Helio

O helio é un elemento químico de número atómico 2 e símbolo He. A pesar de que a súa configuración electrónica é 1s², non figura no grupo 2 da táboa periódica, xunto o hidróxeno no bloque s, senón que se coloca no grupo 18 do bloque p, xa que o ter o nivel de enerxía completo, presenta as propiedades dun gas nobre. Isto é, é inerte (non reacciona) e ao igual que estes, é un gas monoatómico incoloro e inodoro. O helio ten o menor punto de evaporación de tódolos elementos químicos, e só pode ser solidificado baixo presións moi grandes. É ademais, o segundo elemento químico en abundancia no universo, tralo hidróxeno, encontrándose na atmosfera trazas debidas á desintegración dalgúns elementos. Nalgúns depósitos naturais de gas encóntrase en cantidade suficiente para a explotación, empregándose para o recheo de globos e dirixibles, como líquido refrixerante de materiais supercondutores crioxénicos e como gas envasado no mergullo a gran profundidade. Características
En condicións normais de presión e temperatura o helio é un gas monoatómico, podéndose licuar só en condicións extremas (de alta presión e baixa temperatura).
Ten o punto de solidificación máis baixo de tódolos elementos químicos, sendo o único líquido que non pode solidificarse baixando a temperatura, xa que permanece en estado líquido no cero absoluto a presión normal. De feito, a súa temperatura crítica é de tan só 5, 19 K. Os sólidos 3He e 4He son os únicos nos que é posible, incrementando a presión, reducir o volume máis do 30 %. A calor específica do gas helio é moi elevado e o helio vapor moi denso, expandíndose rapidamente cando se quenta a temperatura ambiente.
O helio sólido só existe a presións da orde de 100 MPa a 15 K (-248, 15 °C). Aproximadamente a esa temperatura, o helio sofre unha transformación cristalina, de estrutura cúbica a estrutura hexagonal compacta; en condicións máis extremas, prodúcese un novo cambio, empaquetándose os átomos nunha estrutura cúbica centrada no corpo. Todos estes empaquetamentos teñen enerxías e densidades similares, debéndose os cambios á forma na que os átomos interactúan. Aplicacións
O helio é máis lixeiro que o aire e a diferenza do hidróxeno non é inflamable, sendo ademais o seu poder ascensional un 8% menor que o deste, polo que emprégase como gas de recheo en globos e cepelíns publicitarios, de investigación atmosférica e incluso para realizar recoñecementos militares.
Aínda sendo a anterior a principal, o helio ten máis aplicacións: As atmosferas helio-osíxeno empréganse na inmersión a gran profundidade, xa que o helio é inerte, menos soluble no sangue ca o nitróxeno e difúndese 2, 5 veces máis rápido ca el, todo o cal reduce o tempo requirido para a descompresión, aínda que esta debe comezar a maior profundidade, e elimina o risco de narcose por nitróxeno (borracheira das profundidades).
Polo seu baixo punto de licuefacción e evaporación pode utilizarse como refrixerante en aplicacións a temperatura extremadamente baixa como en imáns supercondutores e investigación crioxénica a temperaturas próximas ao cero absoluto.
En cromatografía de gases úsase como gas portador inerte.
A atmosfera inerte de helio emprégase na soldadura por arco e na fabricación de cristais de silicio e xermanio, así como para presurizar combustibles líquidos de foguetes.
Nos túneles de vento supersónicos.
Como axente refrixerante en reactores nucleares.
O helio líquido encontra cada vez maior uso nas aplicacións médicas da imaxe por resonancia magnética (RMI). Historia
O helio foi descuberto de forma independente polo francés Pierre Janssen e o inglés Norman Lockyer, en 1868 ao analizar o espectro da luz solar durante unha eclipse solar acaecida aquel ano, e encontrar unha liña de emisión dun elemento descoñecido. Eduard Frankland confirmou os resultados de Janssen e propuxo o nome helium para o novo elemento, en honor ao deus grego do sol (helios) ao que se engadiu o sufixo -ium xa que se esperaba que o novo elemento fora metálico.
En 1895 William Ramsay illou o helio descubrindo que non era metálico, a pesar do cal conservou o nome orixinal. Os químicos suecos Nils Langlet e Per Theodor Cleve conseguiron tamén, pola mesma época, illar o elemento.
En 1907 Ernest Rutherford e Thomas Royds mostraron que as partículas alfa son núcleos de helio. En 1908 o físico alemán Heike Kamerlingh Onnes produciu helio líquido arrefriando o gas ata 0, 9 K, o que lle fixo merecedor do premio Nobel. En 1926 o seu discípulo Willem Hendrik Keesom logrou por vez primeira solidificar o helio. Abundancia e obtención
O helio é o segundo elemento máis abundante do universo tralo hidróxeno e constitúe arredor do 20% da materia das estrelas e desempeña no proceso de fusión nuclear un importante papel. A abundancia de helio non pode se pode explicar polo que xeran as estrelas, aínda que é consistente co modelo do big-bang, créndose que a maior parte do helio existente se formou nos tres primeiros minutos do universo. [Cómpre referencia]
Na atmosfera terrestre existe da orde de 5 ppm e encóntrase tamén como produto de desintegración en diversos minerales radioactivos de uranio e torio. Ademais está presente nalgunhas augas minerais, en gases volcánicos e en certos xacementos de gas natural dos Estados Unidos, dos que provén a maioría do helio comercial.
O helio pode sintetizarse bombardeando núcleos de litio ou boro con protóns a alta velocidade. Compostos
Dado que o helio é un gas nobre, na práctica non participa nas reaccións químicas, aínda que baixo a influencia de descargas eléctricas ou bombardeado con electróns forma compostos co volframio, iodo, flúor e fósforo. Isótopos
O isótopo máis común do helio é 4He, o núcleo está constituído por dous protóns e dous neutróns. A súa excepcional estabilidade nuclear débese a que ten un número máxico de nucleóns, é dicir, unha cantidade que se distribúe en niveis completos (de modo análogo a como se distribúen os electróns nos orbitais). Numerosos núcleos pesados desintégranse emitindo un núcleo de 4He; este proceso, que se denomina desintegración alfa e polo que ao núcleo emitido se lle chama partícula alfa, é a orixe da maioría do helio terrestre.
O helio ten un segundo isótopo, o 3He, así como outros máis pesados que son radioactivos. O helio-3 é practicamente inexistente na terra, dado que a desintegración alfa produce exclusivamente núcleos de helio-4 e tanto estes como o helio atmosférico escapan ao espazo en períodos xeolóxicos relativamente curtos.
Ambos os isótopos producíronse no big-bang e cantidades significativas séguense producindo mediante a fusión do hidróxeno nas estrelas seguindo a cadea protón-protón. Formas
O helio líquido (helio-4) encóntrase en dúas formas distintas: helio-4 I e helio-4 II, entre os que se produce unha brusca transición a 2, 1768 K (punto lambda) á presión de vapor. O He-I, por riba desa temperatura é un líquido normal, pero o He-II, por debaixo dela, non se parece a ningunha outra substancia converténdose nun superfluído con características raras debidas á efectos cuánticos, un dos primeiros casos nos que se teñen observado a escala macroscópica.
O helio-II ten unha viscosidade nula polo que flúe con facilidade a través de finos capilares a través dos que o helio-I non pode fluír, e ten ademais unha condutividade térmica moito maior que calquera outra substancia. Exhibe un efecto fonte, de xeito que se se somerxe parcialmente un tubo cun extremo capilar en helio-II e quéntase o tubo para superar o punto lambda, o helio-I verterase polo extremo libre do tubo a modo de fonte, producíndose un fluxo constante de helio-II a través do capilar cara ao tubo quente. Inversamente, cando se forza o paso de helio-II a través dun capilar, o líquido arrefríase. Os pulsos de calor propáganse a través do líquido de forma análoga a como o fai o son, un fenómeno ao que se denomina, por iso, segundo son. Ademais, o helio-II ten a capacidade de reptar, de modo que calquera sólido en contacto con el cóbrese cunha capa de entre 50 e 100 átomos de espesor a través da cal o líquido pode fluír a unha velocidade que depende da temperatura, de feito se se somerxe parcialmente unha vasilla co fondo estanco nun leito de helio-II, este reptará polas paredes exteriores da vasilla enchéndoa ata que os niveis en ambos se igualen, esta propiedade dificulta por razóns obvias a construción de recipientes de helio-II. Precaucións
Os depósitos de helio gas de 5 a 10 K deben almacenarse como se contiveran líquido debido ao grande incremento de presión que se produce ao quentar o gas a temperatura ambiente.