آشنایی با گازهلیوم و کاربردهای آن

گاز هلیوم  کوچکترین عضو خانواده گازهای نجیب (بی اثر) در جدول تناوبی است که از نظر واکنش پذیربودن بعد از نئون است و در همه ی شرایط استاندارد تک اتمی باقی می ماند. فرمول شیمیایی آن He و عدد اتمی ۲ است از مشخصات عمومی آن می توان به بی بو، بی رنگ، بی مزه، غیرسمّی و خنثی بودن آن اشاره کرد.معمولا به صورت گازی است و به عنوان یک منبع تجدید ناپذیر است که با آزاد شدن آن در اتمسفر امکان بازگشت آن وجود ندارد.

تاریخچه گاز هلیوم

هلیوم از واژه ی یونانی هلیوس به معنای (خدای خورشید) گرفته شده. در زمان خورشیدگرفتگی سال 1868 دو شیمیدان از کشورهای انگلیس و فرانسه هم زمان طیف ناشناخته ای با خط زرد رنگ در طیف سنجی نور خورشید مشاهده کردند که سبب کشف هلیوم شد.

در سال 1895دو شیمیدان سوئدی از کانی کلویت(کانی پرتوزای اورانیوم) هلیوم را جداسازی کردند.چون انتظار می رفت فلز باشد به آن پسوند ium- داده شد که حتی با مشخص شدن اینکه هلیوم عنصری غیرفلزی است، این نام برای آن باقی ماند.
رادفورد و توماس رویدز هم در سال 1907 اثبات کردند که ذره های آلفا همان هسته ی هلیوم هستند!

مطالعه بیشتر :خرید آرگون مایع 

مشخصات فیزیکی و شیمیایی هلیوم

هلیوم مشخصات گسترده­ای دارد که به دو بخش فیزیکی و شیمیایی تقسیم ­بندی می­شود و به شرح زیر است:

مشخصات فیزیکی

همان‌طور که پیش­تر گفتیم، هلیوم گازی بی­رنگ، بی ­بو و بی­ مزه و دارای تعدادی خواص غیرمعمول است. همچنین دارای کمترین نقطه‌جوش در بین هر عنصر، -268.9 درجه سانتی‌گراد (-452.0 درجه فارنهایت) است. یکی دیگر از مشخصات فیزیکی گاز هلیوم به نقطه انجماد مربوط می­شود که دارای نقطه انجماد هلیوم 272.2- درجه سانتی‌گراد (458.0- درجه فارنهایت) است. هلیوم تنها عنصری است که به سادگی با کاهش دما به جامد تبدیل نمی­شود؛ همچنین برای تبدیل شدن گاز به گاز باید فشار را افزایش داد.

مشخصات شیمیایی

این عنصرکمتر از هر عنصر دیگری در آب حل می­شود. همچنین واکنش‌پذیری کمی دارد و اساساً ترکیبات شیمیایی را تشکیل نمی­دهد. چگالی و ویسکوزیته بخار این عنصر کمترین مقدار ممکن است. هدایت حرارتی و محتوای کالری فوق‌العاده بالایی دارد که  می­توان آن را به مایع تبدیل کرد؛ اما دمای تراکم آن در بین تمام مواد شناخته‌شده کمترین است.

جدول مشخصات فنی

نحوه تولید گاز هلیوم

گاز هلیوم بعد از گاز هیدروژن فراوان ترین عنصر جهان است ولی در هوای کره زمین بسیار کمیاب است و بخش عمده ی آن در خارج از جو زمین و در کیهان می باشد. هلیوم موجود درخاک زمین نتیجه ی واپاشی هسته ای طبیعی در عنصرهای مثل اوارنیوم و توریم است. هلیومی که بدین روش بدست می آید آغشته با گاز طبیعی است که می توان به روش تقطیر جزء به جزء گاز هلیوم خالص را استخراج کرد.” میدان گازی ایالات متحده ” یکی از مهمترین منبع تولید گاز هلیوم در جهان است.

در کشور ما گازهلیوم وارداتی است و معمولا در کپسول های 50 لیتری و  فشار 150 تا 200 بار با  خلوص 99.999% ( گرید 5) ،  99.9999% (گرید 6) و  99.9995% (گرید 5.5) در بازار عرضه میگردد.

نگهداری گاز هلیوم

گاز هلیوم در فشار استاندارد، در دمای کمتر از 270- درجه سانتی گراد یا 4 کلوین تبدیل به مایع می شود. در فشار های بالاتر نیز می توان با وجود دمای بالا هلیوم را به صورت مایع تبدیل کرد.  مخازن نگهداری ازگاز هلیوم بایدبرای استفاده در دماهای کرایوژنیک مناسب باشد. لوله ها و اتصالات باید طوری طراحی شود تا بتوانند به راحتی فشار بالا و دمای پایین را تحمل کنند.

اغلب مخازن هلیوم به صورت دوئر با ظرفیت هایی در رنج 30تا 500 لیتر استاندارد شده اند. همچنین مخازن کرایوزنیک در اندازه های 5000 تا 11000 گالن نیز هستند که شامل یک فضای حلقوی عایق با خلاء و محافظ نیتروژن و عایق چند لایه(M.L.I) هستند. این عایق از لایه های پیچیده شده از آلمینیوم و فایبرگلس (PET)و مایلر (mylar) تشکیل شده است. MLI امروزه دارای کاربردهای فراوانی در این زمینه است. عایق های چندلایه دارای سپرهایی با ضریب بازتاب بالا جهت کاهش تشعشع عبوری و ضریب نشر مادون قرمز (low infrared (IR)) بسیار پایین هستند.

مطالعه بیشتر : قیمت نیتروژن مایع

کاربردهای گاز هلیوم چیست؟

همه روزه شاهد پیشرفت چشمگیر علم در به کارگیری این عنصر گرانبها هستیم تا جایی که انتظار می رود از هلیوم به عنوان ابرخنک کننده در دنیا استفاده گردد! در این مقاله به بخش مختصری از کاربردهای گاز هلیوم می پردازیم:

بالابرنده ی بالن هاو کشتی های هوائی

نخستین کاربرد هلیوم بعد از کشف آن در زمین استفاده از آن به عنوان گازبالابربود.چگالی گاز هیدورژن کمتر از هواست. هلیوم دومین عنصر سبک بعد از هیدروژن است. بعد از جنگ جهانی اول به عنوان گاز بالابر برای بادکنک، بالون، بالون‌های هواشناسی، کشتی‌های هوایی و بالن‌های هوایی از هلیوم استفاده شد. با وجود اینکه شناوری گاز هلیوم کمتر از هیدروژن است اما به دلیل اینکه هلیوم قابل اشتعال نیست استفاده از آن به عنوان گاز بالابرنده اولویت دارد.

گاز هلیوم بادکنک

یکی از کاربردهای روزمره برای این گاز استفاده از هلیوم در بادکنک ها می باشد.

سرمازایی با هلیوم

گاز هلیوم یک خنک‌کننده فوق‌العاده است که برای سرمازایی در تصویرسازی تشدید مغناطیسی(MRI)، شتاب‌دهنده‌های ذرات، طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای(NMR) برخورد دهنده‌های درونی بزرگ (LHC)، دستگاه تداخل ابررسانا کوانتومی(SQUID)، تشدید پارامغناطیسی اسپین الکترون(ESR)، ذخیره انرژی مغناطیسی با ابررسانایی(SMES)، انتقال برق، حمل صفحات مغناطیسی، سنسورهای ابررسانا، طیف‌سنجی جرمی، آهنرباهای ابررسانا، میدان قوی جداکننده مغناطیسی، آهنرباهای ابررسانا در زمینه تریل برای راکتورهای همجوشی و دیگر تحقیقات سرماشناسی به کار می‌رود. هلیوم مواد ابررسانا و آهن‌رباهای ابرمغناطیسی را در دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کند، بنابراین مقاومت الکترونیکی ابررسانا به طور ناگهانی تا صفر کاهش می‌یابد. مقاومت الکترونیکی بسیار پایین در ابررساناها آنها را قادر به تولید میدان مغناطیسی قوی‌تر می‌کند. در مورد تجهیزات MRI  در بیمارستان، هر چقدر میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، جزئیات بیشتری در اسکن تصویری ظاهر می‌شود.

جوشکاری قوس پلاسما

گاز هلیوم به عنوان گاز محافظ در جوش قوس الکترونیکی و جوشکاری قوسی پلاسما استفاده می‌شود. اتمسفر محافظتی گاز هلیوم در اطراف مکان جوشکاری مانع از اکسید شدن فلزات در حالت مذاب می‌شود. پتانسیل یونیزاسیون بالای هلیوم به جوشکاری قوسی پلاسما این امکان را می‌دهد که با فلزات عجیبی مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، منیزیم و آلومینیوم، آلیاژهای مورد استفاده در ساخت و ساز، کشتی سازی و هوا فضا کار کند. هلیوم به عنوان گاز محافظ می‌تواند با آرگون یا هیدروژن جایگزین شود، اگر چه برای جوشکاری قوسی پلاسمای مواد خاصی مانند تیتانیوم، هلیوم قابل جایگزینی نیست، زیرا هلیوم تنها گازی است که استفاده از آن در آن دمای فعالیت بالا به اندازه کافی امنیت دارد.

تشخیص نشت در ابزارهای فوق العاده حساس با هلیوم

اولین بار از هلیوم در پروژه مانهاتان استفاده شد تا نشت در کارخانه‌های غنی‌سازی اورانیوم را پیدا کند. هلیوم کوچکترین اندازه ملکولی را دارد و ملکول تک اتمی است، بنابراین به راحتی از کوچکترین مکان‌های نشت عبور می‌کند. در طول مرحله تشخیص نشت، شی با  هلیوم پر می‌شود و در این مورد از طیف‌سنج جرمی هلیوم استفاده می‌شود که مکان نشت را شناسایی ‌کند. برای شناسایی نشت در راکت‌ها، مخزن سوخت، تبادل گرما، خطوط گاز، ابزارهای الکترونیکی مختلف، لوله‌های تلویزیونی و…از هلیوم استفاده می‌شود. جایگزین هلیوم در شناسایی نشت می تواند هیدروژن یا نیتروژن یا ترکیب آن دو باشد.

 هلیوم، گاز حامل در دستگاه کروماتوگرافی گازی

کروماتوگرافی مجموعه‌ای از اصطلاحاتی است که برای تکنیک‌های آزمایشگاهی در جداسازی مخلوط استفاده می‌شود. کروماتوگرافی به طور گسترده برای تحلیل کیفی و کمی در آزمایشگاه‌ها و فرآیندها به کار می‌رود.

گاز هلیوم به دلیل بی اثربودن و درجه خلوص بالا به عنوان گاز حامل و گاز پاکسازی در کروماتوگرافی گازی کاربرد دارد.

تولید مواد نیمه‌هادی

هلیوم هدایت گرمایی و گرمای ویژه بسیار بالایی دارد به همین دلیل در تولید مواد نیمه هادی مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال به عنوان آستر در میله‌های تولید صفحات نمایش LCD و در طول فرآیند پردازش چیپ‌های نیمه‌هادی، برای مقابله با سرخ‌شدگی مخازن استفاده می‌شود. به علاوه، هلیوم در زمان رشد بلورهای سیلیکون و ژرمانیم، به عنوان گاز محافظ و خنک‌کننده استفاده میگردد.

تولید فیبر نوری

دمای پایین و بی‌اثری هلیوم  آن را گزینه‌ای ایده‌آل برای سردسازی سریع رشته‌های سلیسی در لوله خنک‌کننده تبدیل کرده است. همچنین به دلیل هدایت حرارتی و گرمای ویژه بسیار بالای آن به عنوان خنک‌کننده در طول فرآیند تولید کابل فیبر نوری کاربرد فراوانی دارد.

مخلوط تنفسی در غواصی

هلیوم حلالیت بسیار کمی در آب و خون دارد و به سختی در بافت های عصبی حل می شود به همین دلیل در غواصی در آب‌های عمیق در عمق بیش از 30متر استفاده می‌شود،همچنین به دلیل چگالی پایین هلیوم برای تنفس راحت تر در اعماق از ترکیبات هلیوم و اکسیژن استفاده می شود. در عمق های بالاتر از 150 متر، هیدروژن هم به ترکیب هلیوم و اکسیژن اضافه میگردد. مخلوط تنفس هلیوم/اکسیژن مانند هیلیر، تریمیکس و هلیوکس به جای ترکیب‌های تنفسی اکسیژن/نیتروژن استفاده می‌شوند، تا مانع از خواب نیتروژنی یا ایجاد نیتروژن درخون بشوند. به علاوه، هلیوم منجر به فرسایش تجهیزات نشده و غیرسمی است.

اسپری‌ پوشش‌های فلزی

هلیوم به دلیل داشتن سرعت بالای صوت و بی اثر بودن به عنوان گاز حامل پودر برای اسپری حرارتی و اسپری سرد استفاده می‌شود. اسپری حرارتی و اسپری سرد، معمولاً به صورت اسپری پوشش فلزی شناخته می‌شوند. فرآیند پوشش‌دهی فلزی، فرایندی است که در آن دسته وسیعی از فلزات و سرامیک‌ها می‌توانند با سرعت بالا بر سطح ماده‌ی دیگری اسپری شوند تا پوشش فلزی را روی آن ایجاد کنند.

لیزر و نورپردازی

هلیوم به عنوان گازی کاربردی در لیزرها و نورپردازی استفاده می‌شود.  گاز تشدیدکننده هلیوم در لیزرهای گازی مانند لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهای CO2 و لیزرهای بخار فلزاتی مانند لیزر بخار فلزی هلیوم کادمیوم استفاده می‌شود. هلیوم در لیزر برای ایجاد هیجان استفاده می‌شود. لیزرهای مختلف با گاز کاربردی هلیوم برای تحقیقات علمی، تداخل، هولوگرافی، طیف سنجی، اسکن بارکد، هم‌ترازی، جراحی لیزری چشم، نمایش اپتیکال، چاپ، حروف‌چینی، جوش و برش استفاده می‌شوند. اغلب لیزرهای هلیوم-نئون اکنون با لیزرهای دیودی ارزان‌تر جایگزین شدند. به علاوه هلیوم رنگ سفید تا نارنجی از خود ساطع می‌کند و به عنوان گاز کار در چراغ‌های تخلیه گازکاربرد دارد این لامپ ها توسط هنرمندان و برای اهداف نورپردازی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند

تلسکوپ

گاز هلیوم در تلسکوپ‌های خورشیدی به کار می‌رود. هلیوم تاثیرات انحرافی حاصل از حرارت بین‌ لنزها را در بعضی از تلسکوپ‌ها کاهش می‌دهد، زیرا شاخص انکسار فوق العاده کم و هدایت حرارتی بالایی دارد.

هارد درایوها

گازهلیوم در تعدادی از هارد درایوها استفاده می‌شود. هارد درایوها با هلیوم پر می‌شوند تا به مقدار زیاد دیسک‌ها و قابلیت ذخیره داده بالا دست یابند. هلیوم یک هفتم چگالی هوا را دارد، بنابراین قدرت مکانیکی در کشش هوا و برش هوا را کاهش می‌دهد. به علاوه، به دیسک‌های چرخان اجازه می‌دهد تا به یکدیگر نزدیک‌تر شوند. به خاطر وجود گاز هلیوم، دیسک‌های گردان انرژی کارآمد بیشتری دارند، زیرا به قدرت موتور کمتر و فرآیند سردسازی کمتری نیاز دارند.

نگهداری واکسن

واکسن های کرونا باید در دمای نزدیک به یخ زدگی نگهداری شوند و برای همین، حمل درست آن ها به کار سخت دولت ها تبدیل شده است از این رو از هلیوم و نیتروژن مایع جهت انتقال واکسن استفاده می شود.

از این رو گاز هلیوم یکی از انتخاب های شرکت های معروف واکسن سازی دنیا مانند مدرنا برای انتقال محصولات خود بود.

فراوانی گاز هلیوم

گاز هلیوم دومین عنصر فراوان در جهان بوده که به سرعت در حال تمام‌شدن است. این عنصر تنها عنصر جدول تناوبی است که به‌عنوان یک منبع تجدیدناپذیر روی زمین در نظر گرفته می­شود. این عنصر در اعماق زمین از طریق تجزیه رادیواکتیو طبیعی عناصری مانند اورانیوم و توریم تولید می‌شود.

ایزوتوپ های گاز هلیوم

هلیوم یک عنصر بی­اثر بوده که ردیاب عالی برای فرآیندهای ماگمایی است. دو ایزوتوپ مهم در این عنصر وجود دارد؛ هلیوم-3 ( 3 He) که در اعماق گوشته زمین ذخیره می­شود، جایی‌که در طول شکل­گیری زمین به دام افتاده است و هلیوم-4 ( 4 He) که در طی واپاشی رادیواکتیو تولید می­شود. اورانیوم و توریم، دو عنصری که معمولا در پوسته زمین یافت می­شوند.

خطرات گاز هلیوم

هر عنصری در کنار مزایا یک‌سری مضرات نیز دارد. گاز هلیوم به‌عنوان عنصری کاربردی خطرات کمی دارد که شامل موارد زیر است:

• خطر خفگی: این عنصرسمی نیست؛ زیرا یک عنصر بی­اثر است. با این‌حال، هنگامی که به‌جای هوای معمولی استنشاق می­شود، می­تواند خفه‌کننده باشد. این موضوع به‌عنوان خفگی گاز بی­اثر شناخته می‌شود .
• خطر آمبولی یا پارگی ریه: تنفس بیش‌ازحد عمیق یا مستقیم این عناصر از سیلندر گاز بسیار خطرناک است. گاز تحت‌فشار می­تواند باعث آمبولی شود. آمبولی انسداد یک رگ خونی است که در این حالت به‌دلیل حباب گاز ایجاد می­شود.
• علائم هیپوکسی: هیپوکسی در نتیجه وضعیتی است که بدن از اکسیژن کافی محروم شود. هیپوکسی عمومی می­تواند باعث سرگیجه، بی­نظمی، عملکرد غیرطبیعی قلب، بیهوشی و حتی مرگ شود.

تنفس گاز هلیوم

علاوه‌بر خطرات فیزیکی مستقیم تنفس گاز هلیوم، این عنصر می­تواند اعتیادآور نیز باشد. درحالی‌که بسیاری از مردم، همان‌طور که قبلاً ذکر شد، ممکن است تنها هلیوم را از بادکنک تنفس کنند. بسیاری از افراد دیگر این کار را برای اهداف بلندکردن انجام می­دهند. این عنصر یک ماده استنشاقی یا گاز فرار است و بخاری تولید می­کند که در صورت تنفس می­تواند فرد را بیمار کند.

پس از تنفس و جذب آن توسط ریه‌ها، اثرات یک ماده تنفسی را می‌توان در عرض چند ثانیه احساس کرد و باعث می‌شود فرد احساس هیجان یا شادی کند. با این‌حال، از آنجایی‌که این حس فقط چند دقیقه طول می‌کشد، بسیاری از کاربران ساعت‌ها هلیوم را تنفس می‌کنند تا این میزان شادی را حفظ کنند و خود را در معرض خطر بسیار بالاتری برای آسیب یا حتی مرگ در این فرآیند قرار می‌دهند.

قیمت خرید و فروش گاز هلیوم

قیمت خرید و فروش گاز هلیوم کاملا بستگی به درجه و نوع آن دارد. قیمت این عناصر ثابت نیستند و ممکن است در هر فروشگاهی از کشور یک قیمت متفاوت به شما بدهند. همچنین نوسانات بازار و تغییرات میزان عرضه و تقاضا محصول هم بر قیمت نهایی این محصول موثر است .

کوچکترین عنصر نجیب کدام است

کوچکترین عنصر نجیب هلیوم می باشد. 

سخن پایانی

در محتوای بالا به‌صورت کاملا جامع به مشخصات فیزیکی و شیمیایی، فراوانی، خطرات و قیمت گاز هلیوم اشاره کردیم که با مطالعه آن می‌توانید نسبت به این گاز اطلاعات خود را تکمیل‌تر کنید. قیمت خرید و فروش این عنصر در دست نیست و با توجه به نوسانات، قیمت آن بالا و پایین می­رود. همچنین کار با گاز هلیوم علیرغم کاربردهای گسترده ان میتواند خطراتی را ایجاد کند فلذا پبش از تهیه و کار با این محصول از تمام خطرات ان و نکات ایمنی لازم مربوط به ان اطلاع لازم را کسب کنید.

مطالعه بیشتر :قیمت اکسیژن مایع

مطالعه بیشتر :مخزن اکسیژن بیمارستانی

مطالعه بیشتر : مخزن گاز مایع

مطالعه بیشتر : مخزن نیتروژن مایع