ჰელიუმი

ჰელიუმი (Helium < ბერძ. ἥλιος [helios] — „მზე“; ქიმიური სიმბოლო — ${\ce {He}}$) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის პირველი პერიოდის, მეთვრამეტე ჯგუფის (ძველი კლასიფიკაციით — მერვე ჯგუფის მთავარი ქვეჯგუფის, VIIIა) ქიმიური ელემენტი. მისი ატომური ნომერია 2, ატომური მასა — 4.0026, t_დნ — (−272.20)°C, t_დუღ — (−268.928)°C, სიმკვრივე (ნსპ) — 0.1786 გ/ლ. ჰელიუმი ერთატომიანი უფერული და უსუნო აირია; ბუნებრივი ჰელიუმი შედგება ორი სტაბილური იზოტოპისაგან: ${\ce {^3He}}$ (≈0.0002%) და ${\ce {^4He}}$ (≈99.9998%). ხელოვნურად მიღებულია არამდგრადი ნუკლიდები, რომელთა მასური რიცხვი მერყეობს 2-10-ის ფარგლებში; მიეკუთვნება ინერტულ აირებს.

ჰელიუმი, ₂He

ზოგადი თვისებები
მარტივი ნივთიერების ვიზუალური აღწერა	უფერული და უსუნო აირი
სტანდ. ატომური წონა Ar°(He)	4.002602±0.000002 4.002 602(2)±0.0001 (დამრგვალებული)
ჰელიუმი პერიოდულ სისტემაში
წყალბადი ჰელიუმი ლითიუმი ბერილიუმი ბორი ნახშირბადი აზოტი ჟანგბადი ფთორი ნეონი ნატრიუმი მაგნიუმი ალუმინი სილიციუმი ფოსფორი გოგირდი ქლორი არგონი კალიუმი კალციუმი სკანდიუმი ტიტანი ვანადიუმი ქრომი მანგანუმი რკინა კობალტი ნიკელი სპილენძი თუთია გალიუმი გერმანიუმი დარიშხანი სელენი ბრომი კრიპტონი რუბიდიუმი სტრონციუმი იტრიუმი ცირკონიუმი ნიობიუმი მოლიბდენი ტექნეციუმი რუთენიუმი როდიუმი პალადიუმი ვერცხლი კადმიუმი ინდიუმი კალა სტიბიუმი ტელური იოდი ქსენონი ცეზიუმი ბარიუმი ლანთანი ცერიუმი პრაზეოდიმი ნეოდიმი პრომეთიუმი სამარიუმი ევროპიუმი გადოლინიუმი ტერბიუმი დისპროზიუმი ჰოლმიუმი ერბიუმი თულიუმი იტერბიუმი ლუტეციუმი ჰაფნიუმი ტანტალი ვოლფრამი რენიუმი ოსმიუმი ირიდიუმი პლატინა ოქრო ვერცხლისწყალი თალიუმი ტყვია ბისმუტი პოლონიუმი ასტატი რადონი ფრანციუმი რადიუმი აქტინიუმი თორიუმი პროტაქტინიუმი ურანი (ელემენტი) ნეპტუნიუმი პლუტონიუმი ამერიციუმი კიურიუმი ბერკელიუმი კალიფორნიუმი აინშტაინიუმი ფერმიუმი მენდელევიუმი ნობელიუმი ლოურენსიუმი რეზერფორდიუმი დუბნიუმი სიბორგიუმი ბორიუმი ჰასიუმი მეიტნერიუმი დარმშტადტიუმი რენტგენიუმი კოპერნიციუმი ნიჰონიუმი ფლეროვიუმი მოსკოვიუმი ლივერმორიუმი ტენესინი ოგანესონი – ↑ He ↓ Ne წყალბადი ← ჰელიუმი → ლითიუმი
ატომური ნომერი (Z)	2
ჯგუფი	18 ჯგუფი (ინერტული აირები)
პერიოდი	1 პერიოდი
ბლოკი	s-ბლოკი
ელექტრონული კონფიგურაცია	1s2
ელექტრონი გარსზე	2
ელემენტის ატომის სქემა
ფიზიკური თვისებები
აგრეგეგატული მდგომ. ნსპ-ში	აირი
დნობის ტემპერატურა	−272.20 °C ​(0.95 K, ​​​−457.96 °F)(at 2.5 MPa)
დუღილის ტემპერატურა	−268.928 °C ​(4.222 K, ​​​−452.070 °F)
სიმკვრივე (ნსპ)	0.1786 გ/ლ
სიმკვრივე (ლ.წ.)	0.145 გ/სმ3
სიმკვრივე (დ.წ.)	0.125 გ/სმ3
სამმაგი წერტილი	2.177 K, ​5.043 კპა
კრიტიკული წერტილი	5.1953 K, 0.22746 მპა
დნობის კუთ. სითბო	0.0138 კჯ/მოლი
აორთქ. კუთ. სითბო	0.0829 კჯ/მოლი
მოლური თბოტევადობა	20.78 ჯ/(მოლი·K)
ნაჯერი ორთქლის წნევა P (პა) 1 10 100 1 k 10 k 100 k T (K)-ზე 1.23 1.67 2.48 4.21
ატომის თვისებები
ჟანგვის ხარისხი	0
ელექტროდული პოტენციალი
იონიზაციის ენერგია	1: 2372.3 კჯ/მოლ 2: 5250.5 კჯ/მოლ
ატომის რადიუსი	ემპირიული: 31 პმ
კოვალენტური რადიუსი (rcov)	28 პმ
იონური რადიუსი (rion)	93 პმ
ვან-დერ-ვალსის რადიუსი	140 პმ
ჰელიუმის სპექტრალური ზოლები
სხვა თვისებები
ბუნებაში გვხვდება	პირველადი ნუკლიდების სახით
მესრის სტრუქტურა	მჭიდრო ჰექსაგონალური
მესრის პერიოდი	3.570 Å
ბგერის სიჩქარე	972 მ/წმ
თერმული გაფართოება	0.1513 µმ/(მ·K)
მაგნეტიზმი	დიამაგნეტიკი
მაგნიტური ამთვისებლობა	3005812000000000000♠−1.88×10−6 (298 K) სმ3/მოლ
CAS ნომერი	7440-59-7
ისტორია
აღმომჩენია	პიერ ჟანსენი, ნორმან ლოკერი (1868)
პირველი მიმღებია	უილიამ რამზაი, პიერ თეადორ კლივი, აბრაამ ლანგლეტი (1895)
სახელი დაარქვა	ბერძნული მზის ღმერთის ჰელიოსის პატივსაცემად
ჰელიუმის მთავარი იზოტოპები
იზო­ტოპი გავრცე­ლება­დობა ნახევ. დაშლა (t1/2) რადიო. დაშლა პრო­დუქტი 3He 0.0002% სტაბილური 4He 99.9998% სტაბილური
ჰელიუმი ვიკისაწყობში •

ჰელიუმი მეორე ყველაზე გავრცელებული ელემენტია სამყაროში და ასევე სიმსუბუქით მეორეა პერიოდულ ცხრილში. თანამედროვე სამყაროში თითქმის მთელი ახალი ჰელიუმი წარმოიქმნება ვარსკვლავებში წყალბადის ატომის გახლეჩით. დედამიწაზე ის წარმოიქმნება შედარებით მძიმე ელემენტთა დაშლის შედეგად. ჰელიუმს იღებენ ბუნებრივი აირიდან დაბალტემპერატურული დაშლის პროცესით — ეგრეთ წოდებული ფრაქციული გამოხდის მეთოდით.

აღმოჩენის ისტორია

1868 წლის 18 აგვისტოს ფრანგმა მეცნიერმა პიერ ჟანსენმა ინდოეთის ქალაქ გუნტურში ყოფნის დროს მზის სრული დაბნელებისას პირველად შეძლო მზის ქრომოსფეროს გამოკვლევა. ჟანსენმა შეძლო სპექტროსკოპის ისე აწყობა რომ მზის გვირგვინის სპექტრზე თვალთვალი შეიძლებოდა არა მარტო მზის დაბნელებისას არამედ ჩვეულებრივ დღესაც კი. მეორე დღესვე მზის პროტუბერანციების სპექტროსკოპიამ წყალბადის ლურჯ, მწვნე-ცისფერ და წითელ ხაზებთან ერთად გამოავლინა ძალიან კაშკაშა ყვითელი ხაზი, თავდაპირველად ჟანსენმა და სხვა ასტრონომებმაც ის მიიღეს ნატრიუმის D ხაზად. ჟანსენმა დაუყოვნებლად დაწერა ამის შესახებ საფრანგეთის მეცნიერებათა აკადემიაში. შედეგად დადგენილ იქნა, რომ მზის სპექტრში ყვითელი ფერის ხაზი არ ემთხვევა ნატრიუმის ხაზს და არ ეკუთვნის იმ დროისათვის ცნობილ არცერთ ქიმიურ ელემენტს.

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 D₃, რადგანაც ის ძალიან ახლოს იყო ფრაუნგოფერის ხაზებთან D₁ (589,59 ნმ) და D₂ (588,99 ნმ) ნატრიუმი. ორი წლის შემდეგ ლოკერმა, ინგლისელ ქიმიკოს ედვარდ ფრანკლანდთან თანამშრომლობით წამოაყენა წინადადება რათა ახალი ელემენტისათვის ეწოდებინათ „ჰელიუმი“ (ძვ. ბერძნ. ἥλιος — „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 D₃ 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 და რამზეისადმი წერილში აღიარა მასზე აღმოჩენის პრიორიტეტი.

რამზაიმ სხვადასხვა ნივთიერებებისა და მინერალების კვლევისას აღმოაჩინა რომ ჰელიუმი თანდაყვება ურანს და თორიუმს. მაგრამ მნიშვნელოვნად გვიან, 1906 წელს, ერნესტ რეზერფორდმა და როიდსმა დააგინეს, რომ რადიოაქტიური ელემენტების ალფა-ნაწილაკები წარმოადგენენ ჰელიუმის ბირთვებს. ამ გამოკვლევებმა ჩაუყარეს საფუძველი ატომების აღნაგობის თანამედროვე თეორიას.

თხევადი ჰელიუმის ტემპერატურაზე თბოტევადობის დამოკიდებულების გრაფიკი

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 К 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 K-ისას თბოტევადობის ნელი და თანმიმდევრობითი მატება იცვლება მკვეთრი ვარდნით და თბოტევადობის მრუდი იღებს ბერძნული ასოს λ (ლამბდა) ფორმას. ამასთან ტემპერატურა, რომელზეც ხდება თბოტევადობის ნახტომი, მინიჭებული აქვს პირობითი სახელი „λ-წერტილი“. ამ წერტილის უფრო ზუსტი მნიშვნელობა - 2,172 K უფრო მოგვიანებით იქნა დადგენილი. λ-წერტილში ხდება თხევადი ჰელიუმის ღრმა და მკვეთრი ფუნდამენტალური თვისობრივი ცვლილებები — თხევადი ჰელიუმის ერთი ფაზა ამ წერტილში იცვლება მეორეთი, ამასთან დაფარული სითბოს გამოყოფის გარეშე; ადგილი აქვს მეორე სახის ფაზურ გადასვლას. λ-წერტილზე მაღალი ტემპერატურის დროს არსებობს ეგრეთ წოდებული ჰელიუმი-I, მასზე დაბლა კი — ჰელიუმი-II.

1938 წელს საბჭოთა ფიზიკოსმა პეტრე კაპიცამ აღმოაჩინა თხევადი ჰელიუმი-II-ის ზედენადობის მოვლენა, რომელიც მდგომარეობს სიბლანტის კოეფიციენტის მკვეთრი შემცირებით, რის შედეგად ჰელიუმი მიედინება თითქმის ხახუნის გარეშე. 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 ბერძ. ἥλιος — „მზედან“ (ის. ჰელიოსი). საყურადღებოა ის ფაქტი, რომ სახელწოდებაში გამოყენებულია ლითონებისათვის დამახასიათებელი ბოლოსართი „-უმი“ (ლათ. „-um“ — „Helium“), რადგანაც ლოკერი ვარაუდობდა, რომ მის მიერ აღმოჩენილი ელემენტი იყო ლითონი. სხვა ანალოგიური კეთილშობილი აირის მსგავსად ლოგიკური იქნებოდა მისთვის ეწოდებინათ „ჰელიონი“ („Helion“). 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 Ac-ის, Th, U დაშლის შედეგად) — მოცულობის 5,27×10⁻⁴ %, მასის 7,24×10⁻⁵ % შეადგენს. ატმოსფეროში, ლითოსფეროში და ჰიდროსფეროში ჰელიუმის მარაგი ფასდება 5×10¹⁴ მ³. ჰელიუმშემცველი ბუნებრივი აირები შეიცავენ, როგორც წესი, მოცულობის მიახლოებთ 2 %. განსაკუთრების იშვიათად გვხვდება აირები რომელთა ჰელიუმშემცველობა აღწევს 8 — 16 %.

ჰელიუმის საშუალო შემცველობა დედამიწის ნივთიერებაში — 3 გრ/ტ. ყველაზე დიდი კონცენტრაციაა მინერალებში, რომლებიც შეიცავენ ურანს, თორიუმს და სამარიუმს: კლევეიტი, ფერგუსონიტი, სამარსკიტი, გადოლინიტი, მონაციტი (მონაციტური ქვიშები ინდოეთში და ბრაზილიაში), თორიანიტი. ჰელიუმის შემცველობა ამ მინერალებში შეადგენს 0,8 — 3,5 ლ/კგ, თორიანიტში კი ის აღწევს 10,5 ლ/კგ.

განსაზღვრა

ხარისხობრივად ჰელიუმს განსაზღვრავენ სპექტრული ანალიზის მეშვეობით ემისიური სპექტრით (დამახასიათებელი ხაზები 587,56 ნმ და 388,86 ნმ), რაოდენობრივად — მას-სპექტრომეტრიული და ქრომატოგრაფიული ანალიზების მეთოდებით, ასევე მეთოდებით რომლებიც ეფუძნებიან ფიზიკური თვისებების ცვლილებებს (სიმკვრივე, თბოგამტარობა და სხვა).

ფიზიკური თვისებები

ჰელიუმი — პრაქტიკულად ინერტული ქიმიური ელემენტია.

მარტივი ნივთიერება ჰელიუმი — არატოქსიკურია, არ აქვს ფერი, სუნი და გემო. ნორმალურ პირობებში წარმოადგენს ერთატომიან აირს. მისი დუღილის წერტილი (T = 4,215 K ⁴He) ყველაზე დაბალია ყველა მარტივ ნივთიერებასთან შედარებით; მყარი ჰელიუმი მიღებულ იქნა მხოლოდ 25 ატმოსფეროზე მეტი წნევის დროს — 1 ატმოსფერული წნევის დროს ის არ გადადის მყარ ფაზაში ტემპერატურის აბსოლუტური ნულის დროსაც კი. ექსტრემალური პირობები ასევე საჭიროა ჰელიუმის მრავალრიცხობრივი ნაერთების შესაქმნელად, ისინი ყველანი ნორმალურ პირობებში არასტაბილურნი არიან

თვისებები აიროვან ფაზაში

ჰელიუმის სპექტრული ხაზები

ნორმალურ პირობებში ჰელიუმი პრაქტიკულად იქცევა როგორც იდეალური აირი. ყველა პირობებში ჰელიუმი არის მონოატომური ნივთიერება. ნორმალურ პირობებში სიმკვრივე შეადგენს 0,17847 კგ/მ³, ახასიათებს თბოგამტარობა - 0,1437 ვტ/(მ·К) — უფრო მეტი ვიდრე ყველა სხვა აირს წყალბადის გარდა, მისი კუთრი თბოტევადობა განსაკუთრებით მაღალია (с_р = 5,23 კჯ/(კგ·К), შედარებისათვის — 14,23 კჯ/(კგ·К) Н₂).

ელემენტის სიმბოლო, შესრულებულია აირის მილებით, რომელიც შევსებულია ჰელიუმით

ჰელიუმით შევსებულ მილებში დენის გატარებისას შეიმჩნევა სხვადასხვა ფერის განმუხტვები, რომლებიც უმთავრესად დამოკიდებულია მილებში აირის წნევაზე. ჩვეულებრივ ჰელიუმის სპექტრიდან ხილული შუქის ფერი არის ყვითელი. წნევის შემცირებასთან ერთად ხდება ფერების ცვლა — ვარდისფერი, ნარინჯისფერი, ყვითელი, კაშკაშა-ყვითელი, მოყვითალო-მწვანე და მწვანე. ეს დაკავშირებულია ჰელიუმის სპექტრში არსებულ ხაზების რამდენიმე სერიაზე, რომელიც მდებარეობს ინფრაწითელსა და ულტრაიისფერს შორის დიაპაზონში, სპექტრის ხილვად ნაწილში მნიშვნელოვანი ხაზები მდებარეობენ 706,52 ნმ და 447,14 ნმ-ს შორის. წნევის შემცირება იწვევს ელექტრონის თავისუფალი გარბენის სიგრძის ზრდას, ანუ მისი ენერგიის ზრდას ჰელიუმის ატომებთან შეჯახებისას. ეს იწვევს ატომების გადაყვანას დიდი ენერგიის აღზნებულ მდგომარეობაში, რის შედეგად ხდება სპექტრული ხაზების შერევა ინფრაწითელიდან ულტრაიისფრამდე.

ჰელიუმი ყველაზე ცუდად იხსნება წყალში, ვიდრე სხვა ცნობილი აირი. 1 ლ წყალში 20 °C ტემპერატურისას იხანება მიახლოებით 8,8 მლ (9,78 - 0 °C, 10,10 - 80 °C), ეთანოლში — 2,8 (15 °C), 3,2 (25 °C). მისი დიფუზიის სიჩქარე მყარ სხეულებში სამჯერ უფრო მაღალია ვიდრე, ჰაერისა, და მიახლოებით 65 % მაღალია, ვიდრე წყალბადის.

გარდატეხის მაჩვენებელი გარდატეხის კოეფიციენტი ათთან ახლოსაა, ყველაზე უფრო ახლოს ვიდრე ყველა სხვა აირის მაჩვენებელი. ამ აირს გააჩნია უარყოფითი ჯოულ-ტომსონის კოეფიციენტი გარემოს ნორმალური ტემპერატურის პირობებში, ანუ ის ხურდება როდესაც მას აძლევენ საშუალებას მოცულობაში თავისუფლამ გაიზარდოს. მხოლოდ ჯოული-ტომსონის ინვერსიის ტემპერატურის ქვევით (მიახლოებით 40 К ნორმალური წნევის დროს) ის ცივდება თავისუფალი გაფართოების დროს. ამ ტემპერატურის ქვევით გაცივებისას, გაფართოებითი გაცივებით ჰელიუმი შეიძლება გათხევადდეს. ასეთი გაცივება ხდება დეტანდერის დახმარებით.

კონდენსირებული ფაზების თვისებები

1908 წელს ჰეიკე კამერლინგ-ონესიმ პირველმა შეძლო მიეღო თხევადი ჰელიუმი. მყარი ჰელიუმის მიღება შესაძლებელი გახდა მხოლოდ 25 ატმოსფეროს წნევის და 1 K ტემპერატურის პირობებში (ვილემ ჰენდრიკ კეეზომი, 1926). კეეზომმა ასევე აღმოაჩინა ჰელიუმ-4 (⁴He) ფაზური გადასვლის არსებობა 2,17 K ტემპერატურის დროს; დაასახელა ჰელიუმ-I და ჰელიუმ-II ფაზები (2,17K-ის ქვევით). 1938 წელს პეტრე კაპიცამ აღმოაჩინა, რომ ჰელიუმ-II არ გააჩნია სიბლანტე (ზედენადობის მოვლენა). ჰელიუმ-3-ში ზედენადობა წარმოიქმნება მხოლოდ 0,0026 К ტემპერატურის ქვევით. ჰელიუმის ზედენადობა მიეკუთვნება ეგრეთ წოდებულ კვანტური სითხის კლასს, რომლის მაკროსკოპიული ქცევა შეიძლება აღწერილი იქნეს მხოლოდ კვანტური მექანიკის მეშვეობით. 2004 წელს გამოჩნდა შეტყობინება მყარი ჰელიუმის ზედენადობის აღმოჩენის შესახებ (ე.წ. სუპერსოლიდის ეფექტი) მისი კვლევისას ტორსიულ ოსცილიატორში. მაგრამ ბევრი მკვლევარი ამტკიცებს, რომ 2004 წელს აღმოჩენილ ეფექტს არ აქვს არავითარი კავშირი კრისტალის ზედენადობასთან. ამ მომენტისათვის გრძელდება მრავალრიცხოვანი ექსპერიმენტული და თეორიული კვლევები, რომლის მიზანია გაირკვეს ამ ბუნებრივი მოვლენის ნამდვილი ბუნება.

ქიმიური თვისებები

ჰელიუმი — მენდელეევის ცხრილის (ინერტული აირები) მეერვე ჯგუფის ქიმიურად ყველაზე ნაკლებად აქტიური ელემენტია. 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 He₂⁺, ფტორიდს HeF, ქლორიდს HeCl (ექსიმერული მოლეკულები წარმოიქმნება ელექტრონული განმუხტვის დროს ან ჰელიუმის და ფთორის ან ჰელიუმისა და ქლორის ნარევების ულტრაიისფერი დასხივებით).

ცნობილია ჰელიუმის ქიმიური ნაერთი LiHe (შესაძლებელია, მხედველობაშია ნაერთი LiHe₇[1], [2]).

იზოტოპები

ბუნებრივი ჰელიუმი შედგება ორი მდგრადი იზოტოპისაგან: ⁴He (იზოტოპური გავრცობადობა — 99,99986 %) და შედარებით იშვიათი ³He (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.

იზოტოპი	Z	N	ატომური მასა (მ.ა.ე.)	% ბუნებაში	საშუალო შეწონილი
3He	2	1	3.016 029 309 7(9)	0.000137 (3)%	0.000004
4He	2	2	4.002 603 2497(10)	99.999863 (3)%	4.002598
Ar°(He)				100%	4.002602

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 CO₂ და ნახშირწყალბადებისაგან. შედეგად მიიღება ჰელიუმის, ნეონისა და წყალბადის ნარევი.

ამ ნარევს, ე.წ. ნედლ ჰელიუმს, (He — 70-90 %) ასუფთავებენ წკალბადისაგან (4-5 %) CuO-ს მეშვეობით 650—800 К ტემპერატურის პირობებში. მისი საბოლოო გაწმენდა მიიღწევა დარჩენილი ნარევის ღრმა გაცივებით N₂-ის ვაკუუმში დუღილით და მინარევების ადსორბერებში აქტიური ნახშირის მეშვეობით ადსორბციით, რომლებიც თავის მხრივ ასევე ცივდებიან N₂. 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

250 ლ-იანი დიუარის ჭურჭელი თხევადი ჰელიუმით.

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.: СТГ-10, СТГ-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 E939, 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 ³He აქტიურად გამოიყენება ტექნიკაში, ნეიტრონული გაბნევაში როგორც პოლარიზატორი და შემვსები პოზიციურ-მგრძნობიარე ნეიტრონულ დეტექტორებში;
• ნუკლიდი ³He 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 °C 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.

იხილეთ აგრეთვე

• ჰელიუმ-3 — ჰელიუმის მჩატე არარადიოაქტიული იზოტოპი.
• პომერანჩუკის ეფექტი — ჰელიუმის მჩატე იზოტოპის ³He დნობის (გამყარების) ანომალური თვისება ³He
• ჰელიომეტრია — მეცნიერება, რომელიც შეისწავლის ჰელიუმის გავლას სხვადასხვა გარემოში.
• თხევადი ჰელიუმი
• მყარი ჰელიუმი

რესურსები ინტერნეტში

• ჰელიუმი Webelements-ზე
• ჰელიუმი ქიმიური ელემენტების პოპულარულ ბიბლიოთეკაში დაარქივებული 2007-01-20 საიტზე Wayback Machine.
• ჰელიუმის გადაღება

სქოლიო

	პორტალი „ქიმია“
	ჰელიუმი ვიქსიკონში
	ჰელიუმი ვიკისაწყობში