હિલિયમ (helium)

હિલિયમ (helium) : આવર્તક કોષ્ટકના 18મા (અગાઉના શૂન્ય, 0) સમૂહનું હલકું વાયુમય રાસાયણિક અધાતુ તત્વ. સંજ્ઞા He. માત્ર હાઇડ્રોજન એક જ એવું તત્વ છે જે તેના કરતાં હલકું છે. અન્ય તત્વો સાથે સંયોજાતો ન હોવાથી તેને (અને તે સમૂહના અન્ય વાયુઓ) નિષ્ક્રિય (inert) અથવા વિરલ (rare) અથવા ઉમદા (nobel) વાયુ તરીકે ઓળખાય છે.

પૃથ્વીના દ્રવ્યમાં હિલિયમનો અલ્પ અંશ જ મોજૂદ છે, પણ વિશ્વ(universe)માં તે અતિ સામાન્ય તત્વો પૈકીનું એક છે. સૂર્ય અને અન્ય તારાઓ મુખ્યત્વે હાઇડ્રોજન અને હિલિયમ તત્વો ધરાવે છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ જ્યારે સંગલિત થઈ હિલિયમ પરમાણુ બનાવે ત્યારે વિપુલ માત્રામાં ઊર્જા ઉત્પન્ન થાય છે. સૂર્ય અને તારાઓની ઊર્જાનું રહસ્ય આ છે. આ જ પ્રવિધિને કારણે હાઇડ્રોજન બૉમ્બને તેની ઊર્જા મળે છે.

પૃથ્વી ઉપર હિલિયમ કુદરતી વાયુના નિક્ષેપો (deposits) તથા વાતાવરણમાં મળી આવે છે. હલકો હોવાને લીધે તે વાતાવરણમાંથી સતત છટકી જઈ અવકાશમાં જતો રહે છે; પણ આ રીતે ઉદભવતી તેની ઘટ (loss) આલ્ફા-કણો (હિલિયમ નાભિકો He²⁺) છોડતી વિકિરણધર્મી ખનિજો પુન:સ્થાપિત કરે છે, કારણ કે પ્રત્યેક આલ્ફા-કણ બે ઇલેક્ટ્રૉનને ગ્રહણ કરી લઈ સંપૂર્ણ હિલિયમ પરમાણુ બનાવે છે.

18 ઑગસ્ટ 1868ના ખગ્રાસ સૂર્યગ્રહણ વખતે છ જુદા જુદા વૈજ્ઞાનિકોએ જુદી જુદી જગાએ સૂર્યના વર્ણમંડળ(chromosphere)-ના (વર્ણ)પટમાં તેજસ્વી પીળી રેખાઓ જોઈ હતી. ફ્રેન્ચ ખગોળવિદ પિયરે જે. જાન્સેનને આ વર્ણપટના અભ્યાસ દરમિયાન સોડિયમની D-રેખાઓની નજીક એક નવી પીળી રેખા જોવા મળી હતી, જે તે સમયે જાણીતા એવા કોઈ તત્વ સાથે સંબંધિત ન હતી. 20 ઑક્ટોબર, 1868ના રોજ અંગ્રેજ ખગોળવિદ જૉસેફ નૉર્મન લૉક્યરે (1869માં ‘Nature’ સામયિકના સ્થાપક અને 50 વર્ષ સુધી તેના તંત્રી તેમ જ લંડનના સાયન્સ મ્યુઝિયમના પણ સ્થાપક) પણ નોંધ્યું હતું કે આ રેખાઓ ગ્રહણ સમયે જ નહિ, પણ ગમે તે સમયે જોઈ શકાય છે. 1869માં જી. રાયેટે આ રેખા હાઇડ્રોજન કે સોડિયમ સિવાયના કોઈ અન્ય તત્વને આભારી હોવાનું જણાવ્યું. આ ઉપરથી લૉક્યર અને તેમના મિત્ર અંગ્રેજ રસાયણવિદ સર એડવર્ડ ફ્રૅન્કલૅન્ડે 1871માં સૂચન કર્યું કે આ રેખા કોઈ નવા તત્વને કારણે જોવા મળે છે. તેમણે સૂર્ય માટેના ગ્રીક શબ્દ ‘helios’ પરથી આ નવા તત્વને ‘હિલિયમ’ નામ આપ્યું. 1881માં એલ. પામિયેરી(L. Palmieri)ને વિસુવિયસ પર્વતના જ્વાળામુખીય વાયુના વર્ણપટમાં પણ આ રેખા જોવા મળી હતી. 1895માં સ્કૉટિશ રસાયણવિદ વિલિયમ રામસે અને સ્વિડિશ રસાયણવિદો નીલ્સ લેન્ગ્લેટ (Nils Langlet) તથા પર થિયૉડૉર ક્લીવે (Per Theoder Cleve) યુરેનિયમ ધરાવતી નૉર્વેજિયન ખનિજ ક્લીવાઇટ(cleveite)માંથી  મળતા વાયુઓના વર્ણપટને તપાસતાં તેમાં પણ આ રેખા જોવા મળી. આમ પૃથ્વી પર હિલિયમનું અસ્તિત્વ સૌપ્રથમ પ્રસ્થાપિત થયું.

ઉત્પાદન : દુનિયાનો મોટા ભાગનો હિલિયમનો જથ્થો યુ.એસ.નાં કુદરતી વાયુક્ષેત્રોમાંથી મળી આવે છે. યુ.એસ.નાં ટૅક્સાસ, કૅન્સાસ, કૉલોરાડો, ઓક્લાહામા, ન્યૂ મેક્સિકો, એરિઝોના વગેરે રાજ્યોમાંથી તે મળે છે. આ ઉપરાંત કૅનેડા તથા પોલૅન્ડ, સહરા, દક્ષિણ આફ્રિકા અને તત્કાલીન સોવિયેત સંઘમાંથી પણ હિલિયમ મળી આવેલ છે. યુ.એસ.માં 1993માં 9.9 કરોડ ઘન મીટર જેટલા વાયુનું ઉત્પાદન થયું હતું.

કેટલાક કૂવાઓમાંથી મળતા કુદરતી વાયુમાં 8 % જેટલો હિલિયમ હોય છે. વાયુમિશ્રણને તાપવિનિમય યંત્રમાં પસાર કરી પ્રથમ ભેજ અને હાઇડ્રોકાર્બનને દૂર કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ હિલિયમ સિવાયના આર્ગન, હાઇડ્રોજન અને નાઇટ્રોજન પ્રવાહી બને ત્યાં સુધી વાયુમિશ્રણને દબાણ હેઠળ ઠંડું પાડવામાં આવે છે. બાકીના મિશ્રણમાંથી હાઇડ્રોજનને બાળી નાંખવામાં આવે છે. હજુ પણ રહી ગયેલી આર્ગન જેવી અશુદ્ધિઓને અત્યંત ઠંડી કરેલી સક્રિયકૃત (activated) કોલસા વડે શોષી લેવામાં આવે છે. 99.995 % શુદ્ધ હિલિયમને ગ્રેડ A હિલિયમ કહે છે.

ક્રૂડ હિલિયમમાં નાઇટ્રોજન અને હિલિયમ લગભગ 50 – 50 % હોય છે.

ગુણધર્મો : હિલિયમ રંગ, ગંધ અને સ્વાદ વિનાનો અદહનશીલ (non-combustible) વાયુ છે. પાણીમાં તે અત્યંત ઓછો દ્રાવ્ય, જ્યારે આલ્કોહૉલમાં અદ્રાવ્ય છે. ઘન પદાર્થોમાં તેના વિસરણ(diffusion)નો વેગ હવા કરતાં ત્રણગણો હોય છે. તે શ્વાસરોધક (asphyxiant) વાયુ છે. હિલિયમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણીમાં દર્શાવ્યા છે.

સારણી : હિલિયમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો

પરમાણુ-ક્રમાંક	2
ઇલેક્ટ્રૉનીય સંરચના	1s2
પરમાણુભાર	4.002602(2)
કુદરતી સમસ્થાનિકો	2
શુષ્ક હવામાં વિપુલતા (ppm, કદથી)	5.24
આગ્નેય ખડકોમાં વિપુલતા (ppm, વજનથી)	3 × 10–3
ઉત્કલનબિંદુ (k)	4.215
ઉત્કલનબિંદુ (°સે.)	–268.93
ΔHvap (કિ.જૂ./મોલ)	0.08
ઘનતા (STPએ, મિગ્રા./ઘ. સેમી)	0.17850
ઉષ્મીય વાહકતા (0 °સે., J s–1 m–1 k–1)	0.1418
પાણીમાં દ્રાવ્યતા (20° સે., ઘ.સે.મી./કિગ્રા.)	8.61

તેની ઇલેક્ટ્રૉનીય રચના 1s² છે. આમ તેનું બાહ્ય કવચ બે ઇલેક્ટ્રૉન વડે સંપૂર્ણપણે ભરાયેલ હોવાથી રાસાયણિક રીતે તે નિષ્ક્રિય છે.

હિલિયમ વાયુનું સૌપ્રથમ પ્રવાહીકરણ 1908માં કેમરલિંગ ઓન્નેસ દ્વારા લેઇડેન (Leiden) (હોલૅન્ડ) ખાતે આવેલી નિમ્ન-તાપમાન પ્રયોગશાળામાં કરવામાં આવ્યું હતું. 4.2 K તાપમાને 1 વાતા. (atm) દબાણે વાયુ પ્રવાહી બને છે; જેને હિલિયમ–I (He–I) કહે છે. He–Iનું તાપમાન ઘટાડવામાં આવે તો 2.19K તાપમાને એક અજોડ (unique) ફેરફાર જોવા મળે છે અને He–II બને છે, જેના ગુણધર્મો He–I કરતાં જુદા જ હોય છે. He–IIનો એક અસામાન્ય ગુણધર્મ એ છે કે અતિતરલતા (superfluidity) દર્શાવે છે. આ પ્રવાહીમાં એક ખુલ્લો પ્યાલો કે બીકર (beaker) દાખલ કરવામાં આવે તો જ્યારે પ્યાલાનું તળિયું પ્રવાહીની સપાટીને અડકે ત્યારે તેની ઉપર પાતળી (3 × 10^–6 સેમી. જાડી) ફિલ્મ બાઝે છે. આ ફિલ્મ બકનળી જેવું કામ કરે છે અને પ્રવાહી પ્યાલાની બહારની સપાટી ઉપર ઊંચે ચડી તેની ધાર (tip) પરથી વહીને અંદરના ભાગમાં દાખલ થાય છે અને જ્યાં સુધી અંદરની અને બહારની સપાટી સરખી ન થાય ત્યાં સુધી વહન ચાલુ રહે છે. આ ફિલ્મને રોલિન (Rollin) ફિલ્મ કહે છે.

તમામ પ્રવાહીઓમાં હિલિયમ વિચિત્ર છે. તે ઉષ્માનું ઘણું સારું વહન કરે છે અને ગરમ ભાગો તરફ તેનું વહન થાય છે. પ્રવાહીને ઠંડું પાડતાં તેનું સંકોચન ન થતાં વિસ્તરણ (expansion) થાય છે. 25 વાતા.(atm)થી ઓછા દબાણે લગભગ ok તાપમાન સુધી તે પ્રવાહી જ રહે છે. 25 વાતા.(2.5 m. Pa)થી વધુ દબાણ હેઠળ લગભગ 1.1 K તાપમાને તે ઘન સ્વરૂપમાં ફેરવાય છે. 1926માં કીસમે હિલિયમનું ઘન સ્વરૂપ મેળવ્યું હતું.

આમ તો હિલિયમ નિષ્ક્રિય છે પણ પ્લાઝ્મા (plasma) અને સ્ફુલિંગ વીજવિભાર (spark discharges) જેવા આત્યંતિક (extreme) સંજોગોમાં તે અન્ય તત્વો સાથે સંયોજાતું હોવાનું માલૂમ પડ્યું છે. આમ HeNe જેવી સ્પીસીઝ તથા  અને  જેવાં આણ્વિક આયનો જોવા મળ્યાં છે.

ઉપયોગો : હિલિયમ અજ્વલનશીલ (non-combustible) હોવાથી અગાઉ તે હવાઈ જહાજો(airships)માં હાઇડ્રોજનની જગાએ વપરાતો હતો; પણ હવે તે મોસમવિજ્ઞાન માટેનાં બલૂનોમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે. તેનો મુખ્ય ઉપયોગ પ્રમોચન વાહનો(launch vehicles)માં અને રૉકેટોમાં થાય છે. ઉડ્ડયન દરમિયાન રૉકેટની ઇંધન ટાંકીમાં યોગ્ય દબાણ જાળવી રાખવું પડે છે. હિલિયમ દબાણ પેદા કરી ઇંધનને રૉકેટની પમ્પિંગ પ્રણાલીમાં ધકેલે છે અને પોતે ઇંધન તથા ઉપચયનકારકો(oxidents)નું સ્થાન લે છે. પ્રવાહી હાઇડ્રોજનને ઇંધન તરીકે વાપરતાં અવકાશયાનોને ઠંડાં રાખવા પણ હિલિયમ વપરાય છે. આને લીધે એન્જિનની ક્ષમતા વધે છે.

ઉદ્યોગોમાં તેનો સૌથી વધુ ઉપયોગ મૅગ્નેશિયમ, ટાઇટેનિયમ, ઍલ્યુમિનિયમ, સ્ટેનલેસ સ્ટીલ જેવી ધાતુઓના હિલિ-ચાપ (heliarc) વેલ્ડિંગમાં થાય છે. નિષ્ક્રિય હિલિયમ હવામાંના ઑક્સિજનને ધાતુ સુધી પહોંચતો અટકાવે છે. આને લીધે ધાતુ સળગી જતી નથી કે તેનું ક્ષારણ થતું નથી. સંગ્રહ કે પરિવહન દરમિયાન રસાયણો અન્ય તત્વો સાથે પ્રક્રિયા ન કરે તે માટે પણ હિલિયમ વપરાય છે. ચુંબકીય સંસ્પંદન પ્રતિબિંબન(magnetic resonance imaging, MRI)માં પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે. દમના વ્યાધિવાળા અથવા શ્વાસોચ્છવાસની તકલીફવાળા દર્દીઓને ઑક્સિજન અને હિલિયમનું મિશ્રણ અપાય છે. હવામાંના નાઇટ્રોજન કરતાં હિલિયમના અણુઓ હલકા હોઈ મિશ્રણ ફેફસાંમાં સરળતાથી જઈ શકે છે. પાણીમાં દરિયામાં (30 મી. કરતાં વધુ) ઊંડે ડૂબકી મારનારા મરજીવા (divers) સંશ્લેષિત શ્વસનવાયુ (synthetic breathing gas) રૂપે પણ હિલિયમ અને ઑક્સિજનનું મિશ્રણ શ્વાસમાં લે છે. નાઇટ્રોજનની સરખામણીમાં હિલિયમની લોહીમાં દ્રાવ્યતા ઓછી હોવાથી તે વિવાતન (degassing) ઓછું કરે છે. આને લીધે ‘નાઇટ્રોજન નાર્કોસિસ’ નામે જાણીતી માંદગી નિવારી શકાય છે. આવી માંદગીમાં દર્દી સ્પષ્ટપણે વિચારી શકતો નથી અને કેટલીક વખત મૃત્યુ જેવું ગંભીર પરિણામ આવે છે.

આ ઉપરાંત ક્ષરણ(leakage)-પરખક તરીકે, HTR નાભિકીય ભઠ્ઠીઓમાં શીતક તરીકે, વાયુ-પ્રવાહી વર્ણલેખિકી(gas liquid chromatography)માં વહન-વાયુ (flow gas) તરીકે પણ હિલિયમનો ઉપયોગ થાય છે.

આનંદ પ્ર. પટેલ

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ