Elementler - Helyum

HELYUM

Hidrojenden sonra en hafif ele­ment olan helyum renksiz ve kokusuz bir gazdır. İngiliz astronom Norman Lockyer 18 ağustos 1868'de güneş tayfını incelerken, bilinen hiç­bir elementin tayf çizgilerine benzemeyen parlak çizgiler görmüş ve yeni bir element bulduğunu anlamıştı . İlk kez güneş tayfında rastladığı için bu yeni elemen­te "güneş" anlamındaki Yunanca helios sözcüğünden türettiği helyum adını verdi. 1895'te İskoçyalı kimyacı William Ramsay, uranyum içeren kleveyit mineralini bir asitle işleme soktuğunda helyum açığa çıktığını gördü. Böylece Dünya'da da helyum elemen­tinin bulunduğu anlaşıldı. Bir süre sonra Ramsay bu kez demirli göktaşlarının bileşi­minde helyuma rastladı ve öbür bilim adamla­rının çabalarıyla havada da az miktarda hel­yum bulunduğu saptandı.

Kimyasal simgesi He, atom numarası 2, atom ağırlığı 4,0026 olan helyum evrende hidrojenden sonra en bol bulunan elementtir. Çünkü yıldızlardaki enerjinin kaynağı olan çekirdek kaynaşmaları sonucunda hidrojen atomları helyum atomlarına dönüşür. Buna karşılık Dünya atmosferinde ancak 186.000'de bir oranında helyum bulu­nur. 1905'te doğal gazın bileşiminde de hel­yum bulunduğu anlaşılmıştır. Nitekim günü­müzde helyum en çok ABD'deki doğal gaz yataklarından elde edilir.
Marie Curie'nin radyumu bulmasından bir süre sonra, radyum çekirdeğinin kendiliğin­den sürekli olarak parçalandığı ve bu parça­lanma sırasında üç tip ışın yaydığı anlaşıldı. Bunlardan biri olan alfa ışınları helyum atomlarının çekirdeklerin­den oluşur. Bu nedenle Dünya' daki helyumun varlığı radyoaktif element çe­kirdeklerinin parçalanmasından kaynaklanır.

Helyum bir soy gazdır; yani başka element­lerle tepkimeye girmeyen eylemsiz bir mad­dedir . Bu nedenle uzay araçlarının yakıt tanklarında iç basınç yaratmak için helyum kullanılır; çünkü bu tankların çeperle­ri yeterli bir iç basınç olmadığında kendi ağırlığıyla çökebilecek kadar incedir. Ayrıca kaynak işlerinde metallerin havadan etkilen­memesi için eylemsiz bir ortam oluşturmak amacıyla gene helyumdan yararlanılır. Helyum hidrojenden iki kat daha ağır olduğu halde yanıcı olmadığı için meteo­roloji balonlarını ve güdümlü balonları şişir­mekte hidrojenden daha elverişlidir. Bunun dışında dalgıçların oksijen tüplerine de oksi­jenle karıştırılmış helyum doldurulur. Çünkü sualtındaki yüksek basınçta helyumun kanda çözünme oranı azotunkinden çok daha azdır; böylece dalgıçların "vurgun yeme" tehlikesi önlenmiş olur . Helyum ayrı­ca nükleer reaktörlerin soğutulmasında da kullanılır.

Helyum bütün öbür gazlardan çok daha düşük sıcaklıklarda sıvılaşan bir gazdır. An­cak — 269°C'de sıvılaşır; üstelik yüksek basınç uygulanmadığı sürece, sıvı haldeyken mutlak sıfır noktasında ( —273°C) bile katılaşmaz. — 271°C'nin altındaki sıcaklıklarda sıvı hel­yum ağdalılığını (viskozitesini) hemen hemen tümüyle yitirir ve ısı iletkenliği son derece yüksek bir üstünakışkan durumuna gelir. Bu durumdayken, gazların bile geçemeyeceği ka­dar küçük deliklerden sızabilir ve "yukarı doğru" akabilir.

Helyum

Hidrojen dışında, tüm elementlerden daha hafif soygaz element. Güneş ve yıldızların ana bileşenlerindendir. Başlıca helyum kaynağı doğal gazdır. Alfa parçacıkları gerçekte helyum çekirdekleridir. Havadan hafif olduğundan balonlarda kullanılır. Derin dalışlarda dalgıç tüplerinin içine oksijenle birlikte helyum da doldurulur. Sıvı yakıtlı roketlerin yakıt tanklarına basınç sağlamak üzere helyum konur. Helyum-neon lazerlerinde, ayrıca gaz altı kaynaklarda aktif olmayan bir atmosfer yaratmada kullanılır.

Sıvı helyumun (He4) iki biçimi vardır; biri soğutucu olarak kullanılan normal bir sıvı (helyum I); öbürü de, viskozitesi olmayan, içine konduğu kabın kenarından ince bir film hâlinde taşan ve kuvantum teorisince açıklanan başka birçok garip özellikler daha gösteren bir başka sıvıdır (helyum II). Helyum I; 2,18 kelvin sıcaklığın altında helyum II'ye dönüşür. Katı helyum ancak 25 atmosferin üzerindeki basınçlarda elde edilir.

KULLANIM ALANLARI

• Kaynak alanında koruyucu gaz olarak
• Balon gazı
• Kaçak kontrol gazı
• Dalış gazları
• Astım vb hastalığı olanlarda solunum gazı karışımlarında
• Manyetik Rezonans (MR) cihazlarında
• Lazer gazı ve analitik cihazlarda
• Roket itici gaz sistemlerinde
• Süper iletkenlerde

HELYUM

a. (lat. helium; yun. helios, güneş'ten). En hafif soy gaz. (Simgesi He olan element).

—ANSİKL. J. Janssen ile N. Lockyer, 1868’de güneş tayfında, bilinen elementlere özgü çizgilerin dışında parlak bir çizginin daha bulunduğunu gözlemlediler. Bu çizginin, Güneş'teki başka bir elementten kaynaklandığına inanan bu bilim adamları, sözkonusu elemente helyum adını verdiler. Ancak 1895'te Ramsay, kimi uranyum cevherlerinden, özellikle cleveitten çıkan gazlarda helyumu belirledi. Daha sonra da 1 m3 havada 5 cm3 helyumun bulunduğu kanıtlandı.

Özellikleri.

Helyumun, iki proton ile iki nötrondan oluşan çekirdeği, radyoaktif cisimler tarafından yayman alfa parçacığını oluşturur. Bu da atmosferde ve uranyumlu kayaçlarda helyum elementinin varlığını gösterir. Öteki soy gazlar gibi tek-atomlu olan helyum, hidrojenden iki kat daha yoğundur. Ayrıca bütün gazlar içinde sıvılaştırılması en zor olanıdır. Atmosfer basıncında - 268,934°C'ta kaynar, ilk kez 1908'de Kamerlingh Onnes tarafından gerçekleştirilen helyumun sıvılaştırtması işlemi, mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıkların elde edilmesini sağladı. Soy gazlar grubunda yer alan diğer gazlar gibi helyumun da pratik olarak kimyasal bir etkinliği yoktur. Kararlı iki izotopu (3He ve 4He), düşük sıcaklıkta, kuvantum olaylarının makroskobik belirtisi olan oldukça dikkate değer fiziksel özellikler taşır.

Helyum, aynı koşullarda katı durumda bulunan diğer cisimlerden farklı olarak mutlak sıfır dereceye dek sıvı olarak kalır. Atomlar arasındaki etkileşim kuvvetleri,
kimyasal eylemsizlikleri nedeniyle gerçekte kuvantum çalkalanmasına dayanamayacak kadar zayıftır; oysa mutlak sıfırda her parçacık bu çalkalanmaya uğrar; özellikle helyum atomları, kütlelerinin zayıf olması nedeniyle bu çalkalanmadan daha şiddetli etkilenir. Etkileşim kuvvetlerine ancak dıştan bir basınç uygulanarak helyumun katı durumda kalması sağlanabilir. Kuvantum çalkalanması, helyumun hem özgül kütlesinin, hem de normal koşullarda kaynama noktasının düşük olmasına (helyum-3 için 3,2 K, helyum-4 için 4,2 K) yol açar. Helyumun en dikkat çekici özelliği, aşırıakışkanlığıdır: herhangi bir sıvının hemen tıkayabileceği kılcal yapılardan sürtünmeden geçer.

3He için milikelvin boyutunda olan bu aşırıakışkan geçiş, 4He için 2 dolayındadır. Helyum-4'ün aşırıakışkanlığı, kaynak etkisi gösteren ve çeperler boyunca tırmanan bir filmin oluşması gibi kimi şaşırtıcı olayların nedenini oluşturur. Bu iki izotop, benzerliklerine karşın, çekirdeklerinin yapısı bakımından birbirinden tümüyle farklıdır. 3He atomları fermion, 4He atomları bozondur. Bu nedenle ilgili kuvantum etkilerinin doğmasında derin farklılıklar görülür: bunlar, aşırı- akışkanlığın ortaya çıkışında saptanan önemli sıcaklık aralığı ile helyum-3 durumunda, birbirinden tümüyle farklı iki ayrı evrenin belirmesidir (bu durumda helyum-3, uzaysal anizotropi ve manyetik özellikler göstermesine karşın, helyum-4 hem manyetik değildir, hem de izotroptur).

Sıvı helyum-3 ile helyum-4, 0,87 K’nin üzerinde her oranda birbiriyle karışabilir Karışım, bu sıcaklığın altında kendiliğinden iki evreye ayrılır Bu evrelerin derişimleri, sıcaklığa bağlı olarak değişir. Mutlak sıfıra doğru, evrelerden biri arı helyum-3, diğeri % 6 helyum-3 içeren helyum-4'tür. Helyum-4 içinde seyreltik helyum-3 içeren bu karışımdan, soğutucularda yararlanılır.

Üretimi ve kullanım alanları.

Helyum, neon ile kendisi dışında tüm bileşenleri sıvılaştırılmış olan havadan özütlenir. Bu iki gaz daha sonra, - 190°C’ta etkin kömür üzerinde yüzde tutulma farkından yararlanılarak (neon yüzde daha çok tutulur) birbirinden ayrılır. Helyum, ayrıca doğal gazdan da elde edilir. Balonların, özellikle sondaj balonlarının şişirilmesinde kullanılır. Balonları, hidrojene eş bir kuvvetle havalandırmasına karşın, tutuşmaması nedeniyle ondan daha üstün özellikler taşır. Ayrıca elektro-ışıldamalı tüplerde kullanılır Akışmazlığının çok düşük ve eylemsizliğinin de çok zayıf olması nedeniyle helyumdan, çoğu kez hava azotu yerine astım tedavisinde ve sualtı dalışlarında (su yüzüne çıkışta gazın tıkanma tehlikesini azalttığından) yararlanılır. Ayrıca derin soğutma sıvısı olarak da kullanılır.

HELYUM: DOĞADAKİ EN İLGİNÇ GAZ

Helyum evrende, hidrojenden sonra en fazla bulunan ikinci elementtir. Yer altında doğal gazla birlikte bulunan renksiz, kokusuz ve yanmayan bir gazdır.
Helyum ilk kez Güneş’in çevresinde fark edildi.
Helyumun yoğunluğu, havanın yoğunluğundan çok düşüktür ve bir litresi 0,18 miligram civarındadır. Bu nedenle Dünya’nın yer çekimi, helyum gazını tutamaz ve gaz serbest bırakılınca atmosferin en üst tabakalarına çıkıp uzaya kaçar. Helyum gazı, başka elementlerle bileşik oluşturmadığı ve atmosferin alt tabakalarında bulunmadığı için uzun süre bilim dünyası onun varlığından habersizdi. İlk kez 1868’de Fransız astronomi uzmanı J. Janssen, Hindistan’da güneş tutulmasını izlerken Güneş atmosferinde bilinmeyen bir gazın varlığını belirledi. Güneş’in atmosferinde, kırmızı renkte bir gaz tabakası vardır ve bu tabakaya kromosfer denilir. Janssen, Güneş’in çevresindeki bu tabakanın spektrumunu incelerken, dalga boyu daha önce bilinen gazlardan farklı olan bir gaz tespit etti. Ancak bu gazın ne olduğunu bilen yoktu. Ardından İngiliz astronomi uzmanı N. Lockyer, Güneş ışınlarının spektrumunu incelerken sodyum metaline karşılık gelen sarı çizginin hemen yanında farklı bir gaza ait bir çizgi daha belirledi. Bu bilinmeyen maddeye, Güneş çevresinde olduğu için Latince güneş anlamına gelen “helios” denildi ve daha sonra bu gazın adı helyum oldu.

Dünya’da Helyuma ilk kez Vezüv Yanardağı’nda rastlandı

İtalyan fizikçi L. Palmieri, 1882’de Vezüv Yanardağı’nın lavlarının spektrumunu incelerken Güneş’in atmosferinde keşfedilen helyuma rastladı.
İskoç asıllı kimya profesörü Sir W. Ramsay; asal gazlar olarak anılan argon, neon, kripton ve ksenon gazlarını izole ettiği gibi helyum gazını da 1895’te izole etmeyi olmadığını incelerken elde ettiği bir gazın spektrumunun helyuma ait olduğunu açıkladı. Aynı yıl içinde İsveçli bilim adamları, uranyum mineralinden helyum elde etti ve helyumun atom ağırlığını da hesapladılar. Ramsay’e başarıları nedeniyle 1904’te Nobel Kimya Ödülü verildi. ABD’nin Kansas Eyaleti’nde küçük bir kasaba olan Dexter’de, 1903’te bir petrol kuyusu kazılırken kuyudan doğal gaz çıkmaya başladı. Kasaba halkı, bol miktarda doğal gaz çıktığı için bir kutlama töreni düzenledi. Kutlama amacıyla, çıkan gazın birkaç gün meşale gibi yakılmasına karar verildi. Belediye başkanı gazı yakmak istedi ancak küçük bir alev çıktı ve hemen söndü. Gaz yanmayınca kuyu sorumlusu, bu gazı kaplarda toplayıp analiz edilmesi için Kansas Üniversitesi Kimya Bölümü’ne teslim etti. Analiz sonunda gazın; %15 metan, %75 azot, %1,84 helyum ve geri kalanın ise bilinmeyen gazlar olduğu anlaşıldı.

Helyum gazının elde edilişi ve ilginç özellikleri

Kansas’ın ardından Oklahoma ve Missouri eyaletlerinin doğal gaz kuyularında da helyum gazı bulundu. Ancak nerede kullanılacağı bilinmediği için helyum üretilmiyordu. Kansas’ta elde edilen helyum gazı, laboratuvardaki 3 küçük cam kapta 10 yıl boyunca terk edildi. Sir W. Ramsay, 1917’de ABD’nin helyum üretmesini ve ordunun kullandığı balonların hidrojen yerine helyumla doldurulmasını önerdi. Hidrojen gazı yanıcı olduğu için kazalara neden oluyordu, helyum ise yanıcı değildi. Bu sayede, ABD’de doğal gaz kuyularından helyum üretimi arttı ve fiyatı da ucuzladı. Helyum ilk kez 1928’de piyasada satılmaya başlandı. İçinde %7'ye varan oranlarda helyum barındıran doğal gaz, düşük sıcaklıkta damıtılarak helyum elde edilir. Helyum gazı, -269 derece civarında sıvılaşır. Sıvı helyum, bulunduğu kabın duvarlarından yukarı doğru tırmanıp kabın dışına çıkar. Helyum, doğada başka bir elementle birleşip bir molekül oluşturmayan iki elementten biridir. Laboratuvarda, bazı elementlerle birleştirilebilir ama elde edilen bileşikler genellikle kararsızdır ve çabuk ayrışırlar. Helyum sıvılaşır ama sıcaklık ne kadar düşürülürse düşürülsün katılaşmaz. Katılaştırmak için sıcaklığın -272 derecenin altına indirilip basıncın da 25 atmosfere çıkartılması gerekir. Su içinde en az çözünen gaz helyumdur. Helyum gazını içine çeken kişilerin sesi ince çıkar, bunun nedeni helyum ortamında ses hızının havaya oranla üç kat hızlı oluşudur. Televizyon programlarında yapılan bu deney, dikkatli olunmazsa ölüme neden olabilir. Japonya'da, 4 Şubat 2015’te basında çıkan habere göre, televizyon programına katılan müzik grubundaki bir kız öğrenci fazla helyum koklayınca komaya girdi.

Helyum günlük yaşamda olduğu kadar yüksek teknolojide de kullanılır

Helyum Dünya’da, yer altındaki uranyum ve toryum gibi radyoaktif elementler bozunurken alfa parçacığı şeklinde üretilir. Bu nedenle Ramsay, uranyum minerallerindeki hapsedilmiş helyumu izole edebilmişti. Yer altında doğal gaz yataklarında biriken helyum, radyoaktif elementlerden çıkan helyumdur. Dünya atmosferi, helyum gazını uzun süre tutamaz ama yer altından sızan helyum atmosferden uzaya kaçan helyumun yerini alır. Helyumu Dünya’da oluşturan diğer kaynak, atmosfere ulaşan kozmik ışınlardaki alfa parçacıklarıdır. Alfa ışınları, +2 yüklü helyum iyonlarıdır ve atmosfere girince iki elektron alıp nötr hale geçerler yani helyum atomuna dönüşürler. Milyarlarca yıldır yer altındaki uranyum ve toryum ile atmosfere giren radyasyon sürekli olarak helyum üretmektedir, yıllık tüketim ise 32 bin tondur. Helyumun %22’si düşük sıcaklık çalışmalarında kullanılır. En fazla helyumu hastanelerdeki MRI cihazları tüketir. ABD’de; uzay, savunma ve enerji programlarında çok miktarda helyum kullanılır. Roketlerin sıvı yakıtlarının basıncı helyumla artırılır. CERN’deki ve diğer parçacık çarpıştırıcılarında helyum, soğutucu olarak kullanılır.
Helyum-neon lazeri, süper iletkenler, ark kaynağı, gece görüş kamerası ve dalgıçların oksijen tankı gibi helyumun kullanıldığı çok alan vardır.