گاز هلیوم
گاز هلیوم یکی از عناصر کلیدی و پرکاربرد در جهان است که ویژگی‌های منحصر به فرد آن، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف به آن بخشیده است. این گاز نجیب، دومین عنصر سبک و از اولین عناصری است که پس از مه‌بانگ یا بیگ بنگ در کیهان شکل گرفت و به‌عنوان بخشی اساسی از ترکیب جهان هستی شناخته می‌شود. درخشش و انرژی بی‌پایان خورشید نیز به دلیل واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای است که در آن هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شود. از سوی دیگر، هلیوم به دلیل کمک در شناسایی نشتی گازها و واکنش‌ناپذیری، نقشی حیاتی در افزایش ایمنی صنعت گاز ایفا می‌کند.گاز هلیوم تقریبا گازی بی خطر برای سلامتی انسان محسوب می‌شود، با این وجود لازم است در این زمینه نکات احتیاطی رعایت شود.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی
گاز هلیوم یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو، و سبک است که پس از هیدروژن، سبک‌ترین عنصر شناخته می‌شود. این گاز برخلاف گاز های هیدروکربنی مانند ایزوبوتان و پروپان غیرقابل اشتعال است و در دماهای بسیار پایین، حدود -۲۶۹ درجه سلسیوس، به حالت مایع تبدیل می‌شود. هلیوم نامحلول در آب و دارای ویسکوزیته کم است، که باعث می‌شود به راحتی جریان پیدا کند. همچنین، به دلیل چگالی کم، قابلیت بلند کردن اجسام در هوا را دارد و برای پر کردن بالن‌ها و کشتی‌های هوایی استفاده می‌شود.
گاز هلیوم یک عنصر بی‌اثر و بسیار پایدار است که به دلیل داشتن لایه الکترونی پر، تمایلی به واکنش شیمیایی با عناصر دیگر ندارد. این گاز غیرسمی، غیرقابل اشتعال و بی‌خطر است. مقاومت بالای آن در برابر واکنش حتی در شرایط دما و فشار بالا، هلیوم را برای کاربردهای حساس مانند صنایع پزشکی و هوافضا ایده‌آل می‌کند. همچنین، هلیوم به دلیل عدم واکنش‌پذیری، یکی از گازهای نجیب با کاربردهای وسیع در محیط‌های ایزوله و ایمن است.
کاربرد گاز هلیوم
صنعت گاز
گاز هلیوم در تشخیص نشتی در مخازن و خطوط لوله گاز استفاده می‌شودهلیوم به دلیل کوچک بودن اندازه مولکول‌های آن، می‌تواند از طریق ترک‌ها یا نشتی‌ها عبور کند و در آزمون‌های نشتی‌سنجی بسیار کارآمد باشد.علاوه بر آن هلیوم در مایع سازی گاز طبیعی(LNG) و نگهداری و انتقال آن نیز به کار می‌رود، بی‌اثر بودن شیمیایی هلیوم از هرگونه واکنش ناخواسته بین LNG و گازهای محیطی مانند اکسیژن جلوگیری می‌کند، که خطر انفجار یا اشتعال را به حداقل می‌رساند.
پزشکی
هلیوم مایع در دستگاه‌های MRI و استفاده می‌شود. در این دستگاه‌ها از قطعات ابررسانا بهره گرفته شده است که برای عملکرد بهینه نیاز به دمای بسیار پایین دارند. در دمای پایین، مقاومت الکتریکی ابررساناها به صفر می‌رسد و این امر برای تولید یک میدان مغناطیسی قوی و پایدار ضروری است. به همین دلیل، هلیوم مایع با دمای بسیار پایین (حدود -۲۶۹ درجه سلسیوس) برای خنک کردن این قطعات و تضمین عملکرد صحیح و پایدار دستگاه استفاده می‌شود.
هلیوم به دلیل دمای بسیار پایین در حالت مایع، نقش مهمی در نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی ایفا می‌کند. در بانک‌های زیستی و مراکز تحقیقاتی، از هلیوم مایع برای خنک کردن نیتروژن مایع استفاده می‌شود که به نگهداری طولانی‌مدت نمونه‌های حساس مانند سلول‌های بنیادی، تخمک، اسپرم، و بافت‌های بیولوژیکی کمک می‌کند. دمای فوق‌العاده پایین هلیوم مایع فرآیند تخریب بیولوژیکی را متوقف کرده و کیفیت نمونه‌ها را برای سال‌ها حفظ می‌کند.
غواصی
هلیوم در غواصی به‌عنوان بخشی از مخلوط‌های گازی مانند تریمیکس (هلیوم، اکسیژن و نیتروژن) استفاده می‌شود. این مخلوط در غواصی اعماق زیاد به‌کار می‌رود تا خطرات ناشی از مسمومیت با نیتروژن (نارکوز نیتروژن) و فشار اکسیژن بالا را کاهش دهد. هلیوم به دلیل سبک بودن و چگالی پایین، تنفس را در فشارهای بالا آسان‌تر می‌کند. همچنین، هلیوم به کاهش اثرات بی‌حسی نیتروژن کمک کرده و ایمنی غواصان در اعماق زیاد را افزایش می‌دهد.
هوافضا
گاز هلیوم در صنایع هوا و فضا کاربردهای حیاتی دارد. یکی از مهم‌ترین استفاده‌های آن به‌عنوان گاز فشاردهنده در مخازن سوخت موشک است، جایی که هلیوم برای تخلیه سوخت و اکسیدکننده‌ها بدون واکنش شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین، به دلیل ویژگی‌های خنک‌کنندگی هلیوم، از آن برای خنک‌سازی تجهیزات حساس فضایی و موتورهای راکت استفاده می‌شود. هلیوم در تست‌های پیش از پرتاب نیز به‌کار می‌رود، مانند شناسایی نشتی در سیستم‌های تحت فشار یا مخازن سوخت. بنابراین به دلیل سبکی، بی‌اثر بودن، و تحمل دماهای بسیار پایین، هلیوم نقشی کلیدی در افزایش ایمنی و کارایی در مأموریت‌های فضایی ایفا می‌کند.
جوشکاری
گاز هلیوم در جوشکاری به‌عنوان یک گاز محافظ استفاده می‌شود تا از تماس فلز داغ با هوا جلوگیری کند. این کار باعث می‌شود فلز جوش‌خورده تمیز و بدون زنگ‌زدگی یا ناخالصی باقی بماند. هلیوم همچنین به دلیل انتقال گرمای خوب، گرمای بیشتری در فرآیند جوش تولید می‌کند، که برای جوش دادن فلزات ضخیم یا فلزات سخت مانند آلومینیوم و فولاد ضدزنگ مناسب است. به طور کلی،هلیوم کیفیت جوش را بهتر کرده و نفوذ جوش را عمیق‌تر می‌کند.
تفریحی
گاز هلیوم تنها کاربرد صنعتی ندارد بلکه برای پر کردن بالون های تفریحی و در جشن تولد ها برای پر کردن بادکنک ها نیز استفاده می‌شود. این گاز نسبت به هوا سبک تر است و چگالی پایینی دارد به همین دلیل بادکنک یا بالون پرشده با گاز هلیوم حرکت صعودی دارد.گاهی این گاز برای تغییر صدا نیز استفاده می‌شود که البته لازم است نکات احتیاطی رعایت شود.
واکنش پذیری گاز هلیوم
هلیوم به دلیل ساختار الکترونی خود، واکنش پذیری شیمیایی ندارد. در اتم‌های هلیوم، تنها دو الکترون وجود دارد که این دو الکترون پوسته اول (و تنها پوسته) اتم را به طور کامل پر می‌کنند. در شیمی، اتم‌ها تمایل دارند که پوسته الکترونی خارجی‌شان کامل باشد (این اصل به عنوان “قاعده اُکتت” شناخته می‌شود). از آنجا که پوسته الکترونی هلیوم به طور طبیعی کامل است، این اتم نیازی به گرفتن یا از دست دادن الکترون ندارد و تمایلی به شرکت در واکنش‌های شیمیایی نشان نمی‌دهد.
علاوه بر این، انرژی زیادی برای تحریک یا تغییر وضعیت الکترون‌های هلیوم مورد نیاز است. هلیوم به دلیل ساختار کوچک و ساده‌اش (با تنها دو پروتون و دو نوترون در هسته)، بسیار پایدار است و هیچ تمایلی به تشکیل پیوندهای شیمیایی با دیگر عناصر ندارد. این پایداری ذاتی، دلیل اصلی غیرواکنش‌پذیری هلیوم است و آن را در زمره عناصری قرار می‌دهد که حتی در شرایط شدید شیمیایی، واکنش نشان نمی‌دهند.
گاز هلیوم تنها در شرایط ویژه‌ای که خارج از زمین وجود دارد، وارد واکنش های هسته‌ای می‌شود.در محیط داخلی ستاره ها مانند خورشید دما و فشار فوق‌العاده شدیدی وجود دارد، در این شرایط هلیوم می‌تواند وارد واکنش‌های هسته‌ای شود، اما این واکنش‌ها از نوع شیمیایی نیستند، بلکه هسته‌ای هستند.
در ستاره‌ها، طی فرآیند هم‌جوشی هسته‌ای، هلیوم از ترکیب هسته‌های هیدروژن تولید می‌شود. در این فرآیند، دماهای بالای میلیون‌ها درجه سانتی‌گراد و فشارهای بسیار زیاد در هسته ستاره‌ها، شرایطی فراهم می‌کند که هسته‌های هیدروژن به یکدیگر نزدیک شده و هلیوم را تشکیل دهند. در ستاره‌های پیرتر یا در مراحل بعدی چرخه زندگی یک ستاره، هسته‌های هلیوم نیز می‌توانند با یکدیگر هم‌جوشی کرده و عناصر سنگین‌تر مانند کربن و اکسیژن تولید کنند. این واکنش‌ها انرژی بسیار زیادی آزاد می‌کنند که منبع نور و گرمای ستاره‌هاست. بنابراین، ورود هلیوم به واکنش، تنها در محیط‌های هسته‌ای و در شرایط کیهانی امکان‌پذیر است و در شرایط عادی زمین غیرممکن است.
منبع تامین گاز هلیوم
عمده‌ترین منبع تامین گاز هلیوم، مخازن گاز طبیعی است.گاز هلیوم حدود ۷% حجمی گاز طبیعی را تشکیل می‌دهد. هلیوم موجود در گاز طبیعی حاصل فرآیندی طبیعی است که طی میلیون‌ها سال در زیر زمین اتفاق افتاده است. عناصر سنگین مانند اورانیوم و توریم که در پوسته زمین وجود دارند، در طول زمان تجزیه رادیواکتیو انجام می‌دهند و در این فرآیند، هلیوم تولید می‌شود. این هلیوم به‌مرور به دام مخازن گاز طبیعی زیرزمینی می‌افتد. هنگامی که گاز طبیعی استخراج و پالایش می‌شود، هلیوم نیز از آن جدا شده و با استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر جزئی به شکل خالص جمع‌آوری می‌شود. این فرآیند اصلی‌ترین راه تأمین هلیوم در جهان است.
در جو زمین نیز مقدار بسیارکمی هلیوم وجود دارد این مقدار حدود 5ppm است.جداسازی هلیوم از هوا نیازمند فناوری های پیشرفته و هزینه بالایی است و با توجه به مقدار بسیار اندک هلیوم در هوا صرفه اقتصادی ندارد.بنابراین مخازن گاز طبیعی، منبع اصلی تامین گاز هلیوم در جهان هستند.
آیا هلیوم خطرناک است؟
گاز هلیوم به دلیل شرکت نکردن در واکنش های شیمیایی، عموماً گازی ایمن و بی‌خطر تلقی می‌شود و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها مانند پر کردن بادکنک‌ها، کشتی‌های هوایی، و صنایع پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، باید در استنشاق هلیوم احتیاط کرد، زیرا هلیوم خالص جایگزین اکسیژن در ریه ها می‌شود بنابراین تنفس مداوم گاز هلیوم به جای اکسیژن می‌تواند باعث کمبود اکسیژن (هیپوکسی) شود که ممکن است به سرگیجه، بی‌هوشی، و در موارد شدیدتر، آسیب مغزی یا حتی مرگ منجر شود.
استنشاق تفریحی هلیوم که معمولاً برای تغییر صدای انسان انجام می‌شود، اگرچه در مقادیر کم بی‌خطر به نظر می‌رسد، اما اگر به دفعات انجام شود یا در محیط‌های بسته صورت گیرد، می‌تواند خطرناک باشد. همچنین استفاده از هلیوم فشرده از سیلندرها برای تنفس بسیار خطرناک‌تر است، زیرا فشار بالای گاز می‌تواند به آسیب‌های جدی در ریه‌ها منجر شود. بنابراین، با وجود ایمن بودن هلیوم در کاربردهای معمول در استنشاق آن باید احتیاط کرد.
اتم هلیوم به دلیل کامل بودن لایه ظرفیت خود، تمایلی به واکنش با دیگر عناصر ندارد و حتی با گاز اکسیژن که برای احتراق ضروری است نیز واکنش نمی‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود که هلیوم هیچ خطر اشتعالی نداشته باشد و کاملاً غیرقابل اشتعال تلقی شود. برخلاف گازهایی مانند هیدروژن یا متان که با اکسیژن ترکیب شده و مشتعل می‌شوند، هلیوم به دلیل پایداری شیمیایی‌اش حتی در حضور دماهای بالا یا منابع احتراق نیز نمی‌سوزد.
همان‌طور که بیان شد تنها شرایطی که هلیوم ممکن است به واکنش وارد شود، در فشارها و دماهای فوق‌العاده بالا مانند شرایط داخل ستاره‌ها است، جایی که واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای رخ می‌دهد. در این محیط‌های استثنایی، هسته‌های هلیوم می‌توانند در فرآیندهای هسته‌ای ترکیب شوند، اما این پدیده‌ها ربطی به احتراق شیمیایی معمول ندارند و در شرایط زمینی غیرممکن است. بنابراین، هلیوم در استفاده‌های روزمره، چه صنعتی و چه تفریحی، یک گاز ایمن و عاری از هرگونه خطر اشتعال‌پذیری محسوب می‌شود.
سخن آخر
گاز هلیوم با ویژگی‌های خاص خود، مانند پایداری شیمیایی، سبک بودن و ایمنی بالا، یکی از مهم‌ترین عناصر در جهان است. این گاز نقشی اساسی در صنایع مختلف، از پزشکی و هوافضا گرفته تا صنعت گاز دارد. هلیوم که از اولین عناصر شکل‌گرفته پس از آغاز جهان است، به ما در شناخت کیهان کمک کرده و با کاربردهای فراوان خود به بخش مهمی از فناوری‌های امروزی تبدیل شده است. با این حال، استفاده از آن باید با دقت انجام شود تا ایمنی در کاربردهای مختلف حفظ شود.