Helyum (Yunanca:λλιος, romanize: helios, yaktı. ’güneş’) sembolü ve atom numarası 2 olan kimyasal bir elementtir. Renksiz, kokusuz, tatsız, toksik olmayan, atıl, tek atomlu bir gazdır ve periyodik tablodaki soy gaz grubunda ilk sırada yer alır kaynama ve erime noktası tüm elementler arasında en düşüktür.
Helyumun Atom Yapısı
Kuantum mekaniği açısından helyum, hidrojen atomunu takip eden modellenecek en basit ikinci atomdur. Helyum, iki proton ve (genellikle) iki nötron içeren bir çekirdeği çevreleyen atomik orbitallerde iki elektrondan oluşur. Newton mekaniğinde olduğu gibi, ikiden fazla parçacıktan oluşan hiçbir sistem kesin bir analitik matematiksel yaklaşımla çözülemez ve helyum istisna değildir. Bu nedenle, bir çekirdek ve iki elektron sistemini çözmek için bile sayısal matematiksel yöntemler gereklidir. Bu tür hesaplamalı kimya yöntemleri, birkaç hesaplama adımında, doğru değerin <% 2’si içinde doğru olan helyum elektron bağlanmasının kuantum mekanik bir resmini oluşturmak için kullanılmıştır.
Bu modeller, helyumdaki her elektronun çekirdeği diğerinden kısmen elediğini, böylece her elektronun gördüğü etkili nükleer yük Z’nin, klasik bir “çıplak” helyum çekirdeğinin 2 yükü değil, yaklaşık 1.69 birim olduğunu göstermektedir.
Helyumun Evrendeki Yeri
Gözlemlenebilir evrendeki en hafif ve en bol bulunan ikinci elementtir (hidrojen en hafif ve en bol olanıdır). Toplam element kütlesinin yaklaşık % 24’ünde bulunur; bu, birleştirilen tüm ağır elementlerin kütlesinin 12 katından fazladır. Bolluğu, helyumdan sonraki üç elemente göre, helyum-4’ün çok yüksek nükleer bağlanma enerjisinden (nükleon başına) dolayı, hem Güneş’te hem de Jüpiter’de buna benzer. Bu helyum-4 bağlanma enerjisi, neden hem nükleer füzyon hem de radyoaktif bozunmanın bir ürünü olduğunu da açıklar. Evrendeki helyumun çoğu, büyük çoğunluğu Büyük Patlama sırasında oluşan helyum-4’tür. Yıldızlarda hidrojenin nükleer füzyonu ile büyük miktarda yeni helyum oluşur.
Helyum ilk olarak bir güneş ışığında bilinmeyen, sarı spektral çizgi imza olarak Georges Rayet, Kaptan C. T. Haig, Norman R. Pogson ve Teğmen John Herschel, tarafından 1868 yılında bir güneş tutulması sırasında tespit edildi ve daha sonra Fransız astronom Jules Janssen tarafından doğrulandı.
Janssen, Norman Lockyer ile birlikte elementi tespit etmekle sıklıkla ortak olarak kredilendirilir. Janssen, 1868 güneş tutulması sırasında helyum spektral çizgisini kaydederken, Lockyer bunu İngiltere’den gözlemledi. Lockyer, hattın adını verdiği yeni bir unsurdan kaynaklandığını öne süren ilk kişiydi. Elementin resmi keşfi 1895 yılında kimyagerler Sir William Ramsay, Per Teodor Cleve ve Nils Abraham Langlet tarafından yapıldı ve uranyum cevherinden çıkan helyumu buldu, şu anda ayrı bir mineral türü olarak kabul edilmeyen cleveite, ancak çeşitli uraninit. 1903’te, Amerika Birleşik Devletleri’nin bazı bölgelerindeki doğal gaz alanlarında, bugüne kadarki en büyük gaz tedarikçisi olan büyük helyum rezervleri bulundu.
Helyumun Uygulamaları
Sıvı helyum, kriyojenikte (üretimin yaklaşık dörtte birini emen en büyük tek kullanımı) ve süper iletken mıknatısların soğutulmasında, MRI tarayıcılarındaki ana ticari uygulamasıyla kullanılır. Helyumun diğer endüstriyel kullanımları — basınçlandırma ve temizleme gazı olarak, ark kaynağı için koruyucu bir atmosfer olarak ve silikon gofret yapmak için büyüyen kristaller gibi işlemlerde — üretilen gazın yarısını oluşturur. İyi bilinen ancak küçük bir kullanım, balonlarda ve hava gemilerinde kaldırma gazı olarak kullanılır. Yoğunluğu havadan farklı olan herhangi bir gazda olduğu gibi, küçük hacimli bir helyumun solunması insan sesinin tınısını ve kalitesini geçici olarak değiştirir. Bilimsel araştırmalarda, helyum-4’ün iki akışkan fazının (helyum I ve helyum II) davranışı, kuantum mekaniğini (özellikle süper akışkanlığın özelliği) inceleyen araştırmacılar ve mutlak sıfıra yakın maddede üretilen süperiletkenlik gibi fenomenlere bakanlar için önemlidir.
Helyumun Özellikleri Nelerdir?
Dünya’da nispeten nadirdir — atmosferde hacimce 5.2 ppm. Günümüzde mevcut olan karasal helyumun çoğu, ağır radyoaktif elementlerin (başka örnekler olmasına rağmen toryum ve uranyum) doğal radyoaktif bozunmasıyla yaratılmaktadır, çünkü bu tür bozunmaların yaydığı alfa parçacıkları helyum-4 çekirdeklerinden oluşmaktadır. Bu radyojenik helyum, hacimce % 7’ye varan konsantrasyonlarda doğal gaz ile hapsedilir ve buradan fraksiyonel damıtma adı verilen düşük sıcaklıkta bir ayırma işlemi ile ticari olarak ekstrakte edilir. Karasal helyum yenilenemeyen bir kaynaktır, çünkü atmosfere salındıktan sonra derhal uzaya kaçar. Bununla birlikte, bazı çalışmalar, radyoaktif bozunma ile dünya’nın derinliklerinde üretilen helyumun, doğal gaz rezervlerinde beklenenden daha büyük miktarlarda toplanabileceğini, bazı durumlarda volkanik aktivite ile salındığını göstermektedir.
Helyumun Elde Edilmesi
Renksiz, kokusuz ve tatsız inert gaz olan helyum, hidrojen gazından sonra evrende en bol bulunan ikinci gazdır. Bununla birlikte, gaz kromatografisi gibi uygulamalarda kullanılan helyum gazı türü, doğal gazdan çıkarılır – helyum gazı kıtlığına yol açan kaynakların azalması sorunu.
Helyum gazı uzayda bol miktarda bulunur – yıldızların içinde meydana gelen füzyon reaksiyonlarının bir yan ürünüdür. Ancak yeryüzünde bulabileceğimiz ve daha sonra birçok kritik uygulamada kullanılmak üzere helyum gazı tanklarında depolanan helyum gazı sınırlıdır. Helum-4 olarak adlandırılan bu tür helyum gazı, uranyum ve toryum gibi belirli elementlerin radyoaktif bozunması ve bozunması yoluyla doğal olarak yeraltında üretilir. Bu reaksiyonun sonucu, iki nötron ve proton içeren alfa parçacıklarıdır. Bu küçük parçalar daha sonra çevrelerinden elektronları toplar ve daha sonra yer kabuğundan geçerek uzaya kadar uzanan helyumu oluşturur.
Şansımıza helyum-4’ün bir kısmı tuzağa düşer ve dünya yüzeyinin altındaki katmanların altında bulunan doğal gazla karışır. Helyum-4 daha sonra serbest bırakılması için açılan kuyularla zeminden çıkarılır. Doğal gazda bulunabilen helyum gazı miktarı, hacmine göre hemen hemen ihmal edilebilir düzeyden %4’e kadar değişmektedir. Helyum-4 içeren doğal gaz daha sonra helyum partiküllerini elde etmek için bir kriyojenik damıtma işlemine tabi tutulur. Doğal gazdan ayrıldıktan sonra, helyum-4 başka bir rafine etme işleminden geçer ve ardından pazar satışı için %99,99+ saflığa getirilir.
Kaynak: Wikipedia, peakscientific
