گاز هليوم چیست و چه کاربرد و مصرفی دارد ؟

گاز هليوم عنصری است صدرنشین جدول مندلیف و در کوتاه ترین تناوب آن قرار دارد، دارای نشان شیمیایی He و عدد اتمی ۲ می باشد. گاز هليوم یکی از یازده عنصر گازی شکل و اولین گاز نجیب در گروه گازهای نجیب جدول تناوبی است. این عنصر شگفت انگیز به طور معمول و در دمای اتاق گازی شکل است مگر اینکه تحت شرایط و وضعیت خاص قرار بگیرد (دمای پایین و فشار بالا). گاز هلیوم رسانش گرمایی و انرژی یونیزاسیون بالایی دارد و مانند دیگر عناصر هم گروه خود رنگ، مزه و بوی خاصی ندارد و الکترونگاتیوی بسیار پایینی دارد.

گاز هليوم به دلیل پر بودن لایه ی ظرفیتش، بی اثرترین گاز بعد از نئون است و به دلیل واکنش پذیری پایین، گاز هلیوم، سمی هم نیست. گاز نجیب هليوم نسبت به اکسیژن بی اثر است و خطر اشتعال نیز در آن وجود ندارد، بنابراین ذخیره سازی آن برای استفاده نیز آسان تر خواهد بود. هليوم تا دمای صفر مطلق در فشار معمولی حالت مایع خود را حفظ می کند. گاز هلیوم به دلیل داشتن ویژگی های شگفت انگیزی که به آن اشاره شد، در صنعت، پزشکی، گردشگری و حتی مصارف خانگی مانند پر کردن بادکنک های هلیومی به صورت گسترده مورد توجه قرار دارد. در ادامه به توضیح نکات جالبی از کشف و کاربرد گاز هليوم و نحوه ی تولید و استخراج و خرید و فروش گاز هليوم در نشریه علمی جهان شیمی فیزیک  می پردازیم.

فراوانی گاز هلیوم در ایران و جهان چگونه است؟

فراوان ترین عنصر بعد از گاز هیدروژن در جهان هستی گاز هلیوم است. اما مقدار آن در جو اطراف زمین کم است از طرفی گاز هلیوم را به دلیل سبکی آن و نفوذش به لایه های بالایی جو، نمی توان با سرد کردن جداسازی نمود، بنابراین گاز هلیوم بیشتر هنگام استخراج گاز طبیعی از دل زمین استخراج و جداسازی می شود. منابع گاز طبیعی که حاوی گاز هلیوم هستند در کشورهایی مانند امریکا، کانادا، الجزایر، روسیه، قطر و کشورمان ایران کشف شده اند. کشور ایران دارای چاه مشترک غنی از گاز هلیوم با قطر در منطقه ی خلیج فارس است بنابراین می تواند با تولید گاز هلیوم با خلوص مناسب و همچنین فروش گاز هلیوم در داخل و خارج از کشور باعث پیشرفت در اقتصاد و صنعت گردد.

ایزوتوپ های گاز هلیوم را می شناسید؟

گاز هلیوم دارای ایزوتوپ های مختلفی است که البته بیشتر آن ها در کسری از ثانیه تجزیه می شوند. این ایزوتوپ های کشف شده از لحاظ تداد نوترون ها با یکدیگر متفاوت هستند، تنها دو ایزوتوپ از آن ها با نام های هلیوم ۳ (با یک نوترون) و هلیوم ۴ (با دو نوترون) پایدارند که در این میان فراوانی و پایداری ایزوتوپ گاز هلیوم ۴ بیشتر است.

طریقه ی جداسازی این دو ایزوتوپ گاز هلیوم به اینصورت است که دمای مخلوط آن ها را بسار پایین می آورند و سپس دو ایزوتوپ را از هم جدا می کنند. هنگامی که عناصر پرتو زای سنگین تر تحت واپاشی آلفا قرار می گیرند، ایزوتوپ گاز هلیوم ۴ تشکیل می گردد. اما ایزوتوپ هلیوم ۳ در زمان تشکیل زمین در آن نهادینه شده است و یا از طریق غبارات کهکشانی به زمین آمده و مقدار آن نیز کم است. هیچکدام از ایزوتوپ های گاز هلیوم پرتوزا نیستند و بنابراین می توانند در خنک سازی راکتور های هسته ای استفاده شوند.

گاز هلیوم چگونه کشف شد؟

در سال ۱۸۶۸ هنگامی که دانشمندی به نام پیر یانسن درحال بررسی طیف خورشید بود خط زرد رنگی را مشاهده نمود که مربوط به عنصری جدید بود، اما موفق به کشف ماهیت آن نشد. چندی بعد دو دانشمند دیگر توانستند عنصر جدید را که هنگام مطالعه ی طیف خورشید کشف کرده بودند، معرفی کنند. آنان نام این عنصر را از روی نام یونانی خورشید هلیوم نامیدند.

اثبات وجود گاز هلیوم در کره ی زمین سال ها به طول انجامید و سرانجام در سال ۱۸۹۵ توسط شیمیدانان سوئدی به نام های تئودور کلو و نیلز آبراهام لانگر ثبت گردید. در سال ۱۹۰۳ نیز هنگامی که در منطقه ای گاز طبیعی کشف شد برای نشان دادن آن به مردم طبق روال می خواستند دهانه ی چاه را مشتعل کنند اما در کمال ناباوری در دهانه ی چاه شعله ای ایجاد نشد. هاورث این واقعه ی شگفت انگیز را با نمونه گیری و آزمایش گاز استخراجی دهانه ی چاه توضیح و به گاز هلیوم نسبت داد و دلیل عدم اشتعال دهانه ی چاه را هم، بی اثر بودن و عدم اشتعال گاز هلیوم بیان کرد.

گاز هلیوم چه کاربردهایی دارد؟

    کاربرد گاز هلیوم در صنعت

از کاربردهای گاز هلیوم تمیز کردن مخازن سوخت با آن است. گاز هلیوم به دلیل بی تاثیری و عدم اشتعال، ماده ی خوب و ایمنی برای تمیز کردن مخازن سوخت به شمار می آید.

دیگر کاربرد گاز هلیوم را می توان به استفاده از آن برای پیدا کردن نشتی در مخازن و دستگاه های مختلف نام برد.

در مخازن سوخت فضاپیماها فضای خالی موجب می شد تا سوخت به خوبی نتواند مصرف شود و این ممکن است موجب اختلال در کارکرد فضاپیما گردد، از گاز هلیوم استفاده می کنند تا فضای خالی مخزن سوخت را پر کنند.

از آنجایی که گاز هلیوم دارای خاصیت نشر و جذب امواج الکترومغنایس است می توان از آن در دستگاه های مربوط به روشنایی مانند چراغ خودروها یا تابلوهای تبلیغاتی که استفاده ی زیادی نیز دارند بهره برد.

نیروگاه های هسته ای نیز به دلیل ایجاد دمای بسیار بالا در هنگام کار نیاز به خنک کننده ای موثر دارند که گاز هلیوم می تواند برای این منظور مفید باشد. گاز هلیوم به دلیل بی اثر بودن، بالا بردن کیفیت جوش و ممانعت از انفجار در صنایع جوشکاری نیز کاربرد دارد، اما بالا بودن قیمت گاز هلیوم استفاده از آن را محدود کرده است.

دستگاه های MRI که از قطعات ابررسانا ساخته شده اند برای درست کار کردن نیاز به خنک کننده دارند، از گاز هلیوم برای خنک سازی آن ها می توان بهره گرفت.

کاربرد گاز هلیوم در غواصی

چون گاز هلیوم در بافت عصبی حل نمی شود و چگالی آن نیز پایین است، برای غواصی در عمق های زیاد، به گاز اکسیژن مقدار مشخصی گاز هلیوم اضافه می کنند تا هم تنفس راحت تر شود و هم اثرات مخرب نیتروژن بر بدن کاهش یابد.

کاربرد گاز هلیوم در بادکنک ها و بالن ها و مصارف تفریحی

بادکنک های شناور در هوا و بالن ها همیشه هیجان انگیزند. به دلیل سبک تر بودن گاز هلیوم از دیگر گازهای موجود در هوا، برای پرکردن بالن ها جهت مصارف گردشی، نظامی، علمی و… ، پر کردن بادکنک های تزیینی در مهمانی ها و مجالس، از گاز هلیوم استفاده می شود. ممکن است گاز هلیوم بادکنکی آشناترین کاربرد گاز هلیوم در زندگی روزمره ی مردم باشد.

قدرت بالابرندگی گاز هلیوم نسبت به هیدروژن کمتر است(حدود ۹۲%) اما این قابلیت عدم اشتعال آن است که گاز هلیوم را برای مصارف مختلف منحصر به فرد می سازد.

یکی از ویژگی های جالب گاز هلیوم خاصیت نازک کردن صداست، چون گاز هلیم چگالی کمتری نسبت به هوا دارد بنابراین سبک تر از هواست و راحت تر در بین تارهای صوتی حرکت می کند و نحوه ی ارتعاش آن ها را تغییر می دهد و اینگونه باعث تغییر صدا می شود البته در مقدار مصرف آن باید دقت کافی داشت زیرا مقادیر بیش از حد ممکن است به شش ها آسیب برساند.

کاربرد گاز هلیوم در پزشکی

در صورت تنفس گاز هلیوم ویژگی کم بودن چگالی آن، موجب می شود تعداد تنفس در شخص کاهش یابد و این در بعضی از بیماران تنفسی مفید است و اثر درمانی دارد. محافظت های عضوی نیز یکی دیگر از مصارف گاز هلیوم در پزشکی است، بنابراین گاز هلیوم حتی در پزشکی نیز مصارف ویژه ای دارد.

تولید و خرید و فروش گاز هلیوم چگونه است؟

در حال حاضر کشور امریکا بیشترین مقدار گاز هلیوم در جهان را تولید می کند. کشور های الجزایر و قطر نیز در زمینه ی تولید گاز هلیوم فعالیت دارند. در کشور ما ایران، گاز هلیوم مورد نیاز به صورت کپسول های ۵۰ لیتری از طریق واردات تامین می گردد. به دلیل مصرف روزافزون گاز هلیوم در موارد مختلف، خرید و فروش کپسول های گاز هلیوم به عنوان یک اقتصاد مهم در جهان در آمده است. بیشتر شرکت ها ی وارد کننده پس از وارد کردن کپسول های بزرگ گاز هلیوم، آن ها را به کپسول های کوچک تر و حتی کپسول های گاز هلیوم یک بار مصرف منتقل کرده و به فروش می رسانند.

توزیع هلیوم به دو صورت انجام می پذیرد:

• تولید و فروش کپسول هلیوم مایع کاملا عایق شده در دمای بسیار پایین
• تولید و فروش کپسول گاز هلیوم در دمای معمولی.

گاز هلیوم در گرید های مختلفی در کپسول های آلومینیومی یا فولادی وارد می شود. این گریدها به اندازه ی خلوص گاز هلیوم بستگی دارند. هرچه گرید بالا تر باشد اندازه ی ناخالصی کمتر است. به طور مثال کپسول هلیوم با گرید ۶ تنها یک ppm 1 ناخالصی دارد. گریدهای مختلف بنا بر استفاده های مختلف در صنعت و پزشکی و موارد دیگر تهیه می شوند. کپسول گاز هلیومی که برای مصارف تحقیقاتی ویژه و حساس وارد می شود باید درجه ی خلوص بالایی (۹۹.۹۹۹۹) نزدیک به ۱۰۰ داشته باشد. اما برای استفاده در جوشکاری و کاربردهای پژوهشی کروماتوگرافی می توان از کپسول های گاز هلیوم با خلوص های پایین تر نیز استفاده کرد.

به دلیل بالا بودن قیمت کپسول گاز هلیوم در هر گرید، باید کپسول هلیومی مناسب برای هر استفاده تهیه گردد. به طور مثال برای بادکنک های هلیمی نیازی به کپسول های گاز هلیوم با خلوص بالا نیست.  استخراج و خالص سازی گاز هلیوم دو مرحله دارد : مرحله ی اول جداسازی گاز هلیوم از گاز طبیعی و مرحله ی دوم جداسازی ناخالصی ها از گاز هلیوم. تترا فلوئورید کربن، هگزافلوئورو اتان، آب ،اکسیژن، نیتروژن و متان از ناخالصی های مهمی هستند که باید حذف شوند.

آینده ی گاز هلیوم

همانطور که پیشتر گفته شد گاز هلیوم از طریق چاه های گاز طبیعی و از دل زمین استخراج می گردد پس جز منابع تجدید ناپذیر بشمار می آید، استخراج و خالص سازی آن نیز هزینه های زیادی را بر کارخانه های تولید کننده تحمیل می کند و این موضوع موجب افزایش قیمت گاز هلیم خواهد بود. با پیشرفته شدن علوم و صنایع، کاربرد این عنصر باارزش بیشتر شده و تقاضا برای آن نیز بیشتر خواهد شد.

در دوران همه گیری ویروس کرونا در جهان به دلیل رکود صنعت و تعطیلی کارخانه ها و مراکز علمی و تحقیقاتی در کشور های پیشرفته ی جهان مانند چین و امریکا و ابرقدرت های صنعتی دیگر تقاضا در جهان برای گاز هلیوم کم شده است، اما این رکود تقاضا قطعا با پایان پاندمی کرونا پایان می پذیرد و جهان به سمت پیشرفت علم و صنعت باز می گردد و تقاضا برای این عنصر با ارزش از سر گرفته می شود.