ჰელიუმი

ჰელიუმი — ელემენტთა პერიოდული სისტემის პირველი პერიოდის, მეთვრამეტე ჯგუფის (ძველი კლასიფიკაციით — მერვე ჯგუფის მთავარი ქვეჯგუფის, ა) ქიმიური ელემენტი. მისი ატომური ნომერია 2, ატომური მასა — 4.0026, დნ — (−272.20)°, დუღ — (−268.928)°, სიმკვრივე (ნსპ) — 0.1786 გ/ლ. ჰელიუმი ერთატომიანი უფერული და უსუნო აირია; ბუნებრივი ჰელიუმი შედგება ორი სტაბილური იზოტოპისაგან: ^3 (≈0.0002%.

ორი თვის შემდეგ, 20 ოქტომბერს, ინგლისელმა ასტრონომმა ნორმან ლოკერმა, რომელმაც არ იცოდა ფრანგი კოლეგის შესახებ, დამოუკიდებლად გამოიკვლია მზის სპექტრი. როდესაც მან აღმოაჩინა უცნობი ყვითელი ხაზი, რომლის ტალღის სიგრძე იყო 588 ნმ (უფრო ზუსტად 587,56 ნმ), ის აღნიშნა 3, რადგანაც ის ძალიან ახლოს იყო ფრაუნგოფერის ხაზებთან 1 (589,59 ნმ) და 2 (588,99 ნმ) ნატრიუმი. ორი წლის შემდეგ ლოკერმა, ინგლისელ ქიმიკოს ედვარდ ფრანკლანდთან თანამშრომლობით წამოაყენა წინადადება რათა ახალი ელემენტისათვის ეწოდებინათ „ჰელიუმი“ ( — „მზე“).

საინტერესოა ის რომ, ჟანსენისა და ლოკერის წერილები საფრანგეთის აკადემიაში ერთ დღეს - 1868 წლის 24 ოქტომბერს მივიდა, მაგრამ ლოკერის წერილი, რომელიც ოთხი დღით გვიან იყო დაწერილი, მივიდა რამდენიმე საათით ადრე. მეორე დღეს აკადემიის სხდომაზე წაკითხულ იქნა ორივე წერილი. ახალი მეთოდის აღსანიშნავად საფრანგეთის აკადემიამ გადაწყვიტა მედლის მოჭრა. მედლის ერთ მხარეს გამოსახული იყო ჟანსენი და ლოკერი, მეორე მხარეს კი - მზის მითური ღმერთი აპოლონი, ოთხ ცხენიან ეტლში.

1881 წელს იტალიელმა ლუიჯი პალმიერიმ გამოაცხადა ჰელიუმის აღმოჩენის შესახებ ვულკანურ აირებში — (ფუმაროლებში). ის იკვლევდა ღია ყვითელ ზეთოვან ნივთიერებას, რომელიც ვეზუვის ვულკანურ კრატერში აირების ნაკადებიდან ილექებოდა. ის ახურებდა ამ ვულკანურ პროდუქტს და იკვლევდა გამოყოფილი აირების სპექტრებს. მეცნიერებმა ეს განცხადება ეჭვით მიიღეს რადგან პალმიერიმ თავისი ცდა ბუნდოვნად აღწერა. მრავალი წლის შემდეგ ფუმაროლში მართლაც იპოვეს ჰელიუმისა და არგონის მცირე რაოდენობები.

ჰელიუმი აღმოჩენიდან მხოლოდ 27 წლის შემდეგ იქნა დედამიწაზე ნაპოვნი — 1895 წელს შოტლანდიერი ქიმიკოსის უილიამ რამზაის მიერ, რომელიც იკვლევდა აირის ნიმუშს რომელიც მიიღო მინერალ კლევეიტის დაშლისას, მის სპექტრში აღმოაჩინა ისევ ის ყვითელი ხაზი, რომელიც ადრე მზის სპექტრში იქნა ნაპოვნი. ნიმუში დამატებითი კვლევისათვის გაგზავნილ იქნა ცნობილ ინგლისელ მეცნიერ-სპექტროსკოპისტ უილიამ კრუქსთან, რომელმაც დაადასტურა, რომ ნიმუშის სპექტრში ყვითელი ხაზი ემთხვეოდა ჰელიუმის 3 ხაზს. 1895 წლის 23 მარტს რამზაიმ განაცხადა ჰელიუმის დედამიწაზე აღმოჩენის შესახებ ლონდონის სამეფო საზოგადოებაში, და ასევე საფრანგეთის აკადემიაში მარსელენ ბერტლოს მეშვეობით.

შვედმა ქიმიკოსებმა პერ თეოდორ კლევემ და ნილს აბრაჰამ ლენგლემ შეძლეს კლევეიტისაგან საკმარისი აირის გამოყოფა, რათა დაედგინათ ახალი ელემენტის ატომური წონა.

1896 წელს ჰენრი კაიზერმა, ზიგმუნდ ფრიდლენდერმა, ხოლო ორი წლის შემდეგ ედვარდ ჩარლზ ბელიმ საბოლოოდ დაასაბუთეს ატმოსფეროში ჰელიუმის არსებობა.

რამზაიმდე ჰელიუმი გამოყო ასევე ამერიკელმა მეცნიერმა ფრენსის ჰილებრანდმა, მაგრამ ის შეცდომით ფიქრობდა რომ მიიღო აზოტი.

მხოლოდ 1908 წელს ნიდერლანდელმა ფიზიკოსმა ჰეიკე კამრლინგ-ონესმა შეძლო თხევადი ჰელიუმის მიღება დროსელირებით (იხ. ჯოუნს-ტომსონის ეფექტი), მას შემდეგ, რაც აირი ვაკუუმში მდუღარე თხევად წყალბადში გააცივეს. დიდი ხანი უშედეგოდ ცდილობდნენ მყარი ჰელიუმის მიღებას, 0,71 ტემპერატურის დროსაც კი, რომელსაც მიაღწია გერმანელმა ფიზიკოსამა ვილემ ჰენდრიკ კეეზომიმ. მხოლოდ 1926 წელს, 35 ატმ. წნევის პირობებში და შეკუმშული ჰელიუმის გაცივებით გაუხშოებულ, გამეჩხერებულ მდუღარე ჰელიუმში, მან შეძლო კრისტალების გამოყოფა.

1932 წელს კეეზომმა გამოიკვლია თხევადი ჰელიუმის თბოტევადობის ცვალებადობის ხასიათი ტემპერატურის ცვლასთან ერთად. მან აღმოაჩინა, რომ მიახლოებით 2,19 -ისას თბოტევადობის ნელი და თანმიმდევრობითი მატება იცვლება მკვეთრი ვარდნით და თბოტევადობის მრუდი იღებს ბერძნული ასოს (ლამბდა) ფორმას. ამასთან ტემპერატურა, რომელზეც ხდება თბოტევადობის ნახტომი, მინიჭებული აქვს პირობითი სახელი „-წერტილი“. აი რას წერდა ის თავის აღმოჩენაზე ერთ-ერთ თავის მოხსენებაში:

… სითბოს ისეთი რაოდენობა, რომელიც ფაქტობრივად გადაჰქონდა, ფიზიკური შესაძლებლობების მიღმა მდებარეობს, რომ სხეულს ფიზიკის არც ერთი კანონით არ შეუძლია გადაიტანოს უფრო მეტი სითბო ვიდრე, მისი სითბური ენერგია გამრავლებულს ბგერის გავრცელების სიჩქარეზე. თბოგამტარობის ჩვეულებრივი მექანიზმით სითბოს გადატანა ამ მასშტაბით შეუძლებელი იყო. საჭირო იყო სხვა ახსნის ძიება.
იმის მაგივრად, რომ აგვეხსნა სითბოს გადატანა თბოგამტარობით, ანუ ენერგიის გადაცემით ერთი ატომიდან მეორეზე, მისი ახსნა შეიძლებოდა უფრო ტრივიალურად — კონვექციით, სითბოს გადატანით თვითონ მატერიაში. ხომ არ ხდება ისე, რომ გახურებული ჰელიუმი მოძრაობს ზევით, ხოლო ცივი ეშვება ქვევით, სიჩქარეების სხვაობის გამო წარმოიქმნება კონვექციური დენები, და ამგვარად ხდება სითბოს გადატანა. მაგრამ ამისათვის საჭირო იყო წარმოგვედგინა რომ ჰელიუმი თავისი მოძრაობისას მიედინება ყოველგვარი წინააღმდეგობის გარეშე. ჩვენ უკვე გვქონდა შემთხვევა, როდესაც, ელ. დენი მედინებოდა სადენებში ყოველგვარი წინაღობის გარეშე. და მე გადავწყვიტე, რომ ჰელიუმიც მოძრაობდა ყოველგვარი წინაღობის გარეშე, რომ ის არის არა ზეთბოგამტარი ნივთიერება, არამედ წარმოადგენს ზედენადს. …
… თუკი წყლის სიბლანტე ტოლია 10−2 პ, მაშინ ეს მილიარჯერ უფლო მეტად დენადი სითხეა, ვიდრე წყალი …

სახელწოდების წარმომავლობა
სახელცოდება მოდის ბერძნული სიტყვა  — „მზედან“ (ის. ჰელიოსი). საყურადღებოა ის ფაქტი, რომ სახელწოდებაში გამოყენებულია ლითონებისათვის დამახასიათებელი ბოლოსართი „-უმი“ (ლათ. „-“ — „“), რადგანაც ლოკერი ვარაუდობდა, რომ მის მიერ აღმოჩენილი ელემენტი იყო ლითონი. სხვა ანალოგიური კეთილშობილი აირის მსგავსად ლოგიკური იქნებოდა მისთვის ეწოდებინათ „ჰელიონი“ („“). თანამედროვე მეცნიერებაში სახელწოდება „ჰელიონი“ აღნიშნავს იზოტოპ ჰელიუმ-3-ის ბირთვს.

გავრცელება
სამყაროში
ჰელიუმი სამყაროში გავრცელებით მეორე ადგილზეა წყალბადის შემდეგ — მიახლოებით 23 % მასის მიხედვით. მაგრამ დედამიწაზე ჰელიუმი იშვიათია. პრაქტიკულად მთელი ჰელიუმი სამყაროში შეიქმნა დიდი აფეთქების პირველ რამდენიმე წუთში, პირველადი ნუკლეოსინთეზის დროს. თანამედროვე სამყაროში თითქმის ყველა ახალი ჰელიუმი წარმოიქმნება წყალბადის თერმობირთვული სინთეზის შედეგად ვარსკვლავებში (იხ. პროტონ-პროტონული ციკლი, ნახშირბად-აზოტური ციკლი). დედამიწაზე ის წარმოიქმნება მძიმე ელემენტების ალფა-დაშლის შედეგად (ალფა-ნაწილაკები, რომლებიც გამოსხივდება ალფა-ფაშლის დროს — ეს არის ჰელიუმ-4-ის ბირთვები). ჰელიუმის ნაწილი რომელიც წარმოიქმნება ალფა-დაშლის დროს და დედამიწის ქერქის ქანებში გამოღწეულ ჰელიუმს, მიიტაცებს ბუნებრივი აირი, რომელშიც ჰელიუმის კონცენტრაცია შეიძლება აღწევდეს მოცულობის 7 %-ს ან მეტსაც.

დედამიწის ქერქი
მერვე ჯგუფის ფარგლებში ჰელიუმს დედამიწის ქერქში შემცველობით მეორე ადგილი უჭირავს (არგონის შემდეგ).

ჰელიუმის შემცველობა ატმოსფეროში (წარმოიქმნება -ის, , დაშლის შედეგად) — მოცულობის 5,27 %, მასის 7,24 % შეადგენს. ატმოსფეროში, ლითოსფეროში და ჰიდროსფეროში ჰელიუმის მარაგი ფასდება 5 მ³. ჰელიუმშემცველი ბუნებრივი აირები შეიცავენ, როგორც წესი, მოცულობის მიახლოებთ 2 %. განსაკუთრების იშვიათად გვხვდება აირები რომელთა ჰელიუმშემცველობა აღწევს 8 — 16 %. ჰელიუმის ბევრი ნაერთი არსებობს მხოლოდ აიროვან ფაზაში - ე.წ. ექსიმერული მოლეკულების სახით, რომლებსაც გააჩნიათ სტაბილური მდგრადი აღგზნებული ელექტრონული მდგომარეობა და არამდგრადი ძირითადი მდგომარეობა. ჰელიუმი წარმოქმნის ორ ატომიან მოლეკულებს 2+, ფტორიდს , ქლორიდს (ექსიმერული მოლეკულები წარმოიქმნება ელექტრონული განმუხტვის დროს ან ჰელიუმის და ფთორის ან ჰელიუმისა და ქლორის ნარევების ულტრაიისფერი დასხივებით).

ცნობილია ჰელიუმის ქიმიური ნაერთი (შესაძლებელია, მხედველობაშია ნაერთი 7[://./80/80_5//805.).

იზოტოპები
ბუნებრივი ჰელიუმი შედგება ორი მდგრადი იზოტოპისაგან: 4 (იზოტოპური გავრცობადობა — 99,99986 %) და შედარებით იშვიათი 3 (0,00014 %; ჰელიუმ-3-ის შემცველობა ბუნებრივ წყაროებში შეიძლება მერყეობდეს საკმაოდ ფართო საზღვრებში). ცნობილია ჰელიუმის კიდევ ექვსი რადიოაქტიური იზოტოპი.

სტანდარტული ატომური მასა
ჰელიუმის სტანდარტული ატომური მასად მიღებულია — 4.0026 (4.002602), რომელიც როგორც წესი იანგარიშება ბუნებაში არსებულ ყველა სტაბილურ და შედარებით მდგრად იზოტოპტთა საშუალო შეწონილი ატომური მასით, მათი, დედამიწის ქერქსა და ატმოსფეროში გავრცელების პროპორციულად.

მიღება
მრეწველობაში ჰელიუმს იღებენ ჰელიუმ შემცველ ბუნებრივი აირებიდან (ძირითადად ამისათვის გამოიყენება საბადოები სადაც ჰელიუმის შემცველობა > 0,1 %-ზე). სხვა აირებიდან ჰელიუმს გამოყოფენ ღრმა გაყინვის მეთოდით, იმ თვისების გამოყენებით რომ ის თხევადდება ყველა აირზე ძნელად.
გაცივებას აწარმოებენ დროსელირების რამდენიმე სტადიით მისი გაწმენდით 2 და ნახშირწყალბადებისაგან. შედეგად მიიღება ჰელიუმის, ნეონისა და წყალბადის ნარევი.

ამ ნარევს, ე.წ. ნედლ ჰელიუმს, ( — 70-90 %) ასუფთავებენ წკალბადისაგან (4-5 %) -ს მეშვეობით 650—800 ტემპერატურის პირობებში.
მისი საბოლოო გაწმენდა მიიღწევა დარჩენილი ნარევის ღრმა გაცივებით 2-ის ვაკუუმში დუღილით და მინარევების ადსორბერებში აქტიური ნახშირის მეშვეობით ადსორბციით, რომლებიც თავის მხრივ ასევე ცივდებიან 2. ჰელიუმს აწარმოებენ - ტექნიკური სისუფთავის სიწმინდის (99,80 % ჰელიუმის მოცულობით) და მაღალი სიწმინდის (99,985 %).

მსოფლოში ჰელიუმის წარმოებაში ლიდერობს აშშ (140 მლნ მ³ წელში), შემდეგ — ალჟირი (16 მლნ მ³). მესამე ადგილზეა რუსეთი — 6 მლნ მ³ წელში. ჰელიუმის მსოფლიო მარაგს შეადგენს 45,6 მლრდ მ³.

ტრანსპორტირება
აიროვანი ჰელიუმის ტრანსპორტირებისათვის გამოიყენება ყავისფრად შეღებილი ფოლადის ბალონები (სტანდარტი 949-73), რომლებსაც განათავსებენ სპეციალურ კონტეინერებში. ტრანსპორტირებისათვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ყველა სახის ტრანსპორტი, მხოლოდ შესაბამისი პირობების დაცვით.

თხევადი ჰელიუმის გადასაზიდად გამოიყენება სპეციალური ტიპის სატრანსპორტო ჭურჭელი მაგ.: -10, -25 და ა.შ. რომლების ღია-რუხი ფერისა და მოცულობით შესაბამისად 10, 25, 40, 250 და 500 ლიტრისაა. გარკვეული წესების დაცვის შემთხვევაში გადაზიდვისათვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სარკინიგზო ტრანსპორტი, ასევე ავტო- და სხვა სახის ტრანსპორტი. თხევადი ჰელიუმის ჭურჭელი აუცილებლად უნდა ინახებოდეს ვერტიკალურ მდგომარეობაში.

გამოყენება
ჰელიუმის უნიკალური თვისებები ფართოდ გამოიყენება მრეწველობაში და სახალხო მეურნეობაში:
მეტალურგიაში როგორც ინერტული აირი წმინდა ლითონების გამოდნობისას;
კვების მრეწველობაში დარეგისტრირებულია როგორც საკვები დანამატი 939, როგორც პროპელენტი და შესაფუთი აირი;
გამოიყენება როგორც მაცივარი აგენტი, ზედაბალი ტემპერატურების მისაღებად (კერძოდ კი, ლითონების ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასაყვანად);
საჰაერო ხომალდების (დირიჟაბლი) შესავსებად;
სასუნთქ ნარევებში ღრმა ყვინთვის დროს (იხ. დაივინგის ბალონი);
საჰაერო ბუშტის და მეტეოროლოგიური ზონდების შესავსებად;
გაზგანმუხტვის მილაკების შესავსებად;
როგორც ბირთვული რეაქტორის თბომატარებელი ზოგი ტიპის რეაქტორებში;
გაზის ქრომატოგრაფიაში როგორც მატარებელი;
მილსადენებსა და ქვაბებში გაჟონვის მოსაძებნად (იხ. ჰელიუმის გაჟონვის საძებნი);
როგორც მუშა სხეულის კომპონენტი ჰელიუმ-ნეონის ლაზერებში;
ნუკლიდი 3 აქტიურად გამოიყენება ტექნიკაში, ნეიტრონული გაბნევაში როგორც პოლარიზატორი და შემვსები პოზიციურ-მგრძნობიარე ნეიტრონულ დეტექტორებში;
ნუკლიდი 3 წარმოადგენს პერსპექტიულ საწვავს თერმობირთვულ ენერგეტიკაში;
ხმის ტემბრის შესაცვლელად (ხმის ტონალობის ამაღლების ეფექტი) ჰელიუმისა და ჩვეულებრივი სასუნთქი ნარევის სიმკვრივის სხვადასხვაობის გამო (გოგირდის ჰექსაფტორიდის ანალოგიურად);

გეოლოგიაში
ჰელიუმი ხელსაყრელი ინდიკატორია გეოლოგებისათვის. ჰელიუმის გადაღებით შეიძლება განისაზღვროს დედამიწის ზედაპირზე სიღრმული გარდატეხები. ჰელიუმი, როგორც რადიოაქტიური ელემენტის დაშლის პროდუქტი, გამოჟონავს ბზარებსა და ნაპრალებში, აჯერებს დედამიწის ქერქის ზედა ფენას და მიემართება მაღლა ატმოსფეროში, ხოლო შემდეგ კოსმოსურ სივრცეში. ასეთი ბზარები და განსაკუთრებით მათი გადაკვეთის ადგილები ხასიათდება ჰელიუმის მაღალი კონცენტრაციით. ეს მოვლენა პირველად დაადგინა გეოფიზიკოსმა იგორ იანიცკიმ ურანის მადნის ძებნის დროს და მიღებული იქნა როგორც მეცნიერული აღმოჩენა: „ექსპერიმენტულად დადგენილია ადრე უცნობი კანონზომიერება, რომ თავისუფლად მოძრავი ჰელიუმის ანომალიური (მაღალი) კონცენტრაციის განაწილება დამოკიდებულია დედამიწის ქერქის სიღრმულ, მათ შორის მადნურ, გარდატეხებზე.“
ეს კანონზომიერება გამოიყენება დედამიწის სიღრმული აღნაგობის შესასწავლად და ფერადი და იშვიათი ლითონების მადნების საძებნელად.

ბიოლოგიური როლი
ამ დროისათვის ჰელიუმის ბიოლოგიური როლი არ არის გარკვეული.

ფიზიოლოგიური ქმედებები
ინერტული აირები ხასიათდებიან ფიზიოლოგიური ქმედებებით, რომელიც გამოიხატება მათი ნარკოტიკული მოქმედებით ორგანიზმზე. ჰელიუმის (და ნეონის) ნარკოტიკული მოქმედება ნორმალური წნევის დროს ცდებისას არაა დარეგისტრირებული, იმ დროს როცა წნევის მომატებისას ჩნდება «მაღალი წნევის ნერვული სინდრომი» .

ღირებულება
2009 წ. კერძო კომპანიებში აიროვანი ჰელიუმის ღირებულება მერყეობდა 2,5÷—3 $/მ³.
2010 წ. ევროპაში თხევადი ჰელიუმის ღირებულება იყო მიახლოებით 11 ევრო ლიტრზე.

საინტერესო ფაქტები
ჰელიუმი — არის ნივთიერება რომელსაც ყველაზე დაბალი დუღილის ტემპერატურა აქვს. ჰელიუმი დუღს −269 ° ტემპერატურაზე.
თავდაპირველად ჰელიუმი სინთეზდება მზის ბირთვში ამას შესაძლოა დასჭირდეს მილიონობით წელი როდესაც წყალბადი გარდაიქმნება ჰელიუმად.
ჰელიუმი მეორე ყველაზე მსუბუქი ელემენტია წყალბადის შემდეგ ის ჰაერზე მჩატეა ამიტომაცაა რომ ჰელიუმის ბუშტები ჰაერში დაფრინავს.