הליום

הליום

- הליום - מימן
He Ne       2 He                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	2
סמל כימי	He
סדרה כימית	גזים אצילים
מראה
חסר צבע
הליום כנוזל-על
תכונות אטומיות
משקל אטומי	4.02602 u
רדיוס ואן דר ואלס	140 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2
קונפיגורציה אלקטרונית	1s²
תכונות פיזיקליות
צפיפות	0.1785 kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר	גז
נקודת רתיחה	4.22K (-268.93°C)
שונות
אלקטרושליליות	4.5
קיבול חום סגולי	5,193 J/(kg·K)
מוליכות חום	0.152 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	2,372.3 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה	5,250.5 kJ/mol
היסטוריה
מגלה	ויליאם רמזי
תאריך גילוי	18 באוגוסט 1868
נקרא על שם	הליוס

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

ההליום הוא גז אציל חסר צבע וריח ובעל קיבול חום סגולי גבוה מאוד. הוא אינו מסוכן לאדם, והכי פחות פעיל מכל היסודות. בתנאי החדר, הוא מתנהג בדומה לגז אידיאלי. בתנאי לחץ וטמפרטורה רגילים הליום קיים רק כמולקולה חד־אטומית במצב צבירה גזי. בתנאים קיצוניים ביותר 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⁺ (D הוא דאוטריום).

להליום נקודות הקיפאון והרתיחה הנמוכות 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 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).

הדמיה של אטום הליום וסדרי הגודל. הכתם האפור הוא ענן ההסתברות להימצאות האלקטרונים, ובמרכז בסגול גרעין האטום. רוב הנפח שאנו חשים הוא למעשה ריק.

שימושים

ספינת אוויר שמולאה בהליום

שימוש משוער ב-2014 בהליום בארצות הברית לפי קטגוריה. השימוש הכולל הוא 34 מיליון מ"ק.

  קריוגניקה (32%)

  הפעלת לחץ וטיהור (18%)

  אטמוספירות מבוקרות (18%)

  ריתוך (13%)

  איתור דליפות (4%)

  תערובות נשימה (2%)

  אחר (13%)

• ספינות אוויר ובלונים מנופחים עם הליום, כיוון שהוא קל מהאוויר (מטר מעוקב של הליום יכול להרים 1 קילוגרם). הליום מועדף על מימן בספינות אוויר אף על פי שהוא יותר יקר ופחות יעיל (92.64% מכוחו של המימן) מכיוון שהוא אינו דליק.
• תערובת הליום, חמצן וחנקן (או תערובת מימן, הליום וחמצן בעומק נמוך יותר מ-45 מטר) משמשת בצלילה למילוי בלוני אוויר. תערובת זו יכולה למנוע סכנות בצלילה.
• להליום יישומים בקירור כורים גרעיניים.
• בגידול גבישי צורן וגרמניום משתמשים בהליום כגז מגן.
• להליום שימוש בהפקת טיטניום וזירקוניום.
• על מנת להגן על מסמכים היסטוריים חשובים מאחסנים אותם באטמוספירת הליום.
• להליום תפקיד כ"נשא" בכרומטוגרף גזים (מכשיר שמפריד תערובות).
• להליום יישומים בקריוגניקה כגון לקרר מגנטים מוליכות-על במכשירי MRI.
• פיזיקאים משתמשים בחלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום) במחקרי תהליכים גרעיניים.
• בלוני גומי לצורכי בידור (כגון ימי הולדת ומסיבות) לעיתים ממולאים בהליום במקום באוויר על מנת לגרום להם להתרומם.

איזוטופים של הליום

סמל	(p)‏Z	(n)‏N	מסה איזוטופית (u)	זמן מחצית חיים	ספין גרעיני	שכיחות האיזוטופ (כשבר 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

ספקטרום הפליטה של הליום, בתמונה שצולמה בטכניון.

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'נסן, אשר גילה את הקו הזה, שייך אותו, בטעות, לספקטרום הנתרן. ב-20 באוקטובר של אותה שנה גילה האסטרונום האנגלי, נורמן לוקייר (Norman Lockyer), 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.

הליום על-נוזלי מטפס לתוך מבחנה

ב־1907, גילו ארנסט רתרפורד ותומאס רויידס שחלקיקי אלפא הם גרעיני הליום. ב־1908, הצליח הפיזיקאי הגרמני הייק קאמרלניג אונס להפוך הליום גזי 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. הניסיון 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.

הפקה

הליום מסחרי מופק כמעט כולו ממאגרי גז טבעי תת-קרקעיים. ההליום הנמצא בתוכם נוצר לאורך מיליוני שנים כתוצר לוואי של דעיכה רדיואקטיבית של יסודות כבדים יותר — בעיקר אורניום-238 ותוריום-232 — הנמצאים בסלעי קרום כדור הארץ. בתהליך דעיכת אלפא פולטים יסודות אלה קרינת אלפא הקולטים אלקטרונים ויוצרים אטומים של האיזוטופ הליום-4. הליום זה נודד כלפי מעלה דרך סלעים שמאפשרים חלחול עד שהוא נלכד תחת שכבות סלע אטומות כגון צפחה או מלח, שם הוא מצטבר יחד עם הגז הטבעי.

מכיוון שהליום קל מאוויר, הוא אינו נשמר באטמוספירת כדור הארץ ורובו בורח לחלל כאשר הוא חופשי בדומה למימן. על כן, אין כיום שיטה כלכלית לאסוף אותו מהאוויר, שריכוזו בו עומד על 5.2 חלקים למיליון בלבד. לכן, מסתמכת הפקתו על מאגרים תת-קרקעיים סופיים, והוא **משאב בלתי מתחדש**.

תהליך

שדות גז טבעי נחשבים לכלכליים להפקת הליום רק כאשר ריכוזו בגז עולה על 0.3% לפחות מנפח המאגר.

תהליך ההפקה כולל שלבים עיקריים:

1. זיקוק קריוגני (Cryogenic Distillation): הגז הגולמי מקורר לטמפרטורות נמוכות ביותר (עד כ-151°C−), מה שגורם למתאן ולפחמימנים כבדים יותר להתעבות ולהפרד מהגז. הליום — שנקודת הרתיחה שלו נמוכה מכל יסוד אחר — נשאר בצורה גזית.
2. טיהור בספיחה מחזורית בלחץ (Pressure Swing Adsorption – PSA): ההליום הגולמי (שעדיין מכיל חנקן, ניאון ומימן) מועבר דרך מסנני חלקיקים המפרידים בינו לבין הגזים האחרים. באופן זה ניתן להגיע לשיעורי טוהר גבוהים עד 99.999%.
3. הנזלה ואחסון: לצורכי הובלה ואחסון, מונזל ההליום המטוהר בטמפרטורה של כ-269°C− ומאוחסן באמצעים מיוחדים להובלה בקירור עמוק.

מדינות מייצרות

ההפקה העולמית של הליום מרוכזת במספר מצומצם של מדינות. ארצות הברית וקטר אחראיות יחד לכ-75% מהתפוקה הגלובלית. מדינות מפיקות נוספות כוללות את אלג'יריה, רוסיה ואוסטרליה. ארצות הברית שומרת על עתודה פדרלית של הליום (Federal Helium Reserve) בשדה קליפסייד שבטקסס, שהוקמה בשנות ה-20 של המאה ה-20 במקור לצורכי ביטחון לאומי, ושימשה עשרות שנים כמאגר האסטרטגי המרכזי בעולם. מחיר ההליום בדרגה A (99.997% טוהר ומעלה) עמד בשנת 2025 על כ-12 דולר למטר מעוקב.

צורה בטבע

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 ותוריום, בה נפלטים מהגרעין חלקיקי אלפא, המורכבים משני פרוטונים ושני נייטרונים (שהם למעשה He²⁺). חישובים העלו שקרום כדור הארץ מייצר 30 טון 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 מכל, 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 מירידת כמות החמצן בדם אלא מנוכחות כמות מסוימת של פחמן דו-חמצני, לכן בשאיפת הליום, שאינו פעיל כימית ולכן אינו רעיל, במקום חמצן, הגוף אינו מבחין בהיעדר החמצן, בגלל הפינוי המתמיד של פחמן דו-חמצני. על כן, בסביבה עתירת הליום וחסרת חמצן, לאחר מספר דקות ירעבו התאים ובמהרה ימותו בהיעדר החמצן הדרוש בתהליך הנשימה התאית או היפוקסיה, וכל זאת בהיעדר תחושת מחנק.

קישורים חיצוניים

• ד"ר משה נחמני, ‏חשש לפגיעה במדע ובטכנולוגיה בשל הפחתה במלאי גז ההליום, באתר "הידען"
• עדנה לבל, הליום, באתר מכון ויצמן למדע
• בלדד השוחי, מה קורה כששואפים הליום, באתר ערוץ עשר
• אוהד זיס, זה סופו של כל בלון?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 5 במאי 2017
• מאיר ברק, מדוע כאשר שואפים הליום ואז מדברים הקול משתנה?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, מאי 2011
• הליום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• הליום, דף שער בספרייה הלאומית

• Why does helium make you sound funny? at Smart Learning for All, January 2018