موسوعة الكيمياء - قائمة العناصر : الهيليوم

الهيليوم

الهيليوم He هو عنصر كيميائي لا لون له ولا رائحة وعديم الطعم. يـأتي بعد الهيدروجين مباشرة في الجدول الدوري للعناصر. تحتوي نواة ذرته على 2 بروتون و 2 نيوترون ويسمى الهيليوم-4. كما يوجد له نظير تحتوي نواته 2 من البروتونات و 1 بروتون يسمى الهيليوم-3. وهو من العناصر الخاملة أو النبيلة (الغازات النادرة)، وبسبب خموله الكيميائي لا توجد جزيئات له، فهو يوجد دائما في صورته الذرية.

له أقل درجات الغليان والانصهار مقارنة ببقية العناصر، وهو لا يوجد إلا في الحالة الغازية باستثناء ظروف خاصة جدا. وهو ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون وتكون خلال الانفجار العظيم، كما تزداد نسبة وجوده في الشمس عن طريق الاندماج النووي للهيدروجين. توجد كميات ملموسة منه على الأرض وهي موجودة فقط في الغاز الطبيعي.

يستخدم الهيليوم في تطبيقات علوم درجات الحرارة شديدة لانخفاض، وفي أنظمة تنفس الغواصيين، ولنفخ البالونات. والهيليوم غاز غير سام وليس له تأثير بيولوجي على الكائنات الحية.

الخصائص العامة
الاسم، الرقم، الرمز	هيليوم، 2، He
تصنيف العنصر	غاز نبيل
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي	18، 1، s
الكتلة الذرية	4.002602غ·مول−1
توزيع إلكتروني	1s2
الخصائص الفيزيائية
الطور	غاز
الكثافة	(0 °س، 101.325 كيلوباسكال) 0.1786 غ/ل
كثافة السائل عند نقطة الانصهار	0.145 غ·سم−3
نقطة الانصهار	(عند 2.5 ميغاباسكال) 0.95 ك، −272.20 °س، −457.96 °ف
نقطة الغليان	4.22 ك، −268.93 °س، −452.07 °ف
النقطة الحرجة	5.19 ك، 0.227 ميغاباسكال
حرارة الانصهار	0.0138 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر	0.0829 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية	(25 °س) 20.786 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار
P (باسكال) 1 10 100 1 كيلو 10 كيلو 100 كيلو عند T (كلفن) 1.23 1.67 2.48 4.21
الخصائص الذرية
الكهرسلبية	لا بيانات (مقياس باولنغ)
طاقات التأين	الأول: 2372.3 كيلوجول·مول−1
	الثاني: 5250.5 كيلوجول·مول−1
نصف قطر تساهمي	28 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس	140 بيكومتر
خصائص أخرى
البنية البلورية	نظام بلوري سداسي مرصوص
المغناطيسية	مغناطيسية معاكسة
الناقلية الحرارية	0.1513 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
سرعة الصوت	972 متر/ثانية
رقم الكاس	7440-59-7
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر الهيليوم
النظائر توافر طبيعي عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال (ميغا إلكترون فولت) ناتج الاضمحلال 3He 0.000137%* 3He هو نظير مستقر وله 1 نيوترون 4He 99.999863%* 4He هو نظير مستقر وله 2 نيوترون *القيم حسب الوفرة في الغلاف الجوي، لكنها يمكن أن تكون غير ذلك خارجه

تاريخه

لوحظ الهيليوم لأول مرّة عام 1868 بسبب خط أصفر لامع في الطيف الضوئي للشمس لاحظه الفلكي الفرنسي بيير جانسين أثناء حدوث كسوف شمسي في الهند. وفي ذات العام لاحظ الفلكي الإنجليزي نورمان لوكير نفس المقطع الأصفر من الطيف الضوئي للشمس واستنتج أن هذا الطيف الضوئي سببه عنصر غير موجود على الأرض. فأطلق عليه سوية مع العالم الإنجليزي إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس هيليوس. وفي 1895، استطاع العالم البريطاني ويليام رامساي أن يعزل الهيليوم على الأرض بمعالجة الكليفيت بأحماض معدنية، وشخصت هذه العينات على أنها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروكس. وفصل أيضا بتجربة منفصلة باستخدام الكليفيت في نفس العام على يد الكيميائي السويدي بير تيودور كليفي ونيلز لانجليت.

في عام 1905، اكتشف العالمان الأمريكيان هاميلتون كادي وديفيد مك فارلاند أن الهيليوم يمكن استخلاصه من الغاز الطبيعيوفي 1907، طرح إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيم ألفا هو نواة الهيليوم.

أسيل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي الهولندي هايكه كاميرلنجث أونيس عام 1908 بتبريد الغاز لأقل من درجة كلفن واحدة، وحول إلى الحالة الصلبة أول مرّة عام 1926 على يد تلميذ هايكه، ويليام هيندريك كيسوم. وفي 1938 اكتشف العالم الروسي ليونيدوفيش كابيتسا أن نظير الهيليوم-4 عديم اللزوجة تقريبا في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بالميوعة الفائقة.  ولهذه الظاهرة صلة بتكاثف بوز وأينشتاين وفي عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هيليوم-3 على يد الفيزيائيين الأمريكييين دوغلاس أوشيروف وديفيد لي وروبرت ريتشاردسون.

حالاته

تحت درجة الحرارة والضغط القياسيين، يوجد الهيليوم في الحالة الغازية فقط. وهو لا يتحول إلى الحالة الصلبية إلا تحت ضغوط كبيرة، والذي بتغيره يتغير حجم المادة الصلبة. وفي درجة حرارة دون درجة غليان الهيليوم 4.21 كلفن، وفوق "نقطة لامدا" 2.1768 كلفن، يكون النظير هيليوم-4 في حالة السيولة العادية وتسمى هيليوم I (تنطق هيليوم واحد)، ولكن تحت "نقطة لامدا"، يكون للهيليوم خواص فيزيائية غريبة، ويسمى عندها بهيليوم II (تنطق هيليوم إثنين)، ومثل هذه الخواص الفيزيائية غير واضحة عند النظير هيليوم-3.

هيليوم II

هيليوم II له خصائص سائلين، أحدهما سائل عادي والآخر عديم اللزوجة، فلا احتكاك داخلي بين جزيئاته، وله حركة جريان سريعة، وله موصلية كهربائية أعلى من أي مادة أخرى، وتنتقل فيه الحرارة على شكل موجات.

تفاعله

الهيليوم عنصر خامل كيميائيا تحت كل الظروف العادية. ولكن تحت ظروف كهربائية معينة يمكن للهيليوم أن يكون مركبات مع التنجستن، واليود، والفلورايد والكبريت والفوسفور.

نظائره

هناك 8 نظائر معروفة للهيليوم، ولكن النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 هما الوحيدين المستقرين، فالبقية لها نشاط إشعاعي، وتتحول بسرعة إلى عناصر أخرى. أكثر النظائر انتشارا هو هيليوم-4 ، وهو يتكون من جسيم ألفا في نواته الذرية، ويدور حولها 2 إلكترون في الغلاف الذري، وجسيم الألفا هو أكثر الجسيمات استقرارا، أما النظير هيليوم-3 فهو نادر على الأرض وهو ينتج من التريتيوم بعد إشعاعه لإلكترون خلال تحلل بيتا.

تواجده

الهيليوم ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون المعروف بعد الهيدرجين، ويشكل حوالي ربع كتلة الكون. ووجوده يتركز في النجوم، حيث أنه يتكون هناك من اتحاد ذرات الهيدرجين، وحسب نظرية الانفجار العظيم، تكون أغلب الهيليوم في الدقائق الثلاث الأولى بعد الانفجار (أنظر خط زمني للانفجار العظيم).

أما على الأرض، فإن الهيليوم يشكل جزء واحد من 200 ألف جزء، وذلك يعود بشكل رئيسي إلى تطاير الهيليوم إلى الفضاء الخارجي، وكميات الهيليوم الملموسة الموجودة على الأرض ناتجة عن النشاط الإشعاعي للعناصر المشعة، أما أكبر تركيز له فهو موجودة مع الغاز الطبيعي ومنها يستخرج معظم الهيليوم للاستخدامات التجارية، وتعتبر آبار الغاز في ولايات تكساس، أوكلاهوما وكنساس الأمريكية المصدر الرئيسي لهذا الغاز في العالم.

استخداماته

تتركز أسباب تطبيقات استخدام الهيليوم دون غيره في بعض المجالات إلى كونه غازا خاملا لا يتفاعل بسهولة إضافة إلى عوامل أخرى.

• يستخدم الهيليوم للمناطيد الضخمة والبالونات، لأنه أخف من الهواء فهو ثاني أخف غاز موجود، كما أنه لا يحترق أو ينفجر مما يجعل منه خيارا مناسبا لمثل هذا التطبيق.
• صوت الإنسان الذي استنشق هواء فيه تركيز ملموس من الهيليوم، يصبح عالي الدرجة (من النعومة والجهارة، فيسمع كان فيه شيء من التزمير)، وذلك يعود إلى أن سرعة الصوت في الهيليوم أكبر بثلاث مرات من سرعته في الهواء العادي، مما يؤدي إلى زيادة تردده عند وصول موجات الصوت إلى الهواء العادي، ولكن التعرض لاستنشاق تركيزات عالية من الهيليوم قد تودي بالحياة بسبب نقص الأكسجين.
• يستخدم خليط الهيليوم مع الأوكسجين والنيتروجين لملء قوارير هواء تنفس الغواصين في الأعماق الكبيرة لأنه يساعد في منع التسمم الأكسجيني والاستبدال النيترجيني (دخول النيتروجين إلى الدم بدل الأكسجين الأمر الذي يؤثر على عمل الأعصاب ويعطي تأثيرا شبيها بالسُكر) تحت ضغوط الأعماق الكبيرة.
• يستخدم الهيليوم في بيئات تنمية البلورات الدقيقة في الظروف الحساسة لأنه لا يتفاعل ولا يؤثر في تركبها.

• يستخدم الهيليوم للمساعدة في ضغط الوقود الغازي المسال (كالهيدرجين السائل)، وذلك لأنه لا ينفجر تحت ضغوط أو درجات حرارة عالية.
• يستخدم أيضا في تبريد المغانط الكهربائية في جهاز الرنين المغناطيسي كما يعمل على تقليل مقاومة مرور التيار الكهربى في المغناطيس الكهربى والعمل على ايصاله لدرجه فائقيه التوصيل بتقليل المقاومه والتي يمكن تحصيلها عند درجات حراره المنخفضه جدا.
• استعملت كميات هائلة من الهيليوم في تبريد منظومة المصادم الهدروني الكبير مؤخراً للوصول إلى درجات حرارة فائقة الانخفاض (حوالى 1.9

تعريف الهليوم

يعتبر الهليوم من الغازات النبيلة الخاملة عدده الذري 2وله مجموعة من الغازات النبيلة في الجدول الدوري للعناصر؛ رمزه الكيميائيHe نقطة غليانه هي الأدنى بين الهيئات المعروفة ومن نظائره المستقرة الهليوم الرباعي والهليوم الثلاثي وتختلف هذه العناصر الكيمائية اختلافا جوهريا في خصائصها ويأتي الهليوم بعد الهدروجين في الجدول الدوري ويعتبر العنصرالأكثر وفرة في الكون حاليا تم إنتاج الهليوم خلال عملية الاصطناع النووي الأساسي وقد لوحظ هذا الغاز لأول مرة في الطيف الشمسي ومن خواصه أنه لا لون له ولا رائحة وعديم الطعم وله تأثيرات نوعية حساسة لانخفاض الطاقة

تاريخه

الاكتشافات العلمية

وقد لوحظ أول دليل من الهليوم في 18 أوت1868 كخط أصفر لامع مع ،طول موجة من 587.49 نانومتر في الطيف ،تم الكشف عن الخط الفلكي الفرنسي جول يأنس خلال كسوف كلي للشمس في جون تور، وكان من المفترض في البداية هذا الخط ليكون الصوديوم. يوم 20 أكتوبر من العام نفسه، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي نورمان ولكير خط أصفر في الطيف الشمسي التي سماها خط D3 لأنها كانت بالقرب من خطوط معروفة D1 و D2 من الصوديوم في 1882اكتشف عالم الفيزياء الإيطالي لويجي بالمييري الهليوم على الأرض لأول مرة من خلال خط الطيف هو يحلل في بركان فيزرف في 26 مارس 1895 معزولة الاسكتلندي السير وليام رمزي الكيميائي وجود الهليوم على الأرض عن طريق المعالجة المعد نية (مجموعة متنوعة من مع ما لا يقل عن 10 ٪ العناصر الأرضية النادرة) مع الأحماض المعدنية. وكان رمزي يبحث عن الأرجوان ولكن بعد فصل النيتروجين والأكسجين من الغاز ات المحررة من جراء حمض الكبريتيك لاحظ أنه وجدخط أصفر لامع يطابق خط D3 لوحظ في الطيف في أحد العينات  هذه العينات تم تحديدها من قبل ولكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروس. كانت معزولة ومستقلة من clavète في العام نفسه قام الكيميائيين لكل تيودور كليف وL’anglet إبراهيم في أوب سالا الذي جمع ما يكفي من غاز الهليوم لتحديد بدقة وزنه الذري. كما تم عزل  من الهليوم أمريكا كيميائي الجيولوجيا وليام فرانسيس هيلبراند قبل اكتشاف رمزي أن الخطوط الطيفية غير عادية أثناء اختبار عينة من uraninite المعدن. عروض رامزي قضية مثيرة للاهتمام واكتشف في مجال العلوم إن جسيمات ألفا هي نواة الهيليوم من خلال السماح للجسيمات باختراق الجدار الزجاجي لاجلاء الانبوب، ثم إنشاء أنبوب التصريف في دراسة للأطياف من جديد للغاز في الداخل في عام 1908 وكان أول الهليوم المسال من طرف الهولندي أونز فيزيائي Hamerling هاتكه بواسطة تبريد الغاز إلى أقل من واحد كلفن  وقال إنه حاول ترسيخ ذلك عن طريق الحد من زيادة درجة الحرارة ولكنها فشلت بسبب أن الهليوم لا يملك درجة الحرارة في النقطة الثلاثية للمراحل الصلبة والسائلة والغازية في حالة توازن. في 1938 اكتشف عالم الفيزياء الروسي بيوتر Leonidovich Kapitsa أن الهليوم - 4 يكاد لا يملك أي اللزوجة في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق وهي ظاهرة تسمى الآن ميوعة فائقة وترتبط هذه الظاهرة إلى تكاثف.لوحظ وجود نفس الظاهرة في الهليوم -3، ولكن في درجات الحرارة أقرب إلى الصفر المطلق من قبل الفيزياء الأميركي دوغلاس Osheroff دال ديفيد لي وروبرت ريتشاردسون جيم. ويعتقد أن هذه الظاهرة في الهليوم 3 - يجب أن تكون متصلة المزاوجة بين الفرميونات الهيليو م -3 لجعل البوزونات

استخراج واستخدام المياه

بعد عملية الحفر للنفط في 1903 في كستر أنتجت كاندساس السخان الغاز الذي لن يحترق في ولاية كنسناس جيولوجي ايراسموس هاوورث جمع عينات من الغاز مع مساعدة من الكيميائيين هاميلتون كادي وديفيد مكفارلاند، اكتشف أنها تتألف من حيث الحجم 72 ٪ النيتروجين وغاز الميثان 15 ٪ (نسبة احتراق فقط مع ما يكفي من الأوكسجين) 1 ٪ هيدروجين و 12 ٪ من الغاز مع مزيد من التحليل اكتشف كادي ومكفارلاند أن 1،84 ٪ من عينة الغاز والهليوم وهذا أظهر أنه على الرغم من ندرته الشاملة على الأرض وتركزالهليوم بكميات كبيرة تحت السهول العظمى الأمريكية والمتاحة لاستخراج منتجا ثانويا من الغاز الطبيعي إن أكبر احتياطيات من الهليوم كانت في حقول الغاز القريبة من جنوب غرب ولاية كاندساس ومكن ذلك أصبحت الولايات المتحدة أكبر مورد في العالم في مجال الهليوم بناءا على اقتراح من ريتشارد ثري لفال رعت الولايات المتحدة البحرية ثلاث محطات صغيرة للهليوم التجريبية خلال الحرب العالمية الأولى والهدف هو تزويد بالونات ابل مع أنها غير قابلة للاشتعال وأخف وزنا من الهواء والغازوقد سبق وأنتجت مجموعهM3 200000 مكعب) من الهليوم 92 ٪ في البرنامج استخدمت بعض من هذا الغاز في العالم للبحرية الأمريكية سي 7. استمر الإنتاج على الرغم من عدم وضعية عملية الاستخراج المناسبة وذلك باستخدام درجات الحرارة المنخفضة في الوقت المناسب لتكون كبيرة خلال الحرب العالمية الأولى. كان يستخدم في المقام الأول للهليوم الغاز زيادة على ذالك استخدام هذا الطلب خلال الحرب العالمية الثانية فضلا عن مطالب لحام قوس محمية تعين على حكومة الولايات المتحدة في عام 1925 بتزويد المناطيد العسكرية في زمن الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم.  وبسبب الحصار العسكري الأمريكي ضد ألمانيا إن إ مدادات الهليوم صارة ت مقيدة اضطرت لاستخدام الهيدروجين ورفع الغاز. وكان الاكتئاب في استخدام الهليوم بعد الحرب العالمية الثانية ولكن تم توسيعه لضمان إمدادات من الهليوم السائل كمبرد لإنشاء الأوكسجين / الهيدروجين وقود الصواريخ) خلال سباق الفضاء. وكان استخدام الهليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 أكثر من ثماني مرات في زمن الحرب ذروة الاستهلاك بعد "تعديلات أعمال الهليوم لعام 1960" (القانون العام 86-777)تم حقن خليط هليوم النيتروجين وتخزينها في حقل غاز الجرف لحين الحاجة إليه قد تم جمع مليار متر مكعب من الغازوالبلوغ كان 1.4 مليار دولار من الديون مما دفع الكونغرس في الولايات المتحدة في 1996 للتخلص التدريجي من الاحتياطات الناتجة 1996 " وجهت الولايات المتحدة وزارة الداخلية لبدء تفريغ الاحتياط بحلول عام 2005 إنتاج الهليوم بين عامي 1930 و 1945 بلغ نحو 98،3 ٪ نقية (2 ٪ النيتروجين) والتي كانت كافية للمناطيد. في عام 1945 وأنتجت كمية صغيرة من الهليوم 99،9 ٪ للاستخدام لحام بحلول عام 1949 متاحة لسنوات عديدة تنتج الولايات المتحدة أكثر من 90 ٪ من الهليوم تجاريا صالحة للاستعمال في العالم، في حين استخراج كندا، بولنداو روسيا ووغيرها من الدول المنتجة المتبقية. في منتصف 1990، مصنع جديد في أرزيووالجزائر إنتاج 17 مليون متر مكعب (600 مليون قدم مكعب) وبدأت العملية مع إنتاج ما يكفي لتغطية كل من الطلب في أوروبا. وفي غضون ذلك، بحلول عام 2000 كان استهلاك الهليوم داخل الولايات المتحدة وإرتفع إلى أعلى من 15 مليون كيلوغرام سنويا.  في الفترة 2004 في -2006 محطتين إضافيتين واحدة في رأس Laffen قطر وأخرى في سكيكدة بالجزائر ولكن اعتبارا من أوائل عام 2007 رأس يعمل بنسبة 50 ٪بسكيكدة بالجزائر وسرعان ما أصبحت ثاني أكبر منتج للهليومخلال هذا الوقت، وزيادة الاستهلاك على حد سواء للهليوم وتكاليف إنتاج الهليوم في أسعار الفترة 2002 حتى 2007وخلال عام 2008 رفعت أسعار نحو 50 ٪.

الخصائص

ذرة الهليوم صورت في شكل نواة وتوزعت سحابة الإلكترونات في نواة الهليوم -4 وهو في واقع الأمر متماثل كرويا وتشبه السحابة الإكترونية على الرغم من وجود نوى أكثر تعقيدا.

الهليوم في ميكانيكا الكم

الهليوم هو ذرة بسيطة تتحلل باستخدام قواعد ميكانيكا الكم وهذا بعد ذرة الهيدروجين. الإلكترونات في المدارات الذرية المحيطة بالنواة تحتوي على اثنين من البروتونات على طول مع بعض النيوترونات. كما هو الحال في ميكانيكا نيوتن لا يمكن حل أي نظام يتألف من أكثر من عقدين من جسيمات ذات النهج التحليلي الدقيق الرياضي والهليوم ليس استثناء. وبالتالي يتعين على الطرق الرياضية العددية في حل في نظام واحد اثنين من النواة ذات الالكترونات. وقد استخد مت هذه الأساليب في الكيمياء الحسابية لخلق صورة الكم الميكانيكية من الإلكترون في الهليوم;و في خطوات قليلة الحاسوبية. وفي مثل هذه النماذج وجدت أن كل إلكترون في الهليوم له شاشات جزئية في النواة هذا من جهة حيث يرى كل إلكترون بحوالي 1،69 وحدة.

استقرار ذات نواة الهليوم - 4

نواة ذرة الهليوم - 4 مطابقة مع جسيمات ألفا، تجارب الطاقة العالية للإكترونات ادت إلى إظهار شحنتها إلى الانخفاض بشكل كبير كحد أقصى في نقطة مركزية تماما كما يفعل المسئول عن كثافة سحابة الهليوم والإلكترون الخاصة. هذهالتماثل تعكس الفيزياء الأساسية المماثلة : زوج من النيوترونات وزوج من البروتونات في نواة الهليوم ونفس القواعد الميكانيكية كما يفعل زوج الهليوم من الإلكترونات (على الرغم من الجسيمات النووية تخضع لإمكانات مختلفة ملزمة النووية) بحيث أن كل هذه الفرميونات احتلت في كامل لأزواج. على سبيل المثال طاقة الاستقرار وانخفاض الإلكترون سحابة في حسابات الهليوم (الأكثر تطرفا من جميع العناصر)، وأيضا عدم وجود تفاعل ذرات الهليوم مع بعضها البعض ينتج أقل ذوبان وغليان في نقاط جميع العناصر. استقرارو حيوية خاصة في نواة الهليوم - 4 التي تنتج عنها آثار مماثلة وحسابات لسهولة إنتاج الهليوم -4 في التفاعلات النووية التي تنطوي على حد سواء انبعاث الجسيمات الثقيلة. ويتم إنتاج بعض العناصر المستقرة مثل الهليوم - 3 في اندماجات الهيدروجين وهو جزء صغير جدا مقارنة مع الهليوم-4 واستقرار الهليوم-4 يؤدي إلى تحويل الهيدروجين وأيضا مسؤولة عن حقيقة أن للجسيمات ألفا إلى حد بعيد يمكن إخراجه النوع الأكثر شيوعا من الكتلة. وهذا ما يفسر حقيقة أن في الدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير باسم "شوربة" من البروتونات والنيوترونات الحرة التي أنشئت في البداية في حوالي 6:01، نسبة تبريد لدرجة أن النوية ملزمة وكلها تقريبا نواة مجمع الذرية الأولى على شكل الهليوم- 4 للإنتاج تستهلك كلها تقريبا من النيوترونات الحرة في بضع دقائق قبل أن يتمكنوا من بيتا الاضمحلال وترك أيضا بعض لتشكيل ذرات أثقل مثل الليثيوم والبريليوم أو البورون لتكون أقوى مما كانت عليه في أي من هذه نيوكلون والكربون. ولكن نظرا لعدم وجود عناصر وسيطة وهذه العملية تتطلب نواة الهليوم ثلاثة ضرب بعضهم البعض في وقت واحد تقريبا. وهكذا كان في بضع دقائق بعد الانفجار الكبير وذلك قبل بداية الكون توسيع تبريده إلى درجة حرارة وضغط حيث نقطة انصهار الهليوم إلى الكربون لم يعد ممكنا. بقي هذا الكون في وقت مبكر مع نسبة مشابهة جدا من الهيدروجين / الهليوم كما نلاحظه اليوم (3 أجزاء الهيدروجين إلى هليوم - 4 مع النيوترونات تقريبا كل شيء في الكون المحاصر في الهليوم-4. وكان بذلك جمع عناصر أثقل (بما في ذلك تلك اللازمة لكواكب صخرية مثل الأرض، في النجوم التي كانت ساخنة بما يكفي لصهر الهيدروجين ليس فقط (لهذا تنتج فقط مزيد من الهليوم) جميع العناصر الأخرى من حساب الهيدروجين والهليوم فقط 2 ٪ من كتلة المسألة النووية في الكون. الهليوم - 4 على النقيض من ذلك تشكل نحو 23 ٪ من الكونالمسألة مسألة عادية.

الغاز ومراحل البلازما

الهليوم هو الغاز الأقل رد فعل بعد النيون وبالتالي رد الفعل الثاني على الأقل من كل العناصر الخاملة وأحادية الذرة في جميع الظروف القياسية. لأن التوصيل الحراري لها أي الحرارة النوعية وسرعة الصوت في المرحلة الغازية كلها أكبر من أي غاز آخر عدا الهيدروجين. لأسباب مماثلة وأيضا بسبب صغر حجم ذرات الهليوم ومعدل الهليوم ونشرها من خلال المواد الصلبة هي ثلاثة أضعاف من الهواء وحوالي 65 ٪ من الهيدروجين. 0.4394، وx2/10-5 0.2372، على التوالي، مقابل الهليوم في 0،70797 x2/10-5، )، ومؤشر الهليوم من الانكسار هو أقرب إلى الوحدة من أن أي غازات أخرى. الهليوم  لديه سلبية جول طومسون معامل في درجات الحرارة المحيطة العادية، بمعنى أنه عندما يسخن سمح لتوسيع بحرية. فقط تحت درجة حرارة قلب جول طومسون في الغلاف الجوي بارد على توسيع الخطوط.  مرة واحدة تحت هذا precooled ويمكن من خلال تبريد الهليوم المسال التوسع. تم العثور على معظم الهليوم خارج الأرض في حالة البلازما، مما أدى إلى الموصلية الكهربائية عالية جدا، حتى عندما يكون الغاز المنأين جزئيا فقط. وتتأثر بشدة والجسيمات المشحونة بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية. على سبيل المثال، في الرياح الشمسية مع الهيدروجين المنأين، وتتفاعل مع جزيئات الغلاف المغناطيسي للأرض مما أدى إلى التيارات Birkeland وأوروا في

المراحل الصلبة والسائلة

الهليوم المسال هو الهليوم السائل، ولكن تم تبريده إلى درجة ميوعة فائقة. قطرة من السائل في الجزء السفلي من الزجاج يمثل الهليوم هروب عفوي من الحاوية على الجانب، لتفريغه من الحاوية. يتم توفير الطاقة اللازمة لدفع هذه العملية من الطاقة الكامنة للهليوم.

الهيليوم السائل

وعلى عكس أي عنصر آخر يظل الهليوم السائل وصولا إلى درجة الصفر المطلق في الضغوط العادية هذا هو التأثير المباشر لميكانيكا الكم على وجه التحديد والطاقة من نقطة الصفر مرتفعة للغاية للسماح بالتجميد للهليوم الصلب؛ يتطلب درجة حرارة -1،5 كلفن (-272 درجة مئوية أو حوالي -457 درجة فهرنهايت) وحوالي 25 بار (2.5 ميغاباسكال) من الضغط.   وغالبا ما يكون من الصعب التمييز بين الهليوم الصلب والسائل منذ الانكسار للمرحلتين هي نفسها تقريبا. الصلبة ونقطة انصهار حاد، ولها هيكل بلوري، ممارسة الضغط في المختبر يمكن أن تقلل من حجمه أكثر من 30 ٪ [43] مع معظم معامل بناءوفي أكثر 50 مرة من المياه للانضغاط. نظير الهليوم - 4 موجود في الحالة العادية سائل عديم اللون، مثل السوائل المبردة الأخرى، الهليوم يغلي عندما يسخن والعقود عندما يتم خفض درجة حرارته. الهليوم لديه مؤشر الغاز على غرار الانكسار من 1،026 مما يجعل سطحه صعب جدا أن يطفو من الستايروفوم وغالبا ما تستخدم لإظهاره حيث سطح هذا السائل عديم اللون يحتوي على اللزوجة منخفضة جدا وكثافة 0،145 جم / مل، التي ليست سوى ربع القيمة المتوقعة من الفيزياء الكلاسيكية في ميكانيكا الكم لشرح هذه الخاصية، وبالتالي كلا النوعين من الهليوم السائل تسمى سوائل الكم، بمعنى أنها تعرض خصائص نووية. قد يكون تأثير غليانها يجري على مقربة من الصفر المطلق، ومنع الحركة الجزيئية العشوائية (الطاقة الحرارية) الهليوم السائل أدناه نقطة لامدا لها تبدأ تظهر خصائص غير عادية جدا في حالة تسمى الهليوم الثاني غليان الهليوم الثاني غير ممكن بسبب التوصيل الحراري إدخال الحرارة يؤد إلى تبخر السائل مباشرة إلى غاز. الهليوم - 3 ولكن فقط في درجات حرارة أقل من ذلك بكثيرونتيجة وأقل كما هو معروف عن هذه الممتلكات في النظائر  وعلى عكس السوائل العادية الهليوم زحف على طول الأسطح من أجل الوصول إلى مستوى متساو ي وبعد فترة قصيرة. من أجل الحفاظ على التوازن جزء من الهليوم الفائق وتسرب الهليوم الفائق من ويزيد من الضغط مما تسبب في السائل لنافورة من الحاوية.  والتوصيل الحراري الثاني الهليوم هو أكبر من أي مادة أخرى معروفة، مليون مرة من أن الهليوم الأول فالينس من الإلكترونات وعدة مئات المرات التي من النحاس.  وذلك لأن التوصيل الحراري يحدث بواسطة آلية الكم استثنائية. الهليوم الثاني لا يوجد لديه مثل هذه الفرقة فلينس لكن مع ذلك يجري بشكل جيد للحرارة. وينظم تد فق الحرارة عن طريق المعادلات التي تشبه معادلة الموجة المستخدمة لوصف انتشار الصوت في الهواء؛ عند عرض الحرارة وهو يتحرك في 20 متر في الثانية الواحدة 1،8 ك من خلال موجات الثاني الهليوم كما في ظاهرة تعرف باسم الصوت الثاني  الهليوم الثاني أيضا معارض لتأثير الزاحف المواد السطحية. ويسمى هذا الفيلم فيلم رولين وسميت على اسم الرجل الذي يتميز أول هذه الصفة، برنار خامسا روبلين.  ونتيجة لهذا السلوك الزاحف وللهليوم قدرة على تسرب بسرعة من خلال فتحات صغيرة فمن الصعب جدا حصر الهليوم السائل. ما لم يتم بعناية الحاوية، والثاني الهليوم زحف على السطوح ومن خلال الصمامات حتى تصل إلى أكثر دفئا في مكان ما، حيث أنها سوف تتبخر. تخضع موجات نشر عبر فيلم روبلين من المعادلة نفس موجات الجاذبية في المياه ولكن بدلا من الجاذبية والقوة هي قوة استعادة فان دير فال.  وتعرف هذه الأمواج كصوت الثالث. 

النظائر

هناك ثمانية من النظائر المعروفة للهليوم ومنها الهليوم 3 - والهليوم – 4 المستقرة في الغلاف الجوي للأرض لمعظم العناصر والنظائر تختلف اختلافا كبيرا حسب المنشأ وذلك بسبب عمليات تشكيل مختلفة ويتم إنتاج النظائر الأكثر شيوعامثل الهليوم - 4 على الأرض عن طريق اضمحلال ألفا من العناصر المشعة لأثقل وجسيمات ألفا التي تظهر في الهليوم المتأين ،نواة الهليوم - 4 هي نواة مستقرة على نحو غير عادي وتشكلت أيضا في كميات هائلة خلال عملية الاصطناع النووي الانفجار الكبير. الهليوم - 3 موجود على الأرض فقط في كميات ضئيلة وأكثر من ذلك منذ تشكل الأرض وتنتج أيضا  كميات ضئيلة من الاضمحلال بيتا من الغلاف الجوي التريتيوم  و الصخور والقشرة الأرضية لديهم نسب النظائر المختلفة أقصر عمرا النظائر الثقيلة الهليوم - 5 وله عمر نصف 7،6 الهليوم - 6 يضمحل عن طريق إصدار جسيم بيتا وحياة نصف 0،8 ثانية. الهليوم - 7 تنبعث أيضا جسيمات بيتا وكذلك أشعة غاما. يتم إنشاء الهليوم - 7 و 8 في بعض التفاعلات النووية

تفاعله

الهليوم لديه التكافؤ صفر ويتفاعل كيميائيا تحت كل الظروف العادية.  كما هو الحال مع الغازات النبيلة الأخرى، والهليوم ومستويات الطاقة متبدل الاستقرار التي تسمح بالبقاء في المتأين والتفريغ الكهربائي مع الجهد دون جهد التأين لها. يمكن أن يتفاعل مع ا لتنجستن اليودوالفور والكبريت والفسفور عندما تعرض على المركبات الغير المستقر وقد تم وضع الهليوم داخل جزيئات الكربون قفص جوفاء (في الفوليرينات) عن طريق التسخين تحت ضغط عال. جزيئات الفوليرين endohedral شكلت مستقرة تصل إلى درجات حرارة عالية. عندما تتشكل هذه المشتقات الكيميائية الفوليرينات، ويبقى داخل الهليوم يستخدم  إذا الهليوم -3 لوحظ بسهولة الهليوم الطيفي بالرنين المغناطيسي. تم الإبلاغ عن  الفوليرينات كثيرة تحتوي على الهليوم - 3. على الرغم من عدم تعلق ذرات الهيليوم بواسطة روابط تساهمية أو أيونية وهذه المواد لها خصائص مميزة وتكون واضحة، على غرار جميع المركبات الكيميائية الهيليوم هو العنصر الثاني الأكثر وفرة في الكون المعروف (بعد الهيدروجين)، وتشكل 23 ٪ من كتلتها العظمى baryonique.الهليوم بواسطة عملية الاصطناع النووي الانفجار الكبير 1-3 بعد دقائق من الانفجار الكبير. على هذا النحو وقياسات الوفرة سيساهم في النماذج الكونية وفي النجوم وتشكيلها من قبل الاندماج النووي للهيدروجين في سلسلة من ردود الفعل البروتون ودورة المخدرات التشيكوسلوفاكي وهي جزء من عملية الاصطناع النووي ممتاز