3.3: Helio - El Primer Gas Noble
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El segundo elemento de la tabla periódica es el helio, He, número atómico 2. Todos los átomos de helio tienen 2 protones en sus núcleos y 2 electrones. Hay dos isótopos de helio de los cuales el que contiene 2 neutrones en el núcleo es con mucho el predominante, con números mucho menores del isótopo más ligero,
que tiene 2 protones y 1 neutrón en su núcleo y un número de masa de 3.
El helio es un gas noble, lo que significa que existe solo como átomos de los elementos que nunca están unidos a otros átomos. La Figura 3.3 es una representación del átomo de helio mostrando sus 2 electrones. El símbolo Lewis del helio es simplemente Él con 2 puntos. Esto muestra una característica muy importante de los átomos. A medida que los electrones se agregan a los átomos con un número atómico creciente, se agregan en varios niveles conocidos como conchas de electrones. El electrón en hidrógeno, H, entra en la primera capa de electrones, la que tiene la menor energía posible. El segundo electrón agregado para hacer el átomo de helio también entra en la primera capa de electrones. Esta capa de electrones más baja puede contener un máximo de solo 2 electrones, por lo que el helio tiene una capa de electrones llena. Los átomos con capas de electrones llenos no tienen tendencia a perder, ganar o compartir electrones y, por lo tanto, no se involucran con otros átomos a través de enlaces químicos. Tales átomos existen solos en la fase gaseosa y los elementos en los que consisten se denominan gases nobles. El helio es el primero de los gases nobles.
El gas helio tiene una densidad muy baja de solo 0.164 g/L a 25˚C y 1 atm de presión. El helio elemental es la segunda sustancia menos densa junto al gas hidrógeno. Es esta característica de baja densidad la que hace que el helio sea tan útil en los globos, incluidos los globos meteorológicos, que pueden permanecer en alto durante días, alcanzando altitudes muy altas.
El helio se bombea desde el suelo con algunas fuentes de gas natural, algunas de las cuales contienen hasta un 10% de helio en volumen. El helio se observó por primera vez en el sol por las longitudes de onda específicas de la luz emitida por los átomos de helio calientes. Fuentes subterráneas de helio fueron descubiertas por perforadores que buscaban gas natural en el suroeste de Kansas que intentaron encender gas de un nuevo pozo y se sintieron decepcionados al descubrir que no se quemaría, ¡ya que era prácticamente helio puro!
Químicamente no reactivo, el helio no tiene usos químicos, excepto para proporcionar una atmósfera químicamente inerte. Un gas no tóxico, inodoro, insípido, incoloro, se utiliza helio debido a sus propiedades físicas únicas. Anteriormente se mencionaron aplicaciones en globos meteorológicos y dirigibles. Debido a su baja solubilidad en sangre, el helio es mezclado con oxígeno para respirar por buceadores de aguas profundas y personas con algunas dolencias respiratorias. El uso de helio por parte de los buzos evita la condición muy dolorosa llamada “las curvas” causada por las burbujas de nitrógeno que se forman a partir del gas nitrógeno disuelto en la sangre.
El mayor uso del helio es como el líquido súper frío, que hierve a una temperatura de sólo 4.2 K por encima del cero absoluto (-269˚C), especialmente en la creciente ciencia de la criogénica, que se ocupa de temperaturas muy bajas. Algunos metales son superconductores a tales temperaturas, por lo que el helio se usa para enfriar electroimanes permitiendo que imanes relativamente pequeños desarrollen campos magnéticos muy potentes. Dichos imanes son componentes de la herramienta química muy útil conocida como resonancia magnética nuclear (RMN). El mismo tipo de instrumento modificado para aplicaciones clínicas y llamado MRI se utiliza como herramienta de diagnóstico médico para escanear secciones del cuerpo en busca de evidencia de tumores y otras enfermedades.
El hidrógeno quiere ser como el helio
El examen del símbolo de Lewis del helio (derecha, Figura 3.3) y la fórmula de Lewis de hidrógeno elemental, H2, (Figura 3.1) muestra que cada uno de los dos átomos de hidrógeno en la molécula de H2 puede reivindicar 2 electrones y con ello llegar a parecerse al átomo de helio. Recordemos que el helio es un gas noble que está muy contenido con sus 2 electrones. Cada uno de los átomos de H en H2 está satisfecho con 2 electrones, aunque son compartidos. Esto indica una regla básica de unión química de que los átomos de un elemento tienden a adquirir la misma configuración electrónica que la del gas noble más cercano. En este caso, el hidrógeno, que viene justo antes del helio en la tabla periódica, gana la configuración de gas noble del helio al compartir electrones.