جدول مشخصات سریع هلیوم

تاریخچه کشف هلیوم

از طیف خورشید تا آزمایشگاه زمینی

تاریخچه هلیوم نمونه‌ای مهم از نقش طیف‌سنجی در کشف عناصر است. در ۱۸ اوت ۱۸۶۸، پیر ژانسن، اخترشناس فرانسوی، هنگام مشاهده خورشیدگرفتگی کامل در هند، خط زردی را در طیف خورشید دید که با خطوط شناخته‌شده عناصر روی زمین مطابقت نداشت. جوزف نورمن لاکیر نیز در همان سال این خط را بررسی کرد. آنان نتیجه گرفتند که این خط به عنصری تازه مربوط است. لاکیر این عنصر را هلیوم نامید؛ نامی برگرفته از «Helios»، خدای خورشید در اسطوره‌شناسی یونان.

در آن زمان تصور می‌شد هلیوم شاید فلزی باشد، زیرا پایان واژه آن به «ـیوم» شباهت داشت. با این حال، هنوز هیچ نمونه زمینی از هلیوم در اختیار دانشمندان نبود. در سال ۱۸۸۲، لوئیجی پالمیری خط طیفی مشابهی را در گازهای حاصل از فعالیت آتشفشان وزوو گزارش کرد. ویلیام هیلبراند نیز در سال ۱۸۸۹ هنگام حل کردن کانی اورانینیت در اسید، گازی به دست آورد که بعدها مشخص شد بخشی از آن هلیوم بوده است؛ هرچند در ابتدا آن را نادرست شناسایی کرد.

در سال ۱۸۹۵، ویلیام رامزی هلیوم را از گاز آزادشده از کانی کلویت، که نوعی کانی غنی از اورانیوم است، شناسایی کرد. در همان دوره، پر تئودور کلِوه و نیلس آبراهام لانگر در سوئد نیز آزمایش‌های مربوط به گاز حاصل از کانی‌های پرتوزا را تکرار کردند و جرم اتمی هلیوم را اندازه گرفتند. این مطالعات نشان دادند عنصری که ابتدا در خورشید شناسایی شده بود، روی زمین نیز وجود دارد.

بعدها ارتباط میان هلیوم و واپاشی پرتوزا روشن‌تر شد. ذره آلفا در واقع هسته اتم هلیوم-۴، یعنی هسته‌ای شامل دو پروتون و دو نوترون، است. هنگامی که ذرات آلفا از مواد پرتوزا الکترون می‌گیرند، اتم‌های هلیوم تشکیل می‌شوند. این کشف یکی از شواهد مهم برای پیوند میان پرتوزایی، ساختار هسته و دگرگونی یک عنصر به عنصر دیگر بود. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

خواص فیزیکی هلیوم

گازی بسیار سبک و کم‌چگال

هلیوم در شرایط معمول، گازی تک‌اتمی است؛ یعنی ذرات سازنده آن اتم‌های جداگانه He هستند و مانند هیدروژن، اکسیژن یا نیتروژن به طور معمول مولکول‌های دو اتمی He₂ تشکیل نمی‌دهد. گاز هلیوم بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. چگالی آن در شرایط نزدیک به دمای اتاق و فشار معمول حدود ۰٫۱۶۴ گرم بر لیتر است؛ بنابراین از هوا بسیار سبک‌تر است و در میدان گرانش زمین به سمت بالا حرکت می‌کند.

سبک بودن هلیوم با «قابل‌اشتعال بودن» تفاوت دارد. هلیوم نمی‌سوزد و از سوختن نیز پشتیبانی نمی‌کند، زیرا واکنش‌پذیری شیمیایی آن بسیار کم است. به همین دلیل، در گذشته و امروز برای پر کردن بالن‌ها ترجیح داده می‌شود. هیدروژن اندکی سبک‌تر است و نیروی بالابر بیشتری ایجاد می‌کند، اما هیدروژن قابل اشتعال است و مخلوط آن با هوا می‌تواند خطر انفجار داشته باشد.

نقطه جوش هلیوم در فشار نزدیک به یک اتمسفر حدود ۴٫۲۲۲ کلوین یا حدود ۲۶۸٫۹۲۸- درجه سلسیوس است. این مقدار پایین‌ترین نقطه جوش در میان عناصر و یکی از پایین‌ترین دماهای جوش شناخته‌شده برای مواد معمول است. دمای بحرانی هلیوم حدود ۵٫۲ کلوین و فشار بحرانی آن حدود ۲٫۲۷۴ بار است. بالاتر از دمای بحرانی، با افزایش فشار نمی‌توان گاز را به مایع معمولی تبدیل کرد.

هلیوم-۴ در دمایی نزدیک به ۲٫۱۷ کلوین وارد حالت ابرسیال می‌شود. در این حالت، برخی ویژگی‌های جریان آن با مایعات معمول تفاوت بنیادی دارد؛ برای مثال، گران‌روی مؤثر بسیار پایین و رسانندگی گرمایی بسیار بالا مشاهده می‌شود. این رفتار نتیجه اثرهای کوانتومی در دمای بسیار پایین است، نه یک واکنش شیمیایی.

هلیوم در فشار یک اتمسفر با سرد کردن تا صفر کلوین نیز به طور معمول جامد نمی‌شود و برای جامد شدن به فشار اضافی نیاز دارد. بنابراین در مورد نقطه ذوب هلیوم، بیان یک عدد ساده در فشار استاندارد گمراه‌کننده است و اطلاعات قطعی در دسترس نیست. در جدول‌های علمی، دمای ذوب آن به فشار وابسته است. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

چند ویژگی فیزیکی مهم

• جرم مولی تقریبی: ۴٫۰۰۲۶ گرم بر مول.
• چگالی کم‌تر از هوا و هیدروژن‌پذیری بسیار بالا در مواد جامد و مایعات.
• رسانندگی گرمایی زیاد نسبت به بسیاری از گازها.
• حلالیت کم در آب و بسیاری از مایعات.
• نقطه جوش بسیار پایین و کاربرد گسترده در سرمایش دماپایین.

خواص شیمیایی هلیوم

چرا هلیوم تقریباً واکنش‌ناپذیر است؟

هلیوم در گروه ۱۸ جدول تناوبی قرار دارد و نخستین عنصر این گروه است. لایه ظرفیت آن فقط زیرلایه 1s را دارد و این زیرلایه با دو الکترون کاملاً پر شده است. آرایش بسته و اندازه بسیار کوچک اتم، انرژی یونش زیاد و قطبش‌پذیری کم، همگی باعث می‌شوند هلیوم تمایل بسیار اندکی برای گرفتن، از دست دادن یا به اشتراک گذاشتن الکترون داشته باشد.

انرژی یونش نخست هلیوم حدود ۲۴٫۵۸۷۴ الکترون‌ولت است. این مقدار نشان می‌دهد جدا کردن نخستین الکترون از اتم خنثی هلیوم دشوار است. انرژی یونش دوم نیز بسیار زیاد است، زیرا پس از جدا شدن یک الکترون، یون He⁺ آرایش 1s¹ خواهد داشت و جدا کردن الکترون باقی‌مانده آن به انرژی زیادی نیاز دارد.

عدد اکسایش هلیوم در حالت عنصری صفر است و در شیمی معمول، یون پایدار یا ترکیب متداولی با عدد اکسایش مثبت یا منفی برای آن در نظر گرفته نمی‌شود. هلیوم الکترونگاتیویته پالینگ استانداردی ندارد و میل الکترونی آن به تشکیل آنیون پایدار منجر نمی‌شود. به همین دلیل، استفاده از عبارت‌هایی مانند «ظرفیت دو» برای هلیوم نادرست است؛ دو الکترون موجود در لایه اول، ظرفیت واکنش‌پذیر نیستند، بلکه لایه کامل را تشکیل می‌دهند.

واکنش‌ناپذیری هلیوم مطلق و بدون استثنا نیست. در میدان‌های الکتریکی قوی، پلاسما، تخلیه‌های الکتریکی، یون‌های مولکولی مانند He₂⁺ یا گونه‌های برانگیخته می‌توانند مشاهده شوند. همچنین در فشارهای بسیار زیاد، پژوهش‌های جدید تشکیل فازهای جامد حاوی هلیوم را در ساختار برخی مواد نشان داده‌اند. این پدیده‌ها با شیمی معمول در فشار و دمای محیط تفاوت دارند و نباید به عنوان ترکیب‌های عادی هلیوم در آزمایشگاه مدرسه معرفی شوند. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

آرایش الکترونی هلیوم

آرایش الکترونی و جایگاه هلیوم

عدد اتمی هلیوم ۲ است؛ بنابراین هر اتم خنثی هلیوم دو پروتون در هسته و دو الکترون در اطراف هسته دارد. هر دو الکترون در زیرلایه 1s قرار می‌گیرند و آرایش الکترونی هلیوم به صورت زیر نوشته می‌شود:

He: 1s2

زیرلایه s حداکثر دو الکترون می‌پذیرد، پس 1s² یک زیرلایه کاملاً پر است. در نمایش لایه‌ای نیز می‌توان گفت هلیوم در لایه اول دارای دو الکترون است. از آنجا که لایه اول فقط یک زیرلایه s دارد، ظرفیت آن دو الکترون است و هلیوم با داشتن دو الکترون به آرایش پایدار دست یافته است.

در جدول تناوبی، هلیوم در دوره اول قرار دارد، زیرا الکترون‌های آن فقط در تراز اصلی n=1 هستند. از نظر آرایش الکترونی و بلوک، به عناصر s-block نزدیک است؛ اما از نظر رفتار شیمیایی در گروه ۱۸ و همراه با گازهای نجیب قرار می‌گیرد. این نکته برای آزمون‌ها مهم است: جایگاه هلیوم در بالای گروه ۱۸ است، نه در بالای گروه ۲، هرچند آرایش ظرفیت آن با ns² عناصر گروه ۲ شباهت صوری دارد.

نمایش اوربیتالی هلیوم به صورت یک خانه برای اوربیتال 1s با دو پیکان مخالف است: 1s: ↑↓. مخالف بودن جهت اسپین دو الکترون با اصل طرد پاولی سازگار است. از دیدگاه اصل آفبا، هر دو الکترون ابتدا پایین‌ترین تراز انرژی، یعنی 1s، را پر می‌کنند. ([physics.nist.gov](https://www.physics.nist.gov/cgi-bin/Ionization/atom.php?element=He))

ایزوتوپ‌های هلیوم

هلیوم-۳ و هلیوم-۴؛ دو ایزوتوپ پایدار

ایزوتوپ‌های یک عنصر تعداد پروتون یکسان، اما تعداد نوترون متفاوت دارند. هلیوم دو ایزوتوپ پایدار طبیعی دارد: هلیوم-۳ با نماد ³He و هلیوم-۴ با نماد ⁴He. هر دو ایزوتوپ دو پروتون دارند؛ هلیوم-۳ یک نوترون و هلیوم-۴ دو نوترون دارد.

فراوانی ایزوتوپی هلیوم به منشأ نمونه وابسته است. در ترکیب ایزوتوپی استاندارد زمینی، سهم هلیوم-۴ تقریباً ۹۹٫۹۹۹۸ درصد و سهم هلیوم-۳ حدود ۰٫۰۰۰۲ درصد گزارش می‌شود. در نمونه‌های طبیعی مختلف، به‌ویژه نمونه‌های منشأگرفته از باد خورشیدی، سنگ‌های پرتوزا یا منابع کیهانی، نسبت این دو ایزوتوپ می‌تواند تفاوت محسوسی داشته باشد؛ بنابراین عدد فراوانی طبیعی را باید همراه با نوع نمونه و استاندارد مورد استفاده بیان کرد.

هلیوم-۴ از واپاشی زنجیره‌ای اورانیوم و توریوم به وجود می‌آید. هلیوم-۳ در طبیعت بسیار کمیاب‌تر است و بخشی از آن از واپاشی تریتیوم، یعنی هیدروژن-۳، تولید می‌شود. هلیوم-۳ به دلیل سطح مقطع جذب نوترون، در آشکارسازهای نوترونی اهمیت دارد. نسبت هلیوم-۳ حاصل از تریتیوم به تریتیوم باقی‌مانده نیز در برخی مطالعات آب‌های زیرزمینی و زمان‌سنجی محیطی به کار می‌رود.

هسته‌های ناپایدار هلیوم نیز در آزمایش‌های هسته‌ای تولید شده‌اند. از میان آن‌ها، هلیوم-۶ و هلیوم-۸ نیمه‌عمرهایی در محدوده میلی‌ثانیه دارند و با گسیل بتا واپاشی می‌کنند. این هسته‌ها برای مطالعه ساختار هسته‌ای، هاله‌های هسته‌ای و مرزهای پایداری هسته‌ها مهم‌اند، اما در طبیعت معمولی و کاربردهای روزمره حضور قابل توجهی ندارند. ([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

ترکیبات مهم هلیوم

هلیوم و مسئله ترکیب شیمیایی

در شرایط معمول آزمایشگاهی، ترکیب شیمیایی پایدار و متداولی از هلیوم مانند H₂O برای اکسیژن یا NaCl برای کلر شناخته نشده است. دلیل اصلی، پایداری بسیار زیاد آرایش 1s² و قطبش‌پذیری اندک اتم هلیوم است. بنابراین هلیوم را باید نمونه‌ای شاخص از یک گاز نجیب با واکنش‌پذیری بسیار پایین دانست.

گاهی در منابع آموزشی به گونه‌هایی مانند HeF₂ یا HeNe اشاره می‌شود. این موارد نباید با ترکیب پایدار و قابل تهیه در شرایط عادی یکسان دانسته شوند. برخی از این گونه‌ها در محاسبات نظری، محیط‌های تخلیه الکتریکی، پلاسما یا شرایط بسیار ویژه بررسی شده‌اند. یون‌های هلیوم مانند He⁺ و He²⁺ نیز گونه‌های یونی هستند، نه ترکیب‌های خنثی معمولی.

در سال‌های اخیر، پژوهش‌های فشار بالا نشان داده‌اند که هلیوم می‌تواند در فشارهای بسیار زیاد در شبکه برخی مواد، از جمله ساختارهای آهن یا سامانه‌های یونی، وارد شود. در این حالت، نقش فشار در کاهش حجم و تغییر انرژی شبکه اساسی است. چنین فازهایی برای مطالعه درون سیاره‌های غول‌پیکر، کوتوله‌های سفید و فیزیک ماده چگال جالب‌اند؛ اما کاربرد صنعتی یا آزمایشگاهی روزمره ندارند.

پس پاسخ دقیق به پرسش «مهم‌ترین ترکیب هلیوم چیست؟» این است: در شیمی معمول، ترکیب مولکولی متداولی برای هلیوم وجود ندارد و اطلاعات قطعی در دسترس نیست. آنچه در بسیاری از کاربردها دیده می‌شود، مانند مخلوط هلیوم و اکسیژن یا هلیوم و نئون، مخلوط یا محیط کاری است، نه الزاماً ترکیب شیمیایی جدید. ([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

کاربرد صنعتی هلیوم

از سرمایش ابررساناها تا تشخیص نشتی

مهم‌ترین کاربرد صنعتی هلیوم به نقطه جوش بسیار پایین آن مربوط است. هلیوم مایع برای سرد کردن آهنگرباهای ابررسانا در دستگاه‌های MRI، طیف‌سنج‌های NMR، شتاب‌دهنده‌های ذرات و برخی تجهیزات پژوهشی استفاده می‌شود. هنگامی که سیم‌پیچ ابررسانا به دمای مناسب برسد، مقاومت الکتریکی آن بسیار کم می‌شود و می‌توان میدان مغناطیسی قوی و پایدار ایجاد کرد.

هلیوم به علت بی‌اثر بودن، در جوشکاری قوسی به عنوان گاز محافظ به کار می‌رود. این گاز با دور کردن اکسیژن و نیتروژن از ناحیه جوش، احتمال اکسید شدن یا آلوده شدن فلز داغ را کم می‌کند. در تولید فیبر نوری و ساخت بلورهای نیمه‌رسانا نیز هلیوم می‌تواند به عنوان محیطی کنترل‌شده و کم‌واکنش استفاده شود.

یکی دیگر از کاربردهای مهم، تشخیص نشتی است. اتم‌های هلیوم کوچک‌اند و از روزنه‌های بسیار ریز عبور می‌کنند. در آزمون‌های خلأ، تجهیزات برودتی، سامانه‌های تهویه، مخازن و خطوط انتقال، هلیوم به عنوان گاز ردیاب وارد سامانه می‌شود و آشکارساز مخصوص، خروج آن را شناسایی می‌کند.

در صنایع هوافضا، هلیوم برای پر کردن یا تحت فشار قرار دادن مخازن سوخت مایع و برخی سامانه‌های پرتاب استفاده شده است. هلیوم در بالن‌های هواشناسی، بالن‌های پژوهشی و کشتی‌های هوایی نیز کاربرد دارد. در کیسه‌های هوای خودرو، هلیوم به دلیل سرعت پخش زیاد و بی‌اثر بودن در بعضی طراحی‌ها مطرح شده است، هرچند نوع گاز مورد استفاده به طراحی سامانه و الزامات فنی وابسته است.

لیزر هلیوم–نئون، میکروسکوپ یون هلیوم و کاربردهای مربوط به سرمایش ماهواره‌ها نیز از نمونه‌های پیشرفته‌تر هستند. هلیوم منبعی محدود و غیرقابل تولید سریع در مقیاس زمین‌شناختی است؛ به همین دلیل، بازیابی و بازچرخانی آن در مراکز صنعتی اهمیت دارد. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

کاربرد پزشکی هلیوم

هلیوم در تجهیزات پزشکی و مخلوط‌های تنفسی

هلیوم خود داروی غذایی یا ماده مغذی برای بدن نیست، اما خواص فیزیکی آن در پزشکی و مهندسی پزشکی سودمند است. شناخته‌شده‌ترین کاربرد، استفاده از هلیوم مایع در سرمایش آهنگرباهای ابررسانای دستگاه MRI است. آهنگرباهای این دستگاه برای ایجاد میدان مغناطیسی پایدار به دماهای بسیار پایین نیاز دارند. در سامانه‌های جدید، راهکارهای کاهش مصرف و بازچرخانی هلیوم اهمیت بیشتری پیدا کرده‌اند.

مخلوط هلیوم و اکسیژن با نام هلیوکس در برخی شرایط تنفسی و پزشکی بررسی یا استفاده شده است. چگالی کم‌تر هلیوکس می‌تواند در مسیرهای هوایی تنگ، آشفتگی جریان را کاهش دهد و کار تنفس را موقتاً آسان‌تر کند. این اثر فیزیکی است و هلیوم خاصیت گشادکنندگی مستقیم برونش یا ضدالتهابی ندارد. نسبت هلیوم به اکسیژن باید بر اساس وضعیت بیمار، نیاز به اکسیژن و تجهیزات تخصصی انتخاب شود.

شواهد پزشکی درباره هلیوکس برای همه بیماری‌های تنفسی یکسان نیست. در برخی انسدادهای راه هوایی، ممکن است به عنوان اقدام کمکی یا موقتی مفید باشد، اما جایگزین درمان علت بیماری، اکسیژن‌درمانی مناسب یا داروهای تجویزشده نیست. استفاده از آن باید در محیط درمانی و زیر نظر تیم پزشکی انجام شود.

هلیوم-۳ قطبیده در پژوهش‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی ریه نیز استفاده شده است. بیمار مقدار کنترل‌شده‌ای از گاز ویژه را استنشاق می‌کند و توزیع آن در فضاهای هوایی ریه بررسی می‌شود. این روش بیشتر یک فناوری تخصصی و پژوهشی است و نباید آن را با MRI معمولی یا یک درمان عمومی برای بیماری‌های ریه اشتباه گرفت.

در نتیجه، هلیوم نقش پزشکی دارد، اما این نقش از جنس سرمایش تجهیزات، کمک فیزیکی به جریان گاز و تصویربرداری پژوهشی است؛ نه نقش زیستی یا درمانی ذاتی در متابولیسم انسان. ([pmc.ncbi.nlm.nih.gov](https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12124710/?utm_source=openai))

کاربرد هلیوم در زندگی روزمره

هلیوم در خانه، جشن‌ها و خدمات عمومی

بیشتر مردم هلیوم را از بادکنک‌های شناور می‌شناسند. چگالی کم هلیوم باعث می‌شود نیروی شناوری وارد بر بادکنک از وزن گاز و پوشش بادکنک بیشتر شود؛ در نتیجه بادکنک به سمت بالا حرکت می‌کند. البته ارتفاع یا مدت ماندگاری آن به جنس بادکنک، دما، فشار، اندازه و سرعت نشت گاز بستگی دارد.

هلیوم در بالن‌های هواشناسی نیز برای حمل حسگرها، دوربین‌ها و تجهیزات اندازه‌گیری به ارتفاع زیاد به کار می‌رود. این کاربرد علمی با بادکنک‌های تفریحی تفاوت دارد، زیرا خلوص گاز، فشار، حجم، جنس پوسته و کنترل ایمنی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

تغییر صدای موقت پس از تنفس هلیوم از بادکنک، نتیجه تغییر سرعت انتشار صوت در محیط گاز داخل دهان و مجاری صوتی است، نه تغییر دائمی در تارهای صوتی. هلیوم به دلیل چگالی کم، سرعت صوت بیشتری از هوا دارد و فرکانس‌های تشدید حفره‌های صوتی را تغییر می‌دهد. این کار بی‌خطر نیست؛ زیرا استنشاق هلیوم می‌تواند اکسیژن‌رسانی را مختل کند.

هلیوم در دستگاه‌های تشخیص نشتی، برخی تجهیزات سردکننده و سامانه‌های پژوهشی نیز ممکن است در زندگی روزمره به شکل غیرمستقیم حضور داشته باشد. با این حال، منبع هلیوم محدود است و رها کردن آن از بادکنک به معنای از دست دادن گازی است که بازیابی آن از جو زمین بسیار دشوار و غیراقتصادی است.

نقش هلیوم در بدن انسان

هلیوم ماده ضروری بدن نیست

هلیوم در بدن انسان نقش زیستی شناخته‌شده‌ای ندارد. این عنصر در ساخت پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک، آنزیم‌ها، هورمون‌ها یا بافت‌های بدن شرکت نمی‌کند و بدن انسان برای رشد و زنده ماندن به دریافت هلیوم نیاز ندارد. بنابراین هلیوم را نباید در کنار عناصر زیستی مانند اکسیژن، کربن، هیدروژن، نیتروژن، کلسیم یا آهن قرار داد.

هلیوم از نظر شیمیایی تقریباً بی‌اثر و در شرایط معمول غیرسمی است، اما این موضوع به معنی بی‌خطر بودن استنشاق آن نیست. اگر هلیوم جای اکسیژن هوای تنفسی را بگیرد، غلظت اکسیژن خون و بافت‌ها کاهش می‌یابد و فرد ممکن است بدون هشدار کافی دچار سرگیجه، بیهوشی، آسیب مغزی یا مرگ شود. این خطر، خطر خفگی ساده به علت کمبود اکسیژن است، نه مسمومیت شیمیایی با هلیوم.

استنشاق هلیوم از سیلندر پرفشار خطر بیشتری دارد. گاز پرفشار می‌تواند به ریه آسیب مکانیکی وارد کند و ورود ناگهانی گاز به جریان خون نیز پیامدهای خطرناک داشته باشد. هلیوم مایع و بخار بسیار سرد آن نیز می‌توانند باعث سوختگی سرمایی و آسیب بافتی شوند. به همین دلیل، هیچ‌گاه نباید برای تغییر صدا، آزمایش خانگی یا سرگرمی از سیلندر یا مخزن هلیوم استفاده کرد.

پس جمع‌بندی زیستی روشن است: هلیوم نقش اثبات‌شده‌ای در بدن ندارد؛ اطلاعات قطعی در دسترس نیست که نشان دهد این عنصر برای متابولیسم انسان ضروری است. خطر اصلی آن در تماس انسانی، جابه‌جایی اکسیژن، فشار بالا و سرمای شدید است. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

نقش هلیوم در طبیعت

هلیوم در کیهان و زمین

هلیوم پس از هیدروژن، دومین عنصر فراوان در جهان است و در ستاره‌ها حضور گسترده دارد. در ستاره‌های معمولی، همجوشی هسته‌ای هیدروژن به هلیوم یکی از منابع اصلی آزاد شدن انرژی است. در این فرایند، هسته‌های سبک هیدروژن طی چند مرحله به هسته هلیوم-۴ تبدیل می‌شوند و بخشی از جرم به انرژی تبدیل می‌شود. نور و گرمای خورشید در نهایت با همین فرایندهای هسته‌ای ارتباط دارند.

هیدروژن و هلیوم از عناصر اصلی تشکیل‌شده در مراحل آغازین جهان به شمار می‌روند. عناصر سنگین‌تر در مقدارهای قابل توجه، بعدها درون ستاره‌ها و رویدادهای کیهانی شکل گرفتند. بنابراین هلیوم برای مطالعه تکامل ستاره‌ها، ترکیب کهکشان‌ها و تاریخ اولیه کیهان اهمیت دارد.

در زمین، بخش مهمی از هلیوم از واپاشی آلفای عناصر پرتوزا مانند اورانیوم و توریوم تولید می‌شود. ذرات آلفا ابتدا هسته هلیوم-۴ هستند و پس از جذب الکترون، اتم خنثی هلیوم ایجاد می‌کنند. اگر این گاز در سنگ‌های متخلخل و مخازن زیرزمینی به دام بیفتد، می‌تواند همراه گاز طبیعی تجمع پیدا کند و بعدها استخراج شود.

غلظت هلیوم در جو زمین بسیار کم و حدود چند قسمت در میلیون حجمی است. هلیوم به دلیل جرم کم، در لایه‌های بالایی جو می‌تواند از میدان گرانشی زمین فرار کند. از سوی دیگر، هلیوم تازه از واپاشی پرتوزا وارد جو می‌شود؛ بنابراین مقدار آن نتیجه تعادل پویای تولید، انتقال و فرار به فضا است.

در سطح زمین، هلیوم را معمولاً از هوا استخراج نمی‌کنند؛ زیرا مقدار آن بسیار کم و جداسازی آن غیراقتصادی است. منبع اصلی تجاری، برخی ذخایر گاز طبیعی است که هلیوم در آن‌ها طی زمان‌های زمین‌شناختی به دام افتاده است. ([periodic-table.rsc.org](https://periodic-table.rsc.org/element/2/))

واکنش‌های مهم هلیوم

واکنش‌ناپذیری شیمیایی و فرایندهای هسته‌ای

هلیوم در شرایط معمول با اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، آب، اسیدها و بازها واکنش شیمیایی متداولی انجام نمی‌دهد. قرار دادن هلیوم در کنار یک ماده، حتی اگر مخلوطی مانند هلیوکس تشکیل دهد، به خودی خود واکنش شیمیایی نیست. در مخلوط هلیوم و اکسیژن، هر گاز هویت شیمیایی خود را حفظ می‌کند.

مهم‌ترین فرایندی که به تولید هلیوم در زمین مربوط است، واپاشی آلفا است. در این فرایند، هسته‌ای سنگین ذره آلفا گسیل می‌کند. ذره آلفا همان هسته هلیوم-۴ است و پس از جذب دو الکترون به اتم هلیوم تبدیل می‌شود. این فرایند هسته‌ای است، نه واکنش شیمیایی؛ زیرا در آن ساختار هسته تغییر می‌کند.

در ستاره‌ها، زنجیره پروتون–پروتون و چرخه کربن–نیتروژن–اکسیژن، هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کنند. این فرایندها نیز واکنش هسته‌ای‌اند و شرایط دمایی و فشاری بسیار شدید دارند. نمی‌توان آن‌ها را با سوختن هیدروژن در آزمایشگاه یا با یک واکنش شیمیایی ساده مقایسه کرد.

هلیوم-۳ در آشکارسازهای نوترونی با نوترون واکنش هسته‌ای می‌دهد و تریتیوم و پروتون تولید می‌کند. این واکنش به آزاد شدن انرژی و تولید ذرات باردار منجر می‌شود و پایه عملکرد برخی آشکارسازهاست. ([pubchem.ncbi.nlm.nih.gov](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/element/2?utm_source=openai))

معادلات شیمیایی و هسته‌ای مرتبط با هلیوم

معادله‌هایی که باید نوع آن‌ها را درست تشخیص دهیم

از آنجا که هلیوم در شیمی معمول واکنش‌پذیری بسیار کمی دارد، مهم‌ترین معادله‌های مرتبط با آن بیشتر هسته‌ای یا یونش هستند. در نوشتن این معادله‌ها باید عدد جرمی و عدد اتمی هر هسته موازنه شود.

۱. واپاشی آلفای اورانیوم-۲۳۸

23892U → 23490Th + 42He

در این معادله، عدد جرمی در دو طرف ۲۳۸ و عدد اتمی در دو طرف ۹۲ است. هسته هلیوم-۴ همان ذره آلفاست.

۲. همجوشی خالص هیدروژن به هلیوم در ستاره‌ها

4 11H → 42He + 2 0+1e + 2νe + انرژی

در نمایش دقیق‌تر، نوترینوها و پوزیترون‌ها نیز در مراحل زنجیره پروتون–پروتون ظاهر می‌شوند. این فرایند در دمای بسیار بالا و درون ستاره‌ها رخ می‌دهد و واکنش شیمیایی معمولی نیست.

۳. یونش هلیوم

He(g) → He+(g) + e−

He+(g) → He2+(g) + e−

یونش با واکنش شیمیایی فرق دارد؛ در یونش، الکترون از اتم جدا می‌شود اما هسته تغییر نمی‌کند.

۴. آشکارسازی نوترون با هلیوم-۳

32He + 10n → 31H + 11H + انرژی

این واکنش هسته‌ای، مبنای برخی آشکارسازهای نوترونی است. عبارت He + O2 → در شرایط عادی معادله معتبر و متداولی نیست؛ زیرا هلیوم و اکسیژن فقط می‌توانند بدون واکنش شیمیایی با یکدیگر مخلوط شوند.

نکات کنکوری هلیوم

نکته‌های منطبق با شیمی دبیرستان

1. عدد اتمی هلیوم ۲ است. پس اتم خنثی هلیوم دو پروتون و دو الکترون دارد. اگر درباره نوترون پرسیده شد، باید عدد جرمی داده شود؛ برای هلیوم-۴ دو نوترون و برای هلیوم-۳ یک نوترون داریم.
2. آرایش الکترونی: آرایش هلیوم 1s² است. لایه اول کامل شده و به همین دلیل هلیوم پایدار و کم‌واکنش است.
3. جایگاه تناوبی: هلیوم در دوره اول و گروه ۱۸ قرار دارد. شباهت ظاهری 1s² با عناصر گروه ۲ نباید باعث شود هلیوم را در گروه ۲ قرار دهیم.
4. گاز نجیب: هلیوم در شرایط عادی تک‌اتمی است و فرمول آن He نوشته می‌شود، نه He₂. در مقابل، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، فلوئور، کلر و برم در حالت عنصری معمولاً دو اتمی‌اند.
5. عدد اکسایش: عدد اکسایش هلیوم در شکل عنصری صفر است و در شیمی دبیرستانی ترکیب معمولی برای آن در نظر گرفته نمی‌شود.
6. رابطه جرم مولی و چگالی: سبک بودن هلیوم نسبت به هوا به جرم مولی کم آن مربوط است، اما بالاروی بادکنک با مفهوم نیروی شناوری توضیح داده می‌شود.
7. دمای جوش: هلیوم به دلیل نیروهای بین‌ذره‌ای بسیار ضعیف، نقطه جوش بسیار پایینی دارد. دمای جوش با دمای ذوب یکی نیست و شرایط فشار باید در نظر گرفته شود.
8. تفاوت ترکیب و مخلوط: هلیوکس، مخلوط هلیوم و اکسیژن است، نه ترکیب شیمیایی دارای فرمول ثابت. نسبت گازها در هلیوکس می‌تواند با کاربرد تغییر کند.
9. تفاوت واکنش شیمیایی و هسته‌ای: تبدیل هیدروژن به هلیوم یا واپاشی آلفا مربوط به هسته اتم است. این موارد را نباید با واکنش‌های شیمیایی فصل واکنش‌ها یکی دانست.
10. طیف‌سنجی: کشف تاریخی هلیوم از خط طیفی خورشید نمونه‌ای از شناسایی عنصر با طیف نشری است.

در کنکور ممکن است هلیوم در پرسش‌های آرایش الکترونی، جدول تناوبی، گازهای نجیب، نیروهای بین‌ذره‌ای، چگالی گازها، ایزوتوپ‌ها و موازنه معادلات هسته‌ای مطرح شود. مطالبی مانند ابرسیالی هلیوم، MRI با هلیوم-۳ یا ترکیب‌های فشار بالا دانش تکمیلی‌اند و نباید به جای متن کتاب درسی حفظ شوند.

اشتباهات رایج دانش‌آموزان درباره هلیوم

خطاهایی که در تست و مطالعه باید اصلاح شوند

• اشتباه اول: هلیوم را He₂ نوشتن. هلیوم در حالت معمول گازی تک‌اتمی است و فرمول ماده عنصری آن He است. تشکیل گونه‌های یونی یا پلاسما موضوعی تخصصی است و فرمول معمول گاز را تغییر نمی‌دهد.
• اشتباه دوم: قرار دادن هلیوم در گروه ۲. آرایش 1s² ممکن است از نظر تعداد الکترون‌های لایه بیرونی با گروه ۲ مقایسه شود، اما جایگاه واقعی هلیوم گروه ۱۸ است.
• اشتباه سوم: برابر دانستن سبک بودن با واکنش‌پذیری. هلیوم سبک است، اما سبک بودن دلیل بی‌اثر بودن آن نیست. بی‌اثری به آرایش الکترونی و انرژی‌های مربوط به آن ارتباط دارد.
• اشتباه چهارم: تصور سمی بودن هلیوم مانند یک سم شیمیایی. هلیوم معمولاً از نظر شیمیایی سمی نیست، اما می‌تواند اکسیژن محیط تنفس را کنار بزند و باعث خفگی شود. بنابراین «غیرسمی» به معنی «قابل استنشاق» نیست.
• اشتباه پنجم: واکنش دانستن مخلوط هلیوم و اکسیژن. هلیوکس مخلوط است. هیچ ماده جدیدی با نسبت ثابت و پیوند شیمیایی معمولی از آن نتیجه نمی‌شود.
• اشتباه ششم: یکی دانستن هلیوم-۳ و هلیوم-۴ از نظر فراوانی. هر دو پایدارند، اما هلیوم-۴ تقریباً تمام هلیوم طبیعی استاندارد را تشکیل می‌دهد و هلیوم-۳ بسیار کمیاب‌تر است.
• اشتباه هفتم: نوشتن واکنش شیمیایی برای واپاشی آلفا. در واپاشی آلفا عدد اتمی و عدد جرمی تغییر می‌کنند؛ این نشانه فرایند هسته‌ای است.

ارتباط هلیوم با فصل‌های کتاب شیمی ایران

پیوند با مطالب شیمی دهم، یازدهم و دوازدهم

در ساختار رایج کتاب‌های شیمی دوره دوم متوسطه ایران، هلیوم را می‌توان به چند مبحث اصلی پیوند داد. این ارتباط‌ها برای مرور مفهومی مفیدند، اما باید میان متن کتاب و دانش تکمیلی مرز گذاشت.

شیمی دهم، فصل اول: کیهان، زادگاه الفبای هستی

هلیوم نمونه‌ای مناسب برای پیوند میان ساختار اتم، ایزوتوپ، عدد اتمی و عدد جرمی است. عدد اتمی ۲ تعداد پروتون‌ها را مشخص می‌کند و اختلاف هلیوم-۳ و هلیوم-۴ از تفاوت تعداد نوترون‌ها ناشی می‌شود. همچنین حضور هلیوم در ستاره‌ها و ارتباط آن با پیدایش عناصر، با فضای کیهانی این فصل سازگار است.

شیمی دهم، فصل دوم: ردپای گازها در زندگی

خواص گازها، جرم مولی کم، چگالی، فشار و کاربرد گازها را می‌توان با هلیوم توضیح داد. شناوری بادکنک، انتشار سریع گاز و تفاوت میان گاز نجیب و گازهای واکنش‌پذیر نمونه‌هایی برای کاربرد مفاهیم این فصل هستند.

شیمی دهم، فصل سوم: آب، آهنگ زندگی

در این بخش می‌توان از هلیوم برای مقایسه مواد محلول و گازهای کم‌حل‌شونده در آب استفاده کرد. با این حال، هلیوم نقش مستقیمی در چرخه آب ندارد و این ارتباط بیشتر آموزشی و مقایسه‌ای است.

شیمی دوازدهم، فصل چهارم: شیمی، راهی به سوی آینده‌ای روشن‌تر

کاربرد هلیوم در فناوری‌های نو، MRI، نیمه‌رساناها، فیبر نوری، ابررسانایی و مدیریت منابع، نمونه‌ای از پیوند شیمی با فناوری و آینده است. ابرسیالی و ترکیب‌های فشار بالا دانش دانشگاهی یا پژوهشی‌اند و جزو محتوای پایه کتاب درسی محسوب نمی‌شوند.

در کتاب‌های درسی، نام فصل‌ها یا ترتیب جزئی مطالب ممکن است با چاپ و ویرایش تغییر کند؛ بنابراین برای امتحان مدرسه و کنکور، متن چاپ رسمی سال تحصیلی خود را معیار نهایی قرار دهید.

ارتباط هلیوم با سایر عناصر

مقایسه هلیوم با هیدروژن و گازهای نجیب

هلیوم در دوره اول جدول تناوبی کنار هیدروژن قرار دارد، اما رفتار این دو عنصر بسیار متفاوت است. هیدروژن معمولاً به صورت مولکول دو اتمی H₂ دیده می‌شود، قابلیت اشتعال دارد و می‌تواند با عناصر زیادی ترکیب شود. هلیوم به صورت اتم‌های He حضور دارد، نمی‌سوزد و در شرایط معمول ترکیب شیمیایی متداولی تشکیل نمی‌دهد.

هلیوم با نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون در گروه ۱۸ قرار دارد. همه این عناصر لایه ظرفیت کامل دارند و از نظر واکنش‌پذیری کم، به یکدیگر شباهت نشان می‌دهند. با پایین رفتن در گروه، شعاع اتمی و قطبش‌پذیری افزایش می‌یابد و در برخی گازهای نجیب سنگین‌تر، تشکیل ترکیب با عناصر بسیار الکترونگاتیو مانند فلوئور و اکسیژن آسان‌تر می‌شود. هلیوم به دلیل اندازه کوچک و انرژی یونش زیاد، کم‌واکنش‌ترین عضو این خانواده به شمار می‌رود.

از نظر جرم مولی، هلیوم از نئون و آرگون بسیار سبک‌تر است و به همین دلیل برای بالن‌ها و برخی مخلوط‌های تنفسی مناسب‌تر است. از نظر نقطه جوش نیز هلیوم در دماهای بسیار پایین‌تری نسبت به نئون و آرگون مایع می‌شود. این تفاوت‌ها از روندهای تناوبی، نیروهای بین‌ذره‌ای و افزایش تعداد الکترون‌ها ناشی می‌شوند.

هلیوم همچنین با لیتیوم و بریلیم در دوره دوم ارتباط آموزشی دارد. هلیوم گاز نجیب و پایدار دوره اول است، در حالی که لیتیوم فلزی فعال و بریلیم فلزی با آرایش لایه دوم‌اند. مقایسه آرایش الکترونی این عناصر نشان می‌دهد افزایش عدد اتمی، هم جایگاه تناوبی و هم نوع رفتار شیمیایی را تغییر می‌دهد.

دانستنی‌های جالب درباره هلیوم

چند نکته علمی جذاب

• هلیوم نخستین عنصری بود که ابتدا در خارج از زمین، یعنی در طیف خورشید، شناسایی شد و سپس نمونه زمینی آن به دست آمد.
• نام هلیوم با پسوند «ـیوم» پایان می‌یابد، اما خود عنصر فلز نیست و یک گاز نجیب است.
• هلیوم-۴ در دمای بسیار پایین می‌تواند ابرسیال شود؛ یعنی رفتاری دارد که در مایعات معمولی دیده نمی‌شود.
• ذره آلفا از نظر هسته‌ای همان هسته هلیوم-۴ است. پس از جذب دو الکترون، به اتم خنثی هلیوم تبدیل می‌شود.
• هلیوم در جو زمین کم است، اما در خورشید و بسیاری از ستارگان فراوانی بسیار بیشتری دارد.
• هلیوم از هوا سبک‌تر است، ولی برای پر کردن بادکنک فقط سبک بودن کافی نیست؛ غیرقابل اشتعال بودن آن نیز یک مزیت ایمنی مهم در برابر هیدروژن است.
• هلیوم مایع در فشار معمول با سرد کردن ساده جامد نمی‌شود و برای جامد شدن به فشار نیاز دارد.
• در آزمایش‌های تشخیص نشتی، هلیوم به دلیل نفوذپذیری و امکان شناسایی با آشکارسازهای حساس، گاز ردیاب ارزشمندی است.
• هلیوم-۳ ایزوتوپی پایدار، اما کمیاب است و در آشکارسازهای نوترونی و پژوهش‌های دماپایین کاربرد دارد.
• صدای زیر و غیرعادی پس از استنشاق هلیوم از تغییر فرکانس‌های تشدید در مجرای صوتی ناشی می‌شود، نه از تغییر دائمی در تارهای صوتی.
• هلیوم را نمی‌توان با صرفاً سرد کردن در فشار یک اتمسفر به جامد معمول تبدیل کرد؛ فشار نیز در نمودار فازی آن نقش اساسی دارد.
• هلیوم از نظر شیمیایی بسیار بی‌اثر است، اما در فشارهای بسیار بالا رفتارهای غیرمعمولی مانند ورود به شبکه برخی جامدها ممکن است پدیدار شود.

جمع‌بندی هلیوم

هلیوم؛ عنصر سبک با اهمیت علمی بزرگ

هلیوم عنصر شماره ۲ جدول تناوبی، گازی نجیب، تک‌اتمی، بی‌رنگ و بسیار کم‌واکنش است. آرایش الکترونی 1s²، اندازه کوچک اتم و انرژی یونش زیاد، علت اصلی پایداری شیمیایی آن هستند. هلیوم در گروه ۱۸ و دوره اول قرار دارد و در دمای اتاق به صورت گاز دیده می‌شود.

نقطه جوش بسیار پایین، چگالی کم، رسانندگی گرمایی زیاد و امکان تشکیل هلیوم مایع و حالت ابرسیال، آن را برای فناوری‌های دماپایین، آهنگرباهای MRI، NMR، شتاب‌دهنده‌ها و پژوهش‌های بنیادی ارزشمند کرده است. بی‌اثر بودن و سبک بودن نیز کاربرد آن را در بالن‌ها، جوشکاری، نیمه‌رساناها، فیبر نوری و تشخیص نشتی توضیح می‌دهد.

هلیوم نقش زیستی اثبات‌شده‌ای در بدن انسان ندارد و استنشاق مستقیم آن می‌تواند به علت کمبود اکسیژن خطرناک باشد. هلیوکس و هلیوم-۳ در پزشکی کاربردهای تخصصی دارند، اما این کاربردها با نقش تغذیه‌ای یا متابولیکی تفاوت دارند.

برای مطالعه کنکوری، مهم‌ترین نکات هلیوم عبارت‌اند از عدد اتمی ۲، آرایش 1s²، قرار گرفتن در گروه ۱۸، تک‌اتمی بودن، عدد اکسایش صفر، نقطه جوش بسیار پایین و تفاوت میان مخلوط هلیوم–اکسیژن و ترکیب شیمیایی. در کنار این نکات، شناخت منشأ کیهانی و پرتوزایی هلیوم تصویر کامل‌تری از این عنصر فراهم می‌کند.

سوالات متداول درباره هلیوم

منابع علمی

1. Helium – Element information, properties and uses — Royal Society of Chemistry
2. Helium Element Page — PubChem and IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights
3. Cross Section Atom Information: Helium — National Institute of Standards and Technology
4. Helium Thermodynamic Properties and Critical Constants — NIST Chemistry WebBook
5. Nobel Lecture: The Discovery of Terrestrial Helium — Nobel Prize Outreach
6. IUPAC Periodic Table of the Elements and Isotopes — International Union of Pure and Applied Chemistry
7. Clinical review: Use of helium-oxygen in critically ill patients — National Library of Medicine and BioMed Central
8. Human lung air spaces: potential for MR imaging with hyperpolarized helium-3 — PubMed
9. Helium Inhalation Memorandum — Centers for Disease Control and Prevention
10. Iron-Helium Compounds at Terapascal Pressures — American Physical Society