده فراتر رفت.

([physics.nist.gov](https://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/heliumtable1_a.htm?utm_source=openai))

نکات کنکوری هلیوم

نکته‌های منطبق با شیمی دبیرستان

• هلیوم عدد اتمی ۲، نماد He، دوره اول و گروه ۱۸ جدول تناوبی است.
• آرایش الکترونی آن 1s2 و آرایش لایه‌ای آن ۲ است.
• هلیوم با دو الکترون در لایه اول به آرایش دوتایی پایدار رسیده است؛ بنابراین برای آن قاعده هشت‌تایی را مانند عنصرهای دوره‌های بالاتر به‌کار نبرید.
• هلیوم یک گاز نجیب و تک‌اتمی است؛ فرمول گاز هلیوم He است، نه He2.
• جرم اتمی هلیوم حدود ۴٫۰۰۳ است، اما عدد جرمی ایزوتوپ‌ها ۳ یا ۴ است. جرم اتمی میانگین را با عدد جرمی یک ایزوتوپ یکی نگیرید.
• در شرایط معمول، هلیوم واکنش‌پذیری بسیار کمی دارد و عدد اکسایش رایج آن صفر در نظر گرفته می‌شود.
• هلیوم سبک‌تر از هوا و غیرقابل‌اشتعال است؛ هیدروژن نیز سبک است، اما قابلیت اشتعال آن بسیار بیشتر است.
• دمای جوش هلیوم بسیار پایین است؛ این ویژگی با چگالی کم آن دو خاصیت فیزیکی مستقل‌اند و نباید یکی از دیگری نتیجه‌گیری شود.
• هلیوم نقش زیستی شناخته‌شده ندارد، اما «غیرسمی بودن شیمیایی» مانع خفگی در محیط کم‌اکسیژن نمی‌شود.
• در مقایسه روندی گازهای نجیب، هلیوم به‌علت اندازه کوچک و آرایش کامل، انرژی یونش بسیار زیادی دارد.

مرز کتاب و دانش تکمیلی

مطالبی مانند گروه ۱۸، دوره اول، آرایش ۱s²، تک‌اتمی‌بودن، گاز نجیب‌بودن و نقش نداشتن در واکنش‌های معمول، در سطح کتاب درسی و کنکور قابل استفاده‌اند. جزئیاتی مانند ابرشارگی هلیوم-۴، آشکارسازی نوترون با هلیوم-۳، یون HeH⁺ و ترکیب Na₂He در فشار بسیار بالا، دانش تکمیلی‌اند و فقط زمانی در پاسخ به سؤال مطرح شوند که صورت سؤال زمینه لازم را داده باشد.

اشتباهات رایج دانش‌آموزان درباره هلیوم

چند خطای مفهومی پرتکرار

1. نوشتن He₂: هلیوم مانند هیدروژن، نیتروژن یا اکسیژن مولکول دو اتمی پایدار در شرایط عادی نمی‌سازد. شکل معمول عنصر، اتم‌های جدا و تک‌اتمی He است.
2. قرار دادن هلیوم در گروه ۲: عدد اتمی آن ۲ است، اما گروه آن ۱۸ است. عدد اتمی با شماره گروه یکسان نیست.
3. گفتن اینکه هلیوم به آرایش هشت‌تایی رسیده است: هلیوم در دوره اول است و لایه اول با دو الکترون کامل می‌شود؛ بنابراین آرایش دوتایی دارد.
4. یکی دانستن جرم اتمی و عدد جرمی: جرم اتمی طبیعی هلیوم حدود ۴٫۰۰۲۶۰۲ است، اما ایزوتوپ‌های اصلی آن عدد جرمی ۳ و ۴ دارند.
5. تعبیر «بی‌اثر» به‌عنوان «غیرقابل یونش»: هلیوم می‌تواند با دریافت انرژی یونیده یا برانگیخته شود؛ کم‌واکنش‌بودن با غیرممکن‌بودن هر فرایند فیزیکی فرق دارد.
6. فکرکردن به اینکه هلیوم آتش را بیشتر می‌کند: هلیوم نه سوخت است و نه مانند اکسیژن از سوختن پشتیبانی می‌کند.
7. بی‌خطر دانستن تنفس هلیوم: تغییر صدا پس از تنفس هلیوم دلیل درمانی یا ایمنی نیست؛ جابه‌جایی اکسیژن می‌تواند باعث بیهوشی و مرگ شود.
8. معرفی HeH⁺ به‌عنوان ترکیب معمولی هلیوم: این یون در محیط‌های ویژه نجومی و پلاسما مطرح است و با یک ترکیب پایدار آزمایشگاهی در فشار عادی تفاوت دارد.
9. استفاده از دمای جوش بدون ذکر فشار: دمای جوش ۴٫۲۲۲ K مربوط به فشار مشخص، معمولاً یک اتمسفر، است و برای هر فشاری ثابت نمی‌ماند.

ارتباط هلیوم با فصل‌های کتاب شیمی

پیوند با شیمی دبیرستان ایران

ارتباط مستقیم هلیوم با کتاب‌های درسی ایران بیشتر در شیمی دهم دیده می‌شود. در فصل اول شیمی دهم، «کیهان؛ زادگاه الفبای هستی»، پیدایش عنصرهای سبک، ساختار اتم و نگاه کیهانی به ماده مطرح می‌شود؛ هلیوم نمونه‌ای مناسب برای توضیح شکل‌گیری عنصرهای سبک و حضور عنصرها در ستارگان است. در همین چارچوب، باید میان تشکیل هسته هلیوم در فرایندهای هسته‌ای و تشکیل ماده در واکنش‌های شیمیایی تفاوت گذاشت.

در فصل دوم شیمی دهم، «ردپای گازها در زندگی»، خواص گازها، رفتار گازها، فشار، دما، چگالی و کاربردهای گازی بررسی می‌شود. هلیوم برای مقایسه با هوا و هیدروژن، توضیح گازهای تک‌اتمی، بررسی چگالی کمتر از هوا و بحث ایمنی گازهای فشرده مثال مناسبی است. بااین‌حال، عددهای فیزیکی هلیوم باید همراه با شرایط دما و فشار خوانده شوند و نباید از یک مقدار آزمایشگاهی، نتیجه‌ای عمومی برای همه شرایط گرفت.

در فصل‌های شیمی یازدهم و دوازدهم نیز می‌توان پیوندهای موضوعی ایجاد کرد: فصل «قدر هدایای زمینی را بدانیم» با منابع طبیعی و استخراج هلیوم از برخی گازهای طبیعی ارتباط دارد؛ فصل «مولکول‌ها در خدمت تندرستی» با کاربرد هلیوم در MRI و هلیوکس پیوند دارد؛ و مباحث ساختار اتم، آرایش الکترونی، طیف‌سنجی و انرژی یونش در بخش‌های مختلف کتاب، مستقیماً برای تحلیل هلیوم مفیدند. عنوان فصل‌ها ممکن است در چاپ‌های مختلف با ویرایش جزئی ارائه شود، اما این ارتباط‌ها بر مفاهیم پایدار کتاب‌های شیمی دوره دوم متوسطه تکیه دارند. ([roshd.ir](https://www.roshd.ir/olum/Content/%DA%A9%D8%AA%D8%A7%D8%A8-%D8%B4%DB%8C%D9%85%DB%8C-2-%D9%BE%D8%A7%DB%8C%D9%87-%DB%8C%D8%A7%D8%B2%D8%AF%D9%87%D9%85?utm_source=openai))

روش مطالعه پیشنهادی

برای مطالعه کنکوری، ابتدا عدد اتمی و آرایش الکترونی را از کتاب یاد بگیرید، سپس جایگاه هلیوم را در جدول تناوبی و روند انرژی یونش تحلیل کنید. در مرحله بعد، خواص گازها و کاربردهای آن را با مثال‌های روزمره پیوند دهید. جزئیات فیزیک دماپایین و شیمی کیهانی برای درک عمیق مفیدند، اما نباید جای مطالب اصلی کتاب و تمرین‌های محاسباتی را بگیرند.

ارتباط هلیوم با سایر عناصر

مقایسه با هیدروژن و گازهای نجیب

نزدیک‌ترین عنصر از نظر جرم و جایگاه دوره‌ای، هیدروژن است؛ هر دو در دوره اول قرار دارند و گازهایی سبک‌اند، اما رفتار شیمیایی آن‌ها کاملاً متفاوت است. هیدروژن یک الکترون ظرفیتی دارد و می‌تواند پیوندها و مولکول‌های فراوانی بسازد، درحالی‌که هلیوم با آرایش ۱s² به لایه کامل رسیده است. هیدروژن قابل‌اشتعال است، ولی هلیوم در شرایط معمول غیرقابل‌اشتعال است؛ همین تفاوت دلیل استفاده از هلیوم به‌جای هیدروژن در بسیاری از بالن‌هاست.

هلیوم با نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون در گروه ۱۸ قرار دارد. همه این عنصرها لایه ظرفیت پر دارند و در حالت عادی کم‌واکنش‌اند، اما هلیوم کوچک‌ترین عضو این گروه است. با افزایش اندازه اتم و افزایش قطبش‌پذیری در گروه، نیروهای بین‌مولکولی ضعیف اندکی قوی‌تر می‌شوند و دماهای جوش گازهای نجیب سنگین‌تر افزایش می‌یابد. این روند به توضیح دمای جوش بسیار پایین هلیوم کمک می‌کند.

هلیوم در لیزر هلیوم–نئون، شریک واکنش شیمیایی نئون نیست؛ هلیوم انرژی خود را در برخورد به نئون منتقل می‌کند. در فیزیک هسته‌ای نیز هلیوم-۴ با ذرات آلفا ارتباط دارد و هلیوم-۳ با آشکارسازی نوترون و پژوهش‌های دماپایین شناخته می‌شود. از دید کیهانی، هلیوم با هیدروژن و مقدار اندکی لیتیوم در گروه عنصرهای سبک آغازین جهان ارتباط دارد، درحالی‌که عنصرهای سنگین‌تر در نسل‌های بعدی ستارگان ساخته شده‌اند. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

دانستنی‌های جالب درباره هلیوم

عنصری با چند ویژگی منحصربه‌فرد

• هلیوم نخست در خورشید شناسایی شد و سپس روی زمین تأیید گردید؛ این مسیر کشف در تاریخ عناصر بسیار مشهور است.
• نام هلیوم از helios، واژه یونانی مربوط به خورشید، گرفته شده است.
• هلیوم دومین عنصر فراوان جهان پس از هیدروژن است، اما در جو زمین مقدار آن بسیار کم است.
• هلیوم مایع در فشار عادی با سردکردن ساده جامد نمی‌شود و برای جامدکردن آن فشار لازم است.
• هلیوم-۴ در دماهای بسیار پایین می‌تواند رفتار ابرشار نشان دهد؛ در این حالت برخی ویژگی‌های جریان آن با مایعات معمولی تفاوت دارد.
• هلیوم پس از رهاشدن در جو، به‌علت جرم کم می‌تواند از بخش بالایی جو به فضا بگریزد؛ به همین دلیل هدررفت آن با ازبین‌رفتن یک ماده معمولی در سطح زمین یکسان نیست.
• یون HeH⁺ به‌عنوان یکی از نخستین مولکول‌های جهان اولیه مطرح است و نشانه آن در یک سحابی سیاره‌ای شناسایی شده است.
• تغییر صدای انسان پس از تنفس هلیوم به تغییر سرعت صوت در گاز موجود در مجرای صوتی مربوط است، نه تغییر تارهای صوتی یا واکنش شیمیایی هلیوم با بدن.
• هلیوم در لیزر هلیوم–نئون بیشتر نقش انتقال‌دهنده انرژی دارد و خودِ این دو گاز الزاماً ترکیب شیمیایی He–Ne تشکیل نمی‌دهند.
• در دمای اتاق، هلیوم گازی تک‌اتمی است و فرمول مولکولی دو اتمی ندارد.

این دانستنی‌ها زمانی ارزش آموزشی بیشتری دارند که به مفهوم اصلی متصل شوند: آرایش الکترونی هلیوم علت کم‌واکنشی آن است، جرم کم و دمای جوش پایین علت کاربردهای فیزیکی آن هستند، و تولید هسته‌ای یا کیهانی آن از واکنش‌های شیمیایی روزمره جداست. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

جمع‌بندی هلیوم

چرا هلیوم مهم است؟

هلیوم عنصر دوم جدول تناوبی، گازی نجیب، تک‌اتمی، سبک و بسیار کم‌واکنش است. آرایش الکترونی 1s2، لایه اول کامل و انرژی یونش زیاد، رفتار شیمیایی آرام آن را توضیح می‌دهد. در شرایط معمول، هلیوم ترکیب‌های پایدار و فراوانی نمی‌سازد؛ بنابراین کاربرد اصلی آن از خواص فیزیکی‌اش مانند چگالی کم، دمای جوش بسیار پایین، نفوذپذیری و بی‌واکنشی سرچشمه می‌گیرد.

هلیوم در سرمایش MRI و آهنرباهای ابررسانا، تولید نیمه‌رسانا و فیبر نوری، جوشکاری، آزمون نشتی، هوافضا، بالن‌ها، آشکارسازهای نوترونی و پژوهش‌های ریه کاربرد دارد. این عنصر نقش زیستی شناخته‌شده‌ای در بدن ندارد و تنفس هلیوم خالص یا گاز فشرده می‌تواند به‌علت کمبود اکسیژن خطرناک باشد. ایزوتوپ‌های پایدار اصلی آن هلیوم-۳ و هلیوم-۴ هستند؛ هلیوم-۴ در طبیعت بسیار فراوان‌تر است.

برای یادگیری هلیوم در مدرسه و کنکور، سه نکته را در ذهن نگه دارید: هلیوم در گروه ۱۸ است نه گروه ۲، آرایش آن دوتایی است نه هشت‌تایی، و He یک گاز تک‌اتمی است نه He₂. در سطح پیشرفته‌تر نیز باید بدانید که یون HeH⁺، هلیوم مایع و فرایندهای هسته‌ای، هرکدام به شرایط ویژه‌ای مربوط‌اند و نباید با واکنش‌های شیمیایی معمول مخلوط شوند.

([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

سوالات متداول درباره هلیوم

منابع علمی

1. Helium – Element information, properties and uses — Royal Society of Chemistry
2. Helium | He (Element) — PubChem, National Center for Biotechnology Information
3. Atomic Data for Helium — National Institute of Standards and Technology
4. Atomic Weights and Isotopic Compositions for Helium — NIST Physical Measurement Laboratory
5. First Molecule Found: Helium Hydride — National Aeronautics and Space Administration
6. Guidance on inert gases and oxygen-displacement hazards — Occupational Safety and Health Administration
7. Clinical review: Use of helium-oxygen in critically ill patients — National Library of Medicine, PubMed Central
8. Imaging of lung function using hyperpolarized helium-3 MRI — National Library of Medicine, PubMed
9. کتاب شیمی (۲) پایه یازدهم — شبکه رشد وزارت آموزش و پرورش ایران