הליום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
- הליום - מימן
 

He
Ne  
 
 
He-TableImage.svg
כללי
מספר אטומי 2
סמל כימי He
סדרה כימית גזים אצילים
צפיפות 0.1785 kg/m3
מראה
חסר צבע
Liquid helium Rollin film.jpg
הליום כנוזל-על
תכונות אטומיות
משקל אטומי 4.002602 amu
רדיוס ואן דר ואלס 140 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר גז
טמפרטורת ניזול 4.22K (-268.93°C)
שונות
קיבול חום סגולי 5193 J/(kg·K)
מוליכות תרמית 0.152 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה 2372.3 kJ/mol

הליום (Helium) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי He ומספרו האטומי 2. מצוי בטבע בצורת גז חד-אטומי, בשל היותו גז אציל. זהו גז חסר צבע ונטול ריח. נקודת רתיחתו היא הנמוכה ביותר, והוא מתמצק רק תחת לחץ רב. ההליום הוא היסוד השני הנפוץ ביותר ביקום, אחרי המימן. בשל משקלו הסגולי הנמוך מזה של האוויר, הליום משמש למילוי בלונים וספינות אוויר.

מידע כללי[עריכת קוד מקור | עריכה]

הליום על-נוזלי מטפס לתוך מבחנה

ההליום הוא גז חסר צבע וריח ובעל קיבול חום סגולי גבוה מאוד. הוא אינו מסוכן לאדם, והכי פחות פעיל מכל היסודות. בתנאי החדר, הוא מתנהג בדומה לגז אידאלי. הליום מסוגל ליצור תרכובות בלתי־יציבות עם טונגסטן, יוד, פלואור, גופרית וזרחן כשמופגז באלקטרונים. בצורה זו יוצרו התרכובות HeNe, HeF2, WHe2 והיונים He2+, HeH+ וHeD+ (כאשר D הוא דאוטריום). בתנאי לחץ וטמפרטורה רגילים הליום קיים רק כמולקולה חד־אטומית במצב צבירה גזי.

להליום נקודת הקיפאון הנמוכה ביותר, והוא החומר היחיד שאינו מתמצק כלל בלחץ אטמוספירי, גם לא בטמפרטורת האפס המוחלט. הליום מוצק, המתקבל רק בלחצים גבוהים מאוד, הנו חסר צבע, כמעט בלתי נראה ודחוס מאוד.

הליום הוא מהגזים המעטים בעלי מקדם ג'ול-תומסון שלילי בתנאי לחץ וטמפרטורה סטנדרטיים. פירוש הדבר שכאשר מניחים לו להתפשט מלחץ גבוה ללחץ נמוך, הגז מתחמם. רק מתחת לטמפרטורת האינוורסיה שלו - כ-32 עד 50 קלווין בלחץ אטמוספירי - הוא מתקרר בשעת ההתפשטות. כאשר מקררים את ההליום לטמפרטורה שמתחת ל-K 2.175 הופך ההליום לנוזל-על (superfluid) ומשנה את תכונותיו, הוא נע ללא חיכוך, צמיגותו נעלמת לחלוטין, ומוליכות החום שלו גבוהה, היכולת לזרום במדרון עולה וחדירות דרך פתחים זעירים (מצב זה נקרא גם Helium II).

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ספינת אוויר שמולאה בהליום
  • ספינות אוויר ובלונים מנופחים עם הליום, כיוון שהוא קל מהאוויר (מטר מעוקב של הליום יכול להרים 1 קילוגרם). הליום מועדף על מימן בספינות אוויר למרות שהוא יותר יקר ופחות יעיל (92.64% מכוחו של המימן) מכיוון שהוא אינו דליק. שימושים נוספים:
  • תערובת הליום, חמצן וחנקן (או תערובת מימן, הליום וחמצן בעומק נמוך יותר מ-600 מטר) משמשת בצלילה למילוי בלוני אוויר. תערובת זו יכולה למנוע סכנות בצלילה.
  • להליום יישומים בקירור כורים גרעיניים.
  • בגידול גבישי צורן, גרמניום משתמשים בהליום כגז מגן.
  • להליום שימוש בהפקת טיטניום וזירקוניום.
  • על מנת להגן על מסמכים היסטוריים חשובים מאכסנים אותם באטמוספירת הליום.
  • להליום תפקיד כ"נשא" בכרומטוגרף גזים (מכשיר שמפריד תערובות).
  • פיזיקאים משתמשים בחלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום) במחקרי תהליכים גרעיניים.

איזוטופים של הליום[עריכת קוד מקור | עריכה]

סמל (p)‏Z (n)‏N מסה איזוטופית (u) זמן מחצית חיים ספין גרעיני שכיחות האיזוטופ
שבר מולרי מהיסוד)
טווח השינוי הטבעי
(כשבר מולרי מהיסוד)
התרגשות אנרגטית
הערות
3He ‏2 1 3.0160293191(26) יציב 1/2+ 0.00000134(3) 4.6×10-10-0.000041
4He 2 4.00260325415(6) יציב 0+ 0.99999866(3) 0.999959-1
5He 3 5.01222(5) [MeV‏ (2)0.60] E-24 s‏(30)700 3/2-
מאוד לא יציב, דועך ל-4He.
6He 4 6.0188891(8) ms‏ (15)806.7 0+
מיוצר מ-7He או מ-11Li, מתפרק ל-6Li באמצעות קרינת בטא (בטא-מינוס).
7He 5 7.028021(18) [KeV‏ (28)159] E-21 s‏(5)2.9 (3/2)-
מאוד לא יציב, דועך ל-6He.
8He 6 8.033922(7) ms‏ (15)119.0 0+
מיוצר מ-9He, מתפרק ל-7Li באמצעות קרינת בטא ולאחר מכן פולט נייטרון מושהה.
9He 7 9.04395(3) [KeV‏ (60)100] E-21 s‏(4)7 1/2(-#)
מאוד לא יציב, דועך ל-8He.
10He 8 10.05240(8) [MeV‏ (11)0.17]E-21 s‏(18)2.7 0+
מאוד לא יציב, דועך ל-9He.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הראיות הראשונות לקיומו של ההליום הוא קו צהוב באורך גל של 587.49 ננומטר, אשר זוהה בספקטרום הכרומוספירה של השמש בזמן ליקוי החמה המלא שהתרחש ב-18 באוגוסט 1868 מעל הודו. האסטרונום הצרפתי, פייר ז'יל סזאר ז'נסאן, אשר גילה את הקו הזה, שייך אותו, בטעות, לספקטרום הנתרן. ב-20 באוקטובר של אותה שנה גילה האסטרונום האנגלי, נורמן לוקייר, את אותו קו צהוב בספקטרום השמש, וקרא לו קו D3, בשל קרבתו לקווים D1 וקו D2 של היסוד נתרן. לוקייר חשב שקו זה נובע מקיומו של יסוד הקיים בשמש אך לא בכדור-הארץ, אותו כינו הוא והכימאי האנגלי אדוארד פרנקלנד בשמה היווני של השמש, ἥλιος ('הליוס').

ב-26 במרץ 1895, בודד הכימאי האנגלי ויליאם רמזי הליום על כדור הארץ על ידי ריאקציה בין המינרל הרדיואקטיבי קלוויט עם חומצות. רמזי חיפש אחר היסוד ארגון, אך לאחר שהפריד את החנקן והחמצן מהגז על ידי חומצה גופרתית הוא שם לב לקו צהוב שהתאים לקו ה־D3 שבספקטרום של השמש. בזכות גילוי זה, החלו הכימאים פר תאודור קלאב ואברהם לנגלאט באופסלה, שבדיה לבודד הליום מקלוויט. הם הצליחו לבודד כמות מספיקה כדי לקבוע את מסתו האטומית של ההליום.

ב־1907, גילו ארנסט רתרפורד ותומאס רויידס שחלקיקי אלפא הינם גרעיני הליום. ב־1908, הצליח הפיזיקאי הגרמני הייק קאמרלניג אונס להפוך הליום גאזי להליום נוזלי על ידי קירורו למעלת קלווין אחת בערך. הוא ניסה גם להעביר אותו למצב צבירה מוצק, אך כשל בנסיונותיו היות שלהליום אין נקודה משולשת - נקודה בה החומר נמצא במצבים מוצק, נוזל וגז בו זמנית. הנסיון הראשון בו הצליחו להפוך הליום למוצק היה בשנת 1926 על ידי הסטודנט ויליאם הנדריק קיסום על ידי הגברת לחץ על הליום ל-25 אטמוספירות.

בשנת 1938, גילה הפיזיקאי הרוסי פיוטר קפיצה של-4He אין כמעט צמיגות בנקודה הקרובה לאפס המוחלט, תופעה הקרויה כיום "נוזל-על". בשנת 1972 אותה התופעה התגלתה גם ב-3He.

צורה בטבע[עריכת קוד מקור | עריכה]

ספקטרום הפליטה של הליום, בתמונה שצולמה בטכניון.

הליום הוא היסוד השני הנפוץ ביותר ביקום, אחרי מימן, והוא מהווה 23% ממסת כל החומר ביקום (לא כולל חומר אפל ואנרגיה אפלה). הליום מרוכז בעיקר בכוכבים (במיוחד בכוכבים חמים), בהם הוא נוצר בתהליך היתוך גרעיני של אטומי מימן, כחלק ממחזור הפרוטון-פרוטון בתהליכים תרמו-גרעיניים. על פי תיאורית המפץ הגדול, רוב ההליום ביקום נוצר בשלוש הדקות הראשונות של המפץ הגדול.

באטמוספירת כדור הארץ נמצא הליום בריכוז זעום (5.2 חלקיקים למיליון), בעיקר משום שהוא "נמלט" מהאטמוספירה. הליום הוא היסוד ה-71 מבחינת שכיחותו בקרום כדור הארץ.

מקור ההליום בכדור הארץ הוא בדעיכה רדיואקטיבית של יסודות כמו אורניום ורדון, בה נפלטים מהגרעין חלקיקי אלפא, המורכבים משני פרוטונים ושני נייטרונים (שהם למעשה He2+). חישובים העלו שכל 1.6 קילומטר מרובע יוצר 15 סנטימטר מעוקב הליום כל שנה.

רוב אספקת ההליום העולמית מגיעה כיום ממרבצים הקיימים בשולי מדינת טקסס בארצות הברית, וממרבצים קטנים נוספים במדינות קולורדו, קנזס, אוקלהומה בארצות הברית, ובאוסטרליה, אלג'יריה ורוסיה.

אמצעי זהירות[עריכת קוד מקור | עריכה]

הליום טבעי בתנאי החדר הוא לא רעיל ואין לו תפקיד ביולוגי בגוף האדם. הוא נמצא בכמויות זעירות בדם.

כאשר אדם שואף לריאותיו הליום מתוך מיכל, צליל קולו נעשה גבוה, זמנית. זאת מכיוון שמהירות הקול בהליום גבוהה יותר ממהירותו באוויר אטמוספירי, ולכן אורך הגל הנקלט, קצר יותר.

רפלקס הנשימה של האדם אינו מגורה מכמויות החמצן בדם, אלא מכמויות הפחמן הדו-חמצני. לכן מומלץ להימנע משאיפת הליום, למרות שאינו רעיל. במקרים קיצוניים יכול להיגרם חנק בעקבות שאיפת הליום, בגלל שהליום תופס את מקומו של החמצן בריאותיו של השואף.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]