הליום: היסטוריה, תכונות, מבנה, סיכונים, שימושים - כִּימִיָה - 2025

הליום הוא יסוד כימי עם סמל הוא. זהו הגז האצילי הראשון בטבלה המחזורית, והוא בדרך כלל ממוקם מימין הקיצוני שלו. בתנאים רגילים זהו גז אינרטי, מכיוון שאף אחד מהתרכובות הבודדות שלו אינו יציב; זה גם מתרחב מהר מאוד והוא החומר עם נקודת הרתיחה הנמוכה מכולם.

ברמה הפופולרית זהו גז ידוע, מכיוון שבאינספור אירועים או מסיבות ילדים מקובל לחזות כיצד בלון עולה עד שהוא הולך לאיבוד בשמיים. עם זאת, מה שאבד באמת ולנצח בפינות מערכת השמש, ומעבר לה, הם אטומי הליום שמשתחררים ברגע שהבלון מתפוצץ או מתפוגג.

בלוני ניפוח הליום, הכי קרוב שאפשר להגיע לאלמנט זה במצבים יומיומיים. מקור: Pixabay.

למען האמת, יש מי שבסיבה טובה חושבים שבלוני הליום מייצגים תרגול בלתי הולם עבור גז זה. למרבה המזל, יש לה שימושים חשובים ומעניינים יותר, בזכות תכונותיו הפיזיקליות והכימיות המפרידות אותו ממרכיבים כימיים אחרים.

לדוגמה, הליום נוזלי קר כל כך שהוא יכול להקפיא כל דבר, כמו סגסוגת מתכתית, להפוך אותו לחומר מוליך-על. באופן דומה, זהו נוזל המבטא את העפעף, המסוגל לטפס על קירות מיכל זכוכית.

שמו נובע מהעובדה שהוא זוהה לראשונה בשמש ולא בכדור הארץ. זהו היסוד השני בשפע ביקום כולו ועל אף שריכוזו זניח בקרום כדור הארץ, ניתן להשיג אותו מאגרי הגז הטבעי והמינרלים הרדיואקטיביים של אורניום ותוריום.

כאן מדגים הליום עובדה סקרנית נוספת: זהו גז ששופע הרבה יותר בתחתית מאשר באטמוספרה, שם הוא בסופו של דבר בורח מכדור הארץ ושדה הכבידה שלו.

הִיסטוֹרִיָה

הליום לא התגלה בכדור הארץ אלא בשמש. למעשה, שמו בא מהמילה היוונית 'הליוס' שמשמעותה שמש. קיומו של האלמנט כשלעצמו מנוגד לטבלה המחזורית של דמיטרי מנדלב, מכיוון שלא היה מקום לגז חדש; במילים אחרות, עד אז לא נחשד שום דבר לגבי גזים אצילים.

השם 'הליום', שנכתב כ'הליום 'באנגלית, הסתיים בכך שהסיומת -יום התייחס אליו כאל מתכת; בדיוק מכיוון שלא ניתן היה להודות בקיומו של גז שאינו חמצן, מימן, פלואור, כלור וחנקן.

שם זה כונה על ידי האסטרונום האנגלי נורמן לוקייר, שחקר מאנגליה את מה שנצפה על ידי האסטרונום הצרפתי ז'ול יאנססן בהודו, במהלך ליקוי חמה בשנת 1868.

זה היה קו ספקטרלי צהוב מגורם לא ידוע עד כה. לוקייר טען שהדבר נבע מנוכחותו של גורם כימי חדש שנמצא בשמש.

בשנת 1895, כמעט עשרים שנה לאחר מכן, הכימאי הסקוטי סר וויליאם רמזי זיהה את אותו הספקטרום מגז שריד כאשר למד מינרל רדיואקטיבי: קלביט. אז היה גם הליום כאן על כדור הארץ.

תכונות פיזיקליות וכימיות

מראה חיצוני

אמפולה עם דגימת הליום זוהרת לאחר התחשמלות. מקור: תמונות Hi-Res של אלמנטים כימיים

הליום הוא גז חסר צבע ונטול ריח שאין לו טעם והוא גם אינרטי. עם זאת, כאשר מוחל הלם חשמלי, ובהתאם להבדל המתח, הוא מתחיל להאיר כמו אובך-סגול אפרפר (תמונה למעלה), ואז זוהר בזוהר כתום. לכן נורות הליום כתומות.

מספר אטומי (Z)

שתיים

מסה מולארית

4.002 גרם / מול

נקודת המסה

-272.2 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

-268.92 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-0.1786 גרם / ל ', בתנאים רגילים, כלומר בשלב הגז.

-0.145 גרם / מ"ל, בנקודת ההתכה, הליום נוזלי.

-0.125 גרם / מ"ל, ממש כשהליום מתחיל לרתוח.

-0.187 גרם / מ"ל, בטמפרטורה של 0 ק"ג ו- 25 אטמוספירה, כלומר הליום מוצק באותם תנאים ספציפיים של לחץ וטמפרטורה.

נקודה משולשת

2.177 K ו- 5.043 kPa (0.04935 אטם)

נקודה קריטית

5.1953 K ו- 0.22746 MPa (2.2448 כספומט)

חום של היתוך

0.0138 kJ / mol

חום האידוי

0.0829 kJ / mol

קיבולת חום טוחנת

20.78 J / (mol K)

לחץ אדים

0.9869 אטמוספירה ב -4.21 ק '. ערך זה נותן לך מושג עד כמה יכול להיות הליום חולף וכמה קל הוא יכול להימלט בטמפרטורת החדר (קרוב ל 298 K).

אנרגיות יינון

ראשונה: 2372.3 ק"ג / מול (הוא ⁺ גזי)

-שניה: 5250.5 ק"ג / מול (הוא ²⁺ גזי)

אנרגיות היינון להליום גבוהות במיוחד מכיוון שהאטום הגזי חייב לאבד אלקטרון החווה מטען גרעיני חזק ויעיל. ניתן להבין זאת גם על ידי התחשבות בגודל הקטן של האטום וכמה "קרובים" שני האלקטרונים לגרעין (עם שני הפרוטונים ושני הנויטרונים שלו).

מְסִיסוּת

במים מומסים 0.97 מ"ל לכל 100 מ"ל מים בחום של 0 מעלות צלזיוס, מה שאומר שהם מסיסים בצורה גרועה.

תגובתיות

הליום הוא היסוד הכימי השני הפחות תגובתי בטבע. בתנאים רגילים נכון לומר שזה גז אינרטי; לעולם (נדמה) אי אפשר לתפעל תרכובת הליום בחדר או במעבדה בלי לחצים עצומים הפועלים עליו; או אולי, טמפרטורות גבוהות או נמוכות באופן דרמטי.

דוגמא לכך ניתן לראות במתחם Na ₂ He, שהוא יציב רק בלחץ של 300 GPa, המופק בתא סדן יהלום.

למרות שהקשרים הכימיים ב- Na ₂ He "מוזרים" מכיוון שיש להם אלקטרונים היטב בקריסטלים, הם רחוקים מלהיות אינטראקציות פשוטות של ואן דר וואלס, ולכן הם אינם מורכבים פשוט מאטומי הליום שנלכדו על ידי אגרגטים מולקולריים. . כאן מתעוררת הדילמה בין תרכובות הליום אמיתיות ואילו אינן.

לדוגמא, מולקולות חנקן בלחצים גבוהים עלולות ללכוד אטום הליום ליצירת סוג של קלתראט, He (N ₂ ) ₁₁ .

כמו כן, ישנם המתחמים האנדוהדראליים של קטיונים פולרן, C ₆₀ ^{+ n} ו- C ₇₀ ^{+ n} , שבחללים שלהם הם יכולים להכיל אטומי הליום; והקטיון המולקולרי HeH ⁺ (He-H ⁺ ), שנמצא בערפיליות רחוקות מאוד.

מספר חמצון

סקרנות שמנסה כדי לחשב את מספר החמצון עבור הליום בכול ותרכובותיו תימצא כי זה שווה 0. ב Na ₂ יש, למשל, עשוי לחשוב כי תואם נוסחא Na היפותטית ₂ ⁺ I ² ; אבל כזה יכול להניח שיש לו אופי יוני טהור, כאשר במציאות קשריו רחוקים מלהיות כאלה.

יתר על כן, הליום אינו משיג אלקטרונים מכיוון שהוא אינו יכול להכיל אותם במסלול הדו-שנתי, שאינם זמינים אנרגטית; זה גם לא אפשרי לאבד אותם, בגלל הגודל הקטן של האטום שלו והמטען הגרעיני האפקטיבי הגדול של הגרעין שלו. זו הסיבה שהליום משתתף תמיד (בתיאוריה) כאטום He ⁰ בתרכובות הנגזרות שלו.

מבנה ותצורה אלקטרונית

הליום, כמו כל הגזים שנצפו על גבי מקרוסקופיה, תופס את נפח המכלים המאחסנים אותו, ובכך יש צורה בלתי מוגבלת. עם זאת, כאשר הטמפרטורה יורדת ומתחילה להתקרר מתחת ל -269 מעלות צלזיוס, הגז מתמצה לנוזל חסר צבע; הליום I, הראשון משני השלבים הנוזלים של אלמנט זה.

הסיבה לכך שהליום מתעבה בטמפרטורה כה נמוכה נובעת מכוחות הפיזור הנמוכים המחזיקים את האטומים שלו יחד; לא משנה מה השלב שקול. ניתן להסביר זאת מהתצורה האלקטרונית שלה:

1s ²

בו שני אלקטרונים תופסים את המסלול האטומי של ה- 1. ניתן לדמיין את אטום ההליום כספירה כמעט מושלמת, שסביר להניח שהפריפריה האלקטרונית ההומוגנית שלה לא תהיה מקוטבת על ידי המטען הגרעיני האפקטיבי של שני הפרוטונים בגרעין.

לפיכך, רגעי דיפול ספונטניים ומושרים הם נדירים וחלשים מאוד; כך שהטמפרטורה חייבת להתקרב לאפס מוחלט כדי שאטומי He יתקרבו לאט מספיק וישיגו שכוחות הפיזור שלהם מגדירים נוזל; או אפילו יותר טוב, גביש הליום.

דימרים

בשלב הגזי, החלל המפריד בין אטומי He הוא כזה שניתן להניח שהם תמיד מופרדים זה מזה. עד כדי כך שבבקבוקון קטן בנפח ההליום נראה חסר צבע עד שהוא נתון בפריקה חשמלית, המייננת את האטומים שלו בערפל אפרפר ומואר.

עם זאת, בשלב הנוזלי לא ניתן עוד "להתעלם" מאטומי He, אפילו עם האינטראקציות החלשות שלהם. כעת כוח הפיזור מאפשר להם להצטרף לרגע ליצירת דימרים: הוא-הוא או הוא ₂ . מכאן שניתן לחשוב על הליום I כאל אשכולות עצומים של He ₂ בשיווי משקל עם האטומים שלו בשלב האדי.

זו הסיבה שהליום I כל כך קשה להבדיל מהאדים שלו. אם נוזל זה נשפך מהמיכל האטום שלו, הוא בורח כהתלקחות לבנבן.

הליום II

כאשר הטמפרטורה יורדת עוד יותר, נוגעת ב -2,178 K (-270,972 מעלות צלזיוס), מתרחש מעבר פאזי: הליום I הופך להליום II.

מנקודה זו הנוזל הליום המרתק כבר הופך לנוזל מיותר או נוזלי קוונטי; כלומר התכונות המקרוסקופיות שלהם מתבטאות כאילו הוא ₂ דימרים הם אטומים בודדים (ואולי הם). הוא חסר צמיגות מוחלטת, מכיוון שאין משטח שיכול לעצור אטום במהלך החלקתו או "טיפוסו".

זו הסיבה שהליום II יכול לטפס על קירות מיכל זכוכית המתגברים על כוח הכובד; לא משנה כמה הם גבוהים, כל עוד המשטח נשאר באותה טמפרטורה ולכן לא מתנדנד.

כתוצאה מכך, לא ניתן לאחסן הליום נוזלי במכלי זכוכית, מכיוון שהוא יברח בסדק או בפער הקל ביותר; דומה מאוד לאופן שבו זה היה קורה עם גז. במקום זאת, נירוסטה משמשת לתכנון כלים כאלה (מיכלי דווארס).

קריסטלים

גם אם הטמפרטורה הייתה יורדת ל 0 K (אפס מוחלט), כוח הפיזור בין אטומי He לא היה מספיק חזק בכדי להזמין אותם למבנה גבישי. כדי שהתמצקות תתרחש, הלחץ צריך לעלות לכ 25- אטמטר; ואז מופיעים גבישי הליום משושים קומפקטיים (hcp).

מחקרים גיאופיזיים מראים שמבנה ה- hcp הזה נותר ללא שינוי, לא משנה כמה לחץ עולה (עד לסדר הגיגאפסקלים, GPa). עם זאת, יש אזור צר בתרשים הטמפרטורה בלחץ שלהם בו גבישים hcp אלה עוברים מעבר לשלב מעוקב במרכז הגוף (bcc).

היכן למצוא ולהשיג

קוסמוס וסלעים

הליום מייצג את היסוד השני בשפע ביקום ו -24% מהמסה שלו. מקור: Pxhere.

הליום הוא היסוד השני בשפע ביקום כולו, שני רק למימן. כוכבים מייצרים ללא הפסקה כמויות בלתי נתנות של אטומי הליום על ידי איחוי שני גרעיני מימן במהלך תהליך הגרעין.

כמו כן, כל תהליך רדיואקטיבי הפולט חלקיקי a הוא מקור לייצור אטומי הליום אם הם מתקשרים עם האלקטרונים בסביבה; למשל, עם אלה של גוף סלעי במצבים של מינרלים רדיואקטיביים של אורניום ותוריום. שני האלמנטים הללו עוברים ריקבון רדיואקטיבי, החל מאורניום:

ריקבון רדיואקטיבי של אורניום ביצירת חלקיקי אלפא, שהופכים בהמשך לאטום הליום במצבים תת קרקעיים. מקור: גבריאל בוליבר.

לכן בסלעים בהם מרוכזים המינרלים הרדיואקטיביים הללו, יילכדו אטומי הליום, אשר ישוחררו ברגע שיתעכלו בתקשורת חומצית.

בין חלק מהמינרלים הללו ניתן למצוא קלביט, קרנוט ואורניניט, כולם מורכבים מתחמוצות אורניום (UO ₂ או U ₃ O ₈ ) וזיהומים של תוריום, מתכות כבדות ואדמות נדירות. ההליום, המושקה דרך תעלות תת קרקעיות, יכול בסופו של דבר להצטבר במאגרי גז טבעי, מעיינות מינרלים או במגהצים מטאוריים.

ההערכה היא שמסה של הליום השווה ל- 3000 טון מיוצרת מדי שנה בליטוספרה, מהתפרקות רדיואקטיבית של אורניום ותוריום.

אוויר וים

הליום אינו מסיס במיוחד במים, מוקדם יותר מאשר מאוחר הוא בסופו של דבר עולה מהמצולות (באשר הוא מקורו), עד שהוא חוצה את שכבות האטמוספירה ולבסוף מגיע לחלל החיצון. האטומים שלו כה קטנים וקלים עד ששדה הכבידה של כדור הארץ לא יכול לעכב אותם באטמוספירה.

בשל האמור לעיל, ריכוז ההליום גם באוויר (5.2 עמודים לדקה) וגם בים (4 ppt) נמוך מאוד.

אם מישהו היה מעוניין לחלץ אותו משני משני המדיות הללו, האפשרות ה"טובה ביותר "תהיה אוויר, שתצטרך תחילה להיות נתון לנוזל כדי לעבות את כל גזי המרכיב שלו, בעוד שהליום נשאר במצב גזי.

עם זאת, אין זה מעשי להשיג הליום מהאוויר, אלא מסלעים המועשרים במינרלים רדיואקטיביים; או יותר נכון, ממאגרי גז טבעי, שבהם הליום יכול לייצג עד 7% מכלל המסה שלו.

זיקוק גז טבעי וזיקוק

במקום להמיס את האוויר, קל יותר ורווחי יותר להשתמש בגז טבעי, אשר ללא ספק הרכב ההליום שלו גדול בהרבה. לפיכך, חומר הגלם המצויין (המסחרי) להשגת הליום הוא גז טבעי, שיכול להיות גם נתון לזיקוק שברירי.

התוצר הסופי של הזיקוק סיים את הטיהור בפחמן פעיל, דרכו עובר הליום טהור מאוד. ולבסוף, הליום מופרד מניאון על ידי תהליך קריוגני בו משתמשים בהליום נוזלי.

איזוטופים

הליום מתרחש בעיקר בטבע כ איזוטופ ⁴ He, הגרעין החשוף שלו הוא החלקיק α המפורסם. לאטום ⁴ זה יש שני נויטרונים ושני פרוטונים. בשפע פחות נמצא האיזוטופ ³ הוא, שיש לו רק נויטרון אחד. הראשון כבד יותר (בעל מסה אטומית גבוהה יותר) מהשני.

לפיכך, הזוג האיזוטופי ³ הוא ו- ⁴ הוא אלה המגדירים את התכונות המדידות ואת מה שאנו מבינים של הליום כאלמנט כימי. בהתחשב בכך ש ^-3 הוא קל יותר, ההנחה היא שהאטומים שלהם בעלי אנרגיה קינטית גבוהה יותר, ולכן הם זקוקים לטמפרטורה נמוכה עוד יותר כדי להתמזג לכדי נוזלים מיותרים.

ה ^-3 הוא נחשב למין נדיר מאוד כאן על פני כדור הארץ; עם זאת בקרקעות ירח הוא נפוץ יותר (פי 2000 יותר). זו הסיבה שהירח היה נושא לפרויקטים וסיפורים כמקור אפשרי ל- ³ He, שיכול לשמש כדלק גרעיני לחללית העתיד.

ניתן להזכיר בין איזוטופים אחרים של הליום עם מחצית החיים שלהם בהתאמה: ⁵ He (t _1/2 = 7.6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0.8 s) ו- ⁸ He (t _1/2 = 0.119 שניות).

סיכונים

הליום הוא גז אינרטי ולכן אינו משתתף באף אחת מהתגובות המתרחשות בגופנו.

האטומים שלו נכנסים ונשפים למעשה מבלי שהאינטראקציה שלהם עם ביומולקולות מניבה השפעה חיצונית; למעט הצליל שנפלט מיתרי הקול, ההופכים לגבוהים ותכופים יותר.

אנשים ששואפים הליום מבלון (במתינות) מדברים בקול גבוה, דומה לזה של סנאי (או ברווז).

הבעיה היא שאם האדם השואף שואף כמות לא הולמת של הליום, הוא מסתכן בחנק, מכיוון שהאטומים שלו ממלאים את מולקולות החמצן; ולכן לא תוכלו לנשום עד שתנשפו את כל ההליום ההוא, שבתורו הלחץ שלו יכול לקרוע את רקמת הריאה או לגרום לברוטראומה.

דווח על מקרים של אנשים שמתו משאיפת הליום בגלל מה שהוסבר זה עתה.

מצד שני, למרות שהוא אינו מהווה סיכון שריפה לאור חוסר התגובה שלו כלפי חמצן (או חומר אחר), אם הוא מאוחסן תחת לחץ גבוה והוא בורח, הדליפה שלו יכולה להיות מסוכנת פיזית.

יישומים

התכונות הפיזיקליות והכימיות של הליום לא רק הופכות אותו לגז מיוחד, אלא גם חומר שימושי מאוד ליישומים הדורשים טמפרטורות נמוכות במיוחד. בחלק זה יטופלו בחלק מהיישומים או השימושים הללו.

מערכות לחץ ודימום

במערכות מסוימות יש צורך להגביר את הלחץ (לחץ), ולשם כך יש להזרים או לספק גז שאינו מתקשר עם אף אחד ממרכיביו; לדוגמה, עם ריאגנטים או משטחים הרגישים לתגובות לא רצויות.

לפיכך, ניתן להגביר את הלחץ באמצעות נפחי הליום, אשר חוסר האינון הכימי הופך אותו לאידיאלי למטרה זו. האטמוספרה האינרטיבית שהיא מספקת עולה על מקרים מסוימים של החנקן.

לצורך התהליך ההפוך, כלומר הטיהור, הליום משמש גם בגלל יכולתו להכיל את כל החמצן, אדי המים או כל גז אחר, שאת נוכחותם תרצו להסיר. בדרך זו מופחת לחץ של המערכת לאחר התרוקנות הליום.

גילוי דליפות

הליום יכול לדלוף דרך הסדק הקל ביותר, ולכן הוא משמש גם לאיתור נזילות בצינורות, מיכלי ואקום גבוהים או טנקים קריוגניים.

לפעמים ניתן לבצע איתור חזותית או באמצעות מגע; עם זאת, מדובר בעיקר בגלאי ש"מסמן "לאן וכמה הליום בורח מהמערכת הנמצאת בבדיקה.

גז מוביל

אטומי הליום, כאמור למערכות הטיהור, יכולים לשאת עימם, בהתאם ללחץ שלהם, מולקולות כבדות יותר. לדוגמה, עיקרון זה משמש מדי יום בניתוח כרומטוגרפיה של גז, מכיוון שהוא יכול לגרור את הדגימה המותחת לאורך העמודה, שם היא מתקשרת עם השלב הנייח.

בלונים וספינות אוויר

הליום משמש לניפוח ספינות אוויר והוא בטוח בהרבה ממימן מכיוון שהוא אינו גז דליק. מקור: Pixabay.

בשל הצפיפות הנמוכה בהשוואה לאוויר, ושוב, חוסר התגובה שלו עם חמצן, הוא שימש לניפוח בלונים במסיבות ילדים (מעורבב עם חמצן כך שאיש לא יספיק לנשום אותו), וספינות אוויר (תמונה עליונה) מבלי לייצג סיכון שריפה.

צְלִילָה

הליום הוא אחד המרכיבים העיקריים במיכלי החמצן שצוללנים נושמים איתם. מקור: Pxhere.

כשצוללנים יורדים לעומקים גדולים יותר הם מתקשים לנשום בגלל הלחץ הגדול שמפעילים המים. זו הסיבה שהליום מתווסף למיכלי החמצן שלהם כדי להפחית את צפיפות הגז הצוללנים נושמים ונושפים, וכך ניתן לנשוף אותו עם פחות עבודה.

ריתוכים בקשת

בתהליך הריתוך, הקשת החשמלית מספקת מספיק חום לשתי המתכות להיפגש. אם הוא מתבצע תחת אטמוספירת הליום, המתכת ליבון לא תגיב עם החמצן באוויר כדי להפוך לתחמוצת בהתאמה; לפיכך, הליום מונע את התרחשותו.

מוליכי-על

הליום נוזלי משמש לקירור המגנטים המשמשים בסורקי דימות תהודה מגנטית גרעינית. מקור: ג'אן איינלי

הליום נוזלי כל כך קר שהוא יכול להקפיא מתכות למוליכי-על. הודות לכך ניתן היה לייצר מגנטים חזקים מאוד, אשר מקוררו בעזרת הליום נוזלי, שימשו בסורקי תמונות או בספקטרומטר גרעיני תהודה מגנטית.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. אנדי אקסטנס. (17 באפריל, 2019). יון הליום הידרידי שהתגלה בחלל לראשונה: עדויות שנמצאו לכימיה חמקמקה מהדקות הראשונות של היקום. התאושש מ: chemistryworld.com
3. פיטר וודרס. (19 באוגוסט 2009). הֶלִיוּם. כימיה ביסודה. התאושש מ: chemistryworld.com
4. ויקיפדיה. (2019). הֶלִיוּם. התאושש מ: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). מבנה גבישים וצפיפות הליום עד 232 קבאר. התאושש מ: Articles.adsabs.harvard.edu
6. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). הֶלִיוּם. מאגר PubChem. CID = 23987. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. מרי-אן מופולטו. (6 בפברואר 2017). למעלה, למעלה ולמעלה: כימאים אומרים 'כן', הליום יכול ליצור תרכובות. אוניברסיטת יוטה. התאושש מ: phys.org
8. סטיב גנון. (sf). איזוטופים של יסוד הליום. מעבדת ג'פרסון התאוששה מ: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). הֶלִיוּם. התאושש מ: chemistryexplained.com