הליום

מתוך המכלול
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
- הליום - מימן
 

He
Ne  
 
 
He-TableImage.svg
כללי
מספר אטומי 2
סמל כימי He
סדרה כימית גז אציל
צפיפות 0.1785 kg/m3
מראה
חסר צבע
Liquid helium Rollin film.jpg
הליום כנוזל-על
תכונות אטומיות
משקל אטומי 4.002602 amu
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר גז
שונות
אנרגיית יינון ראשונה 2372.3 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה 5250.5 kJ/mol

הליום (Helium) הוא יסוד כימי מסדרת הגזים האציליים שסמלו הכימי He ומספרו האטומי 2. 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 האויר, הליום משמש למילוי בלונים וספינות אויר.

מידע כללי

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+ ו־HeD+ (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, הוא 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 תחת ל־2.175K 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).

כיום נוצר הליום בהיתוך גרעיני, בתוך כוכבים כמו השמש, וחומר הגלם להיתוך הוא המימן. דרך אחרת לייצורו היא בביקוע גרעיני מיסודות כבדים. לגרעין ההליום הנוצר בביקוע קוראים "חלקיק אלפא".

שימושים

ספינת אוויר ממולאת בהליום
  • ספינות אויר ובלונים מנופחים עם הליום, כיון שהוא קל מהאויר (מטר מעוקב הליום יכול להרים 1 קילוגרם). הליום מועדף על מימן בספינות אויר למרות שהוא יותר יקר ופחות יעיל (92.64% מכוחו של המימן) כיון שהוא אינו דליק. שימושים נוספים:
  • תערובת הליום, חמצן וחנקן (או תערובת מימן, הליום וחמצן בעומק נמוך יותר מ־45 מטר) משמשת בצלילה למילוי בלוני אויר. תערובת זו יכולה למנוע סכנות צלילה.
  • להליום ישומים 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 המפריד תערובות).
  • פיזיקאים משתמשים בחלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום) במחקרי תהליכים גרעיניים.
  • בלונים לצורכי פנאי ובידור (כגון ימי הולדת ומסיבות).

איזוטופים של הליום

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-
מאד 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)-
מאד 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(-#)
מאד לא־יציב, דועך ל־8He
10He 8 10.05240(8) [MeV‏ (11)0.17]E-21 s‏(18)2.7 0+
מאד לא־יציב, דועך ל־9He

היסטוריה

הראיות הראשונות לקיומו של ההליום הוא קו צהוב באורך גל של 587.49 ננו־מטר, 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 באותה 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, שוודיה לבודד הליום מקלוויט. הם הצליחו לבודד כמות מספיקה כדי לקבוע את מסתו האטומית של ההליום.

ב־1907 גילו ארנסט רתרפורד ותומאס רויידס שחלקיקי אלפא הם 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 הלחץ על הליום ל־25 אטמוספירות.

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

צורה בטבע

ספקטרום פליטה 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 תאורית 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 קמ"ר יוצר 15 סמ"ק הליום כל שנה.

אמצעי זהירות

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 מכיון שמהירות הקול בהליום גבוהה יותר ממהירותו באויר אטמוספירי, ולכן אורך הגל הנקלט קצר יותר.

רפלקס הנשימה של האדם אינו מגורה מירידת כמות החמצן בדם אלא מנוכחות כמות מסוימת של פחמן דו-חמצני, לכן בשאיפת הליום, שאינו פעיל כימית (בתנאים השוררים בבעלי חיים) משמע אינו רעיל, במקום חמצן, הגוף אינו מבחין בהעדר החמצן, בגלל הפינוי המתמיד של פחמן דו־חמצני, לאחר מספר דקות התאים ירעבו ובמהרה ימותו בהעדר החמצן הדרוש בתהליך הנשימה התאית או היפוקסיה, וכל זאת מבלי שהגוף יבחין במצוקה, כלומר בהעדר תחושת מחנק.

קישורים חיצוניים