Helium

Helium (He) – D.İ.Mendeleyevin elementlərin dövri sistemində 2-ci elementdir. Rəngsiz, iysiz, dadsız, zəhərsiz, inert monoatomik qazdır, cədvəldə təsirsiz qazlar yarımqrupunda ilk elementdir. Helium bütün elementlər arasında ən aşağı qaynama və ərimə temperaturuna malikdir. Onu, yalnız 25·105 Pa təzyiq altında bərk hala keçirmək olur. Heliumun yalnız bir energetik səviyyəsi var və bu səviyyə təmamilə dolub. Bu səbəbdən helium təsirsiz qazdır və inert qazlar siyahısında birincidir. Heliumun adı Günəşi himayə edən yunan titanı Heliosun şərəfinə qoyulub. Buna səbəb helium elementinin günəş işığında kəşf edilməsidir.

 Tarixi 

 Kəşfi 
Heliumun qalıqlarına ilk dəfə  18 Avqust 1868-ci ildə Günəşin xromosferinin spektrində 587.49 nanometr dalğa uzunluğu olan parlaq sarı bir xətt olaraq rast gəlindi. Xətt, Hindistanın Guntur şəhərində günəş tutulması zamanı fransız astronomu Jül Janssen tərəfindən aşkar edilmişdir. Bu xəttin əvvəlcə natrium olduğu ehtimal edildi. Elə həmin il oktyabrın 20-də İngilis astronomu Norman Lockyer günəş spektrində sarı bir xətt müşahidə etdi. O bu xəttə D 3 adını verdi, çünki məlum D 1 və D 2 Fraunhofer xəttləri yaxınlığında idi. Bunun Yer kürəsində bilinməyən Günəşdəki bir elementin səbəb olduğu qənaətinə gəldi.İngilis kimyaçı Edward Frankland  bu elementə Helium,(ἥλιος yunanca Helios- günəş titanı)   adını verdi.

1881-ci ildə, İtalyan fiziki Luigi Palmieri, Vezuvi vulkanının son püskürməsi zamanı sublimasiya edilmiş bir materialı təhlil edərkən ilk dəfə D 3 spektral xətti ilə Yerdəki heliumu aşkar etdi. 
26 mart 1895-ci ildə Şotlandiyalı kimyaçı ser William Ramsay, klivit mineralını( tərkibində ən azı 10%  torpaq elementi olan  uraninit mineralı ) mineral turşuları ilə reaksiyaya daxil edərək heliumu mineraldan təcrid etdi və yer üzündəki heliumu əldə etdi. Ramsay mineralda argon axtarırdı, amma azot və oksigen  sulfat turşusu ilə qazdan ayrıldıqdan sonra Günəşin spektrində müşahidə olunan D 3 xəttinə uyğun bir parlaq sarı xətt gördü. Bu nümunələr Lockyer və İngilis fiziki William Crookes  helium olaraq təyin olundu.See: Eyni ildə kimyəvi maddələr, atom ağırlığını dəqiq müəyyənləşdirmək üçün kifayət qədər qaz toplayan İsveçin Uppsala şəhərində kimyaçılar Per Teodor Cleve və Abraham Langlet tərəfindən müstəqil şəkildə ayrıldı. Helium, amerikalı geokimyaçı William Francis Hillebrand tərəfindən, Ramsay'ın kəşfindən əvvəl, mineral uraninit nümunəsini sınayarkən qeyri-adi spektral xətləri görəndə kəşf edilmişdi.  LakinHillebrand  xətləri azotla əlaqələndirmişdi.

1907-ci ildə Ernest Rutherford və Tomas Royds, hissəciklərin boşaldılmış bir borunun nazik, şüşə divarına nüfuz etməsini və sonra boruda boşalma yaratmağa və içərisindəki yeni qazın spektrini öyrənməyə imkan verərək alfa hissəciklərinin helium nüvələr olduğunu nümayiş etdirdi. 1908-ci ildə helium ilk dəfə Hollandiyalı fizik Heike Kamerlingh Onnes tərəfindən qazı beş kelvin- dən az soyudaraq mayeləşdirildi.Onnes, H. Kamerlingh (1908) "The liquefaction of helium," Communications from the Physical Laboratory at the University of Leiden, 9 (108) : 1–23. Temperaturu daha da azaltmaqla onu bərkitməyə çalışdı, lakin uğursuz oldu, çünki helium atmosfer təzyiqində qatılaşmırdı.  Onnesin tələbəsi Willem Hendrik Keesom, 1926-cı ildə əlavə xarici təzyiq tətbiq edərək 1 sm3 heliumu bərkitməyə müvəffəq oldu.See:

1938-ci ildə rus fiziki Pyotr Leonidoviç Kapitsa, helium-4- in mütləq sıfıra yaxın olan temperaturda demək olar ki, heç bir viskoziteye malik olmadığını, artıq superflik fenomenini teoremini irəli sürdü. Bu fenomen Bose-Eynşteyn kondensasiyası ilə əlaqədardır. 1972-ci ildə eyni fenomen helium-3- də müşahidə edildi, lakin mütləq sıfıra daha yaxın olan temperaturda Amerika fizikləri Duqlas D. Osheroff, David M. Li və Robert C. Richardson tərəfindən edildi .

 İstehsalı və tətbiqi 
1903-cü ildə Kanzasda bir qazma əməliyyatından sonra yanıcı olmayan bi qaz sızması baş verir, Kanzas əyalət geoloqu Erasmus Haworth sızan qazdan nümunə toplayaraq onları kimyaçı Hemmiltonun köməyi ilə Lourensdəki Kanzas Universitetinə apardı. Cady və David McFarland, qazın həcmi ilə 72% azotdan, 15% metandan (yalnız kifayət qədər oksigen ilə yanan bir faiz), 1% hidrogendən və 12% -i bilinməyən qazdan ibarət olduğunu kəşf etdi. Əlavə təhlillərlə, Cady və McFarland qaz nümunəsinin 1.84% -nin helium olduğunu tapdı. Bu, Yerdəki ümumi həcminə görə az olmasına baxmayaraq, heliumun Amerika Böyük Düzənliklərinin altında təbii qazın əlavə məhsulu kimi çıxarmaq üçün çox miqdarda cəmləşdiyini göstərdi.

Bu, Birləşmiş Ştatlara dünyada heliumun aparıcı istehsalçı olmağa zəmin yaratdı.  Sir Richard Threlfallın bir təklifindən sonra Birləşmiş Ştatların Hərbi Dəniz Qüvvələri Birinci Dünya müharibəsi dövründə üç kiçik eksperimental helium zavoduna sponsorluq etdi. Məqsəd baraj balonlarını hava olmayan, daha yüngül olan qazla təmin etmək idi. Əvvəllər bir kubmetrdən az qaz alınmasına baxmayaraq proqramda ümumilikdə 5.700 m3 (% 200,000 kub fut) 92% helium istehsal edildi. Bu qazın bir hissəsi dünyadakı ilk helium dolu havagəmisində istifadə edildi  Təxminən iki il əvvəl Hərbi Dəniz Qüvvələrinin ilk sərt helium dolu hava gəmisi olan Dəniz Təyyarə Zavodunda nşa edilmiş USS Shenandoah, 1923-cü ilin sentyabrında uçdu.

Birinci Dünya müharibəsi dövründə aşağı temperaturlu qaz mayeləşdirməsindən istifadə etməklə hasilat prosesi vaxtında əhəmiyyətli olmasa da, istehsal davam etdi. Helium, ilk növbədə, havadan daha yüngül sənətkarlıqda qaldırıcı qaz kimi istifadə olunurdu. İkinci Dünya müharibəsi dövründə qazın qaldırılması və ekranlı qövs qaynağı üçün heliuma tələbat artdı. Heliumun ilk nüvə silahı olan Manhetten Layihəsində də əhəmiyyətli rol oynayırdı.

Amerika Birləşmiş Ştatları hökuməti, sülh dövründə müharibə və ticarət təyyarələri ilə hərbi gəmilər təmin etmək məqsədi ilə , 1925-ci ildə Texas ştatının Amarillo şəhərində Milli Helium Qoruğu yaratdı. 1925-ci ildə Helium Qanununa görə, ABŞ-nin hasilat inhisarına sahib olduğu heliumun ixracını qadağan etdikdən sonra bütün Alman drijablları kimi Hindenburg da hidrogen istifadə etməyə məcbur oldu.  İkinci Dünya müharibəsindən sonra helium bazarı depressiyaya uğradı, ancaq 1950-ci illərdə Kosmik Yarış və Soyuq Müharibə dövründə oksigen / hidrogen raket yanacağını (digər istifadələr arasında) yaratmaq üçün soyuducu olaraq maye helium tədarükünü təmin etmək üçün ehtiyat genişləndirildi. 1965-ci ildə ABŞ-də Helium istifadəsi ən yüksək döyüş dövrü istehlakının səkkiz qatından çox idi.

 Xüsusiyyətlər 

 Atom quruluşu 
Helium, iki proton və (adətən) iki neytrondan ibarət olan nüvəyə və onun ətrafında dönən iki elektrona sahipdir. Bir energetik səviyyəsi və bu səviyyədə yerləşən iki elektron orbitalı var. Hər iki orbitalda dolduğundan helium aşağı elektromənfiliyə sahipdir və nəcib (inert) qazlar qrupuna daxildir. Helium neondan sonra ikinci ən az aktiv elementdir və normal təsirdə heç bir elemetlə reaksiyaya girmir.

 Aqreqat halları 
Heliumun nisbətən aşağı molyar (atom) kütləsi olduğundan, onun istilik keçiriciliyi, xüsusi istilik və qaz fazasında səs sürəti hidrogendən başqa bütün digər qazlardan daha yüksəkdir. Bu səbəblərə və helium monatomik molekulların kiçik ölçüsünə görə, helium bərk maddələrlə havadan üç qat və hidrogendən 65 qat nisbətində diffuziya edir . 
Xaricdənkənar helium, plazma vəziyyətində olur, xassələri atom heliumundan çox fərqli olur. Bir plazmada, heliumun elektronları öz nüvəsinə bağlanmır, nəticədə qaz yalnız qismən ionlaşmış olsa belə, çox yüksək elektrik keçiriciliyi yaranır. Şarj edilmiş hissəciklər maqnit və elektrik sahələrinə yüksək təsir göstərir.

Hər hansı digər elementdən fərqli olaraq, helium normal təzyiqlərdə mütləq sıfıra qədər maye olaraq qalacaq. Bu kvant mexanikasının birbaşa təsiridir: konkret olaraq, sistemin sıfır nöqtəli enerjisi donmağı təmin etmək üçün çox yüksəkdir. Qatı helium 1-1.5 °K (-272 °C)  temperatur və 2,5 MPa təzyiq  tələb edir.  Tez-tez bərk və maye heliumu ayırmaq çətindir, çünki iki aqreqat halı refraktiv göstəricisi təxminən eyni olur. Qatı hal kəskin bir ərimə nöqtəsinə malikdir və kristal quruluşa malikdir, lakin yüksək sıxışdırıcıdır ; bir laboratoriyada təzyiq tətbiq etmək, həcmini 30% -dən çox azalda bilər.  Təxminən 27 MPa  həcmli modul ilə sudan ~ 100 qat daha sıxışdırılır. Qatı heliumun 0.214± 0,006 sıxlığı var    . Daha yüksək temperaturda, helium kifayət qədər təzyiqlə qatılaşacaqdır. Otaq temperaturunda bunun üçün 114.000 atm tələb olunur.  

 İzotoplar 
Heliumun 9 bilinən izotopu vardır. Ama ən geniş yayılanlar 3He və 4He-dür. Yer atmosferində bir 3He atomu bir milyon 4He atomuna uyğun gəlir. Ən geniş yayılmış izotop olan helium-4 yer üzündə daha ağır radioaktiv elementlərin alfa parçalanması ilə istehsal olunur; ortaya çıxan alfa hissəcikləri tam ionlaşmış helium-4 nüvələridir. Helium-4 qeyri-adi bir nüvədir, çünki onun nüvəsi tam qabıqlara yerləşdirilmişdir . Big Bang nukleosintezi zamanı da çox miqdarda əmələ gəlmişdir. 
Helium-3 Yerdə yalnız iz miqdarında mövcuddur. Bəzi hissəsi Yerin yaranmasından bəri mövcuddur, baxmayaraq ki, bəziləri kosmik tozlar vasitəsilə yerə gəlir.  Bir qismi tritiumun beta çürüməsi ilə də istehsal olunur.    Helium-3 nüvə birləşməsinin məhsulu kimi ulduzlarda daha çoxdur.

Maye helium-4, 1 K-lik bir temperaturda buxarlandırıcı soyutma istifadə edərək təxminən 1 kelvine qədər soyudula bilər. Daha az qaynama nöqtəsi olan helium-3-in oxşar soyutması təxminən 0.2 K qədər çata bilər. 

 Birləşmələr 
Helium sıfır bir valentliliyə malikdir və bütün normal şəraitdə kimyəvi cəhətdən təsirsizdir. İonlaşmayan bir elektrik izolyatorudur.  Helium, bir parıltı axıdılmasına məruz qaldıqda, elektron bombardmanına məruz qaldıqda və ya digər üsullarla plazmaya düşdükdə volfram, yod, flüor, kükürd və fosfor olan eksimerlər kimi tanınan qeyri-sabit birləşmələr yarada bilər. HeNe, HgHe10 və WHe2 molekulyar birləşmələri bu şəkildə yaradılmışdır.

 İstinadlar 

Kateqoriya:Kimyəvi elementlər
Kateqoriya:Təsirsiz qazlar