Helyum, soy gaz ailesinin bir üyesi. Bu gazın adını duyduğumuzda talk show programlarında ünlü isimlerin seslerini inceltmek için kullanılan gaz olduğu aklımıza gelir. Veya uçan balonları, turistik seyir balonlarını hatta zeplinleri de düşünüyor olabiliriz. Ancak atmosferde de bulunan helyum, kimya endüstrisi başta olmak üzere birçok alanda kullanılan bir gaz. Uluslararası işletme ve ticareti yapılan endüstriyel bir gazdır aynı zamanda. Helyumun özelliklerini, zararlarını, neden sesi incelttiğini merak ederseniz makalemizi okumanızı tavsiye ederiz.
Tarihçesi
Yunan mitolojisindeki güneş tanrısı “Helios” kelimesinden türeyen bir sözcük olan helyumun keşfi 150 yıl önceye dayanıyor. Helyumla ilgili kayıtlardaki bazı tarihler ve keşifler şunlar:
- 1868 yılında Fransız kimyager Pierre Jules Cesar Jansen, Hindistan’da güneş tutulmasını izlerken güneş tayfını inceledi. Jansen, Güneş’in etrafında gaz atmosferlerindeki sarı spektral emisyon çizgisinin helyum olduğunu keşfetti.
- Aynı yıl İngiliz gökbilimci Norman Lockyer de, Londra’daki Güneş gözlemleri sırasında helyumu keşfeden başka bir isimdir. Lockyer, bu çizgiye Yunan güneş tanrısı “Helios”un adından esinlenerek “helyum” adını verdi.
- Helyumun ilk keşfedildiğinde sadece güneşte bulunan bir element olduğu düşünülüyordu. “Soy gaz avcısı” olarak bilinen İskoç kimyager William Ramsay, 1895 yılında helyumun uranyum filizi (kleveyit) çevresindeki gazlar içinde bulunan bir gaz olduğunu tespit etti. Böylece helyumun Dünya’da da bulunan bir element olduğu keşfedilmiş oldu. (Asal gazların kâşifi Ramsay, helyum dışında neon, argon, kripton, ksenon ve radon gazlarını da keşfetmiştir.)
- 1908 yılında Hollandalı bilim adamı Heike Kamerling, helyumu sıvılaştırmayı başardı.
- 1915 yılında ABD, helyumu “stratejik rezerv” olarak ilan etti.
- 1930 yılında Pyotr Kapitsa, helyumun izotoplarından bir olan “4He” formunun süper akışkan özelliğini keşfetti. “3He” formunun süper akışkan özelliği ise 1970 yılında keşfedildi.
Kimyasal Özellikleri
Kimyasal sembolü “He” olan helyumun atom numarası 2, atom ağırlığı 4,0026’dır. Periyodik cetvelin 8-A grubunda yer alan bir asal gaz (soy gaz) ve elementtir. Erime noktası -272 derece, kaynama noktası -269 derecedir. Elementler arasında en düşük erime noktasına sahiptir. Yoğunluğu havadan hafiftir (0,1785 gl). Kararlı bir elementtir, oksijen ile tepkimeye giremez, diğer elementlerle bileşik yapmaz. Çekirdeği, iki nötron ve iki protondan oluşan alfa taneciğidir. Kristal yapısı hekzaganoldur (altıgen). Moleküler yapısı küçük ancak enerjisi yüksektir. Monoatomik reaktif özellikler gösterir.
Hidrojenden sonra en hafif gaz olan helyum, renksiz ve kokusuzdur. Uçan balonlar ve sıcak havayla uçabilen turistik balonlarda kullanılan helyum; daha hafif olan ancak yanıcı özelliğinden dolayı tercih edilmeyen hidrojenin yerini almıştır. Ancak hidrojenden pahalıdır; çünkü havadan elde edilmesi güçtür. Helyum, havadan bazı işlemler sonrası elde edilebilir. Oksijeni alınan azot, lityum ve kalsiyum üzerinden geçirilir. Bu işlemden sonra asal gazlar açığa çıkar. Helyum, bu şekilde neon ile birlikte elde edilir.
Doğada iki izotop halinde bulunur. En çok bilinen izotopu “4He”dir. Yani atom çekirdeğinde 4 nükleon bulunur (2 proton, 2 nötron). “3He” formu ise pek görülmeyen, alışılmışın dışında bir izotoptur ve atom çekirdeği bir nötron içerir. “4He” formu, doğada “3He” izotopundan 10 milyon kat daha sık görülür.
Helyumun yapısı ile ilgili bazı bilgileri şöyle sıralayabiliriz:
- Hidrojenden sonra atmosferde en çok bulunan gazdır. Sıcak yıldızlar genelde helyum içerir. Güneş, yüzde 8 civarında helyum içerir. Dünya atmosferinde az miktarda, 1200.000 oranında helyum bulunur.
- Bazı radyoaktif mineraller de (toryanit, monazit ve kleveit gibi) az miktarda helyum içerir.
- Güneş’te meydana gelen milyonlarca tepkime sırasında hidrojen gazı helyuma dönüşür. Yani Güneş, adeta helyum üreten bir fabrika gibidir.
- Doğal koşullarda ve oda sıcaklığında gazdır. Laboratuvar ortamında bazı sıcaklıklarda katı ve gaz halini alabilir.
- Helyum, soy gaz olduğu için tepkimeye girmez, eylemsiz bir yapısı vardır.
- Sıvı havanın damıtılması ile elde edilemez; yüksek basınçta sıvılaşmaz.
- Yoğunluğu havadan düşük olduğu için sıcak hava balonları ve zeplinler gibi hava araçlarında kullanılmaktadır.
- Yükseltgenme basamağı sıfır olan helyum, 20 bin küçük balonda kullanıldığında insan ağırlığını 6 kilogram azaltır.
- Dalgıç tüplerinin yüzde 80’i helyum, yüzde 20’si oksijen içerir. Helyumla oksijen karışımı dalgıçların “vurgun” olayı ile karşılaşmasını engeller.
- Süper soğutma özelliğine sahip tek elementtir.
- Sıvı içinde diğer gazlara oranla daha az çözünür. Sıvı hali bilinen en soğuk maddedir. Sıvı helyum soğutulduğunda “süper akışkan” halini alır.
- Aşırı saflaştırma işlemleri sırasında mor bir ışın verir.
- Çok uçucu bir gazdır, sıvı ile teması halinde ani donmalara yol açar.
- Balonlar dışında; kaynaklarda koruyucu gaz, kaçak kontrol gazı, astım hastalarının solunum gazı içerikleri, optik mercekleri, MR cihazları, analitik cihazlar, süper iletkenler, nükleer santraller gibi alanlarda da kullanılır.
- Sıvı roket yakıtlarına basınç uygulanmasında ve bazı soğutma cihazlarında helyum kullanılır.
- Nükleer santrallerde daha hafif olan “3He” izotopu kullanılır.
- Hidrojen bombasının patlama gücü, hidrojen atomlarının birleşerek helyum atom yapısına dönüşmesi sonucu ortaya çıkan termonükleer tepkimeyle meydana gelir.
Hangi Ülkelerde Üretilir?
Helyum doğada çok sınırlı rezervi bulunan ve elde edilmesi zor olan bir gazdır; bu sebeple pahalıdır. Dünyada yılda yaklaşık 180 milyon metreküp helyum tüketiliyor. Dünya helyum rezervinin tükenmesi demek, MR cihazları başta olmak üzere LCD televizyonlar ve uçan balonların sonu anlamına gelir. Diğer alanlardaki helyum ihtiyacı da cabası… Kısacası dünyadaki rezervler tükenirse başka atmosferlerde helyum aramamız gerekecek.
En fazla ticari helyum üretimi doğalgaz yataklarından yapılır. Doğalgaz yatakları yüzde 5-8 oranlarında helyum içerir. Fosil yakıtları yataklarındaki gazlar arasında da az da olsa helyum bulunabiliyor. Helyum, en çok doğalgaz kaynağı bulunan ABD, Katar, Rusya ve Cezayir gibi ülkelerde üretilir. Helyum üretimi pastasının yüzde 70’i ABD’ye ait. ABD, 1915’te Bazı ülkelerdeki helyum rezervleri şöyledir; (Ölçü birimi, milyarmetreküptür) ABD (20,6), Katar (10,1), Cezayir (8,2), Rusya (6,8), Kanada (2), Çin (1,1). Son olarak 2016 yılında Tanzanya’nın volkanik vadisi Rift Vadisi’nde 1,5 milyarmetreküp helyum gazı rezervi bulundu.
Türkiye’de bilinen veya açıklanan bir helyum rezervi bulunmuyor. Ancak tespit edilen doğalgaz kaynaklarından helyum üretilmesi için çalışmalar yapıldığı veya yapılacağı yönünde bilgiler yer alıyor.
Helyumun İnsan Sağlığına Zararları Nelerdir?
Helyum gazı, bazı durumlarda ölümcül sonuçlar doğurabiliyor. Helyumun sesi incelttiğini öğrenen çocuklar helyumla şişirilmiş balonlar alarak kendi aralarında eğlenebiliyor. Nitekim; 6 Nisan 2017 tarihinde Ankara’nın Gölbaşı ilçesinde helyum gazı dolu balonu soluyan 9 yaşındaki bir çocuk hayatını kaybetti. Sesini incelterek komiklik yapmaya çalışan çocuğun içine çektiği helyum ciğerlerine baskı yaparak kalbinin durmasına yol açtı.
Helyum; zehirsiz, yanıcı ve patlayıcı özellikler taşımayan bir gaz; ancak boğucu özelliği var. Yani bir gazın zehirsiz veya yanıcı olmaması tehlikeli olmadığı anlamına gelmiyor. Helyum, aktif bir gaz olduğu için akciğerlere oksijen alımını engelliyor. Ani oksijensizlik bazı bünyelerde bayılma nöbetlerine yol açıyor. Gereğinden fazla helyum alınması ise hayati organların aniden durmasına sebep olabiliyor.
Helyum solunduğunda baş dönmesi, görme bozuklukları, kalıcı körlük gibi sorunlar yaşanabiliyor. Ayrıca, solunan helyum miktarı fazlaysa baş ağrısı, sersemlik gibi belirtiler ortaya çıkabilirken, boğulmalara da yol açabiliyor. Kapalı ortamlarda oksijeni azaltarak nefes alma sorunları veya boğulmalar yaşanabiliyor. Helyumun aşırı solunması ciğerlerde yırtıklara bile sebep olabiliyor. Cilt veya gözlere teması halinde donmaya neden olabilir.
Helyum İnsan Sesini Neden İnceltir?
Helyumun insan sesini inceltmesi oldukça komik durumlar ortaya çıkarır. Bu sebeple bazı şov programlarında ünlü isimlerin nefesine helyum gazı çekerek konuşması izleyenlere keyifli ve eğlenceli anlar yaşatır. Peki, helyum insan sesini neden inceltir hiç düşündünüz mü?
Helyumun sesi inceltmesi, “sesin helyum içinde daha hızlı hareket etmesi” olarak açıklanabilir. Matematiksel olarak da şu açıklama yapılabilir: Gazlar içindeki ses dalgalarının hızı ile gazın yoğunluğunun karekökünün ters orantılı olması... Başka bir deyişle yoğunluğu havadan az olduğu için helyuma maruz kalan ses, havadaki sesten birkaç kat daha hızlıdır. Bu sebeple ses tellerini hava yerine helyum gazı titreştirdiğinde, ses, helyum içinde birden hızlanır ve tiz bir şekilde çıkar veya incelir. İncelen ses bir süre sonra veya tekrar helyum alındığında normale döner.
Havadan yaklaşık 6 kat daha yoğun olan “SF6” gazı ise, helyumun aksine sesi kalınlaştırır. Bunun sebebi de, SF6 gazına maruz kalan sesin havadakinden daha yavaş ilerlemesi olarak açıklanır. Ancak bu gazın zararsız olması için yüzde 20 oranında oksijenle karıştırılması gerekmektedir.