8.14.5: Química del helio (Z=2)

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El helio está en la parte superior del grupo de los gases nobles (que también contiene neón, argón, criptón, xenón y radón) y es el elemento menos reactivo. El helio tiene muchas características interesantes, como hacer flotar globos y elevar el tono de la voz; estas aplicaciones se discuten a continuación.

Introducción

El helio es el segundo elemento más abundante del universo, junto al hidrógeno. El helio es incoloro, inodoro e insípido. Tiene un punto de ebullición muy bajo, y es monatómico. El helio es pequeño y extremadamente ligero, y es el menos reactivo de todos los elementos; no reacciona con ningún otro elemento o iones, por lo que no hay minerales que contengan helio en la naturaleza. El helio se observó por primera vez estudiando el sol, y recibió el nombre de la palabra griega para el sol, Helios.

Propiedades Físicas
Color	Incoloro
Fase a temperatura ambiente	Gas
Densidad	0.0002 g/cm ³
Punto de ebullición	4.2 K
Calor de Vaporización	0.1 kJ/mol
Conductividad Térmica	0.15 J/m seg K
Fuente	Gas natural

Propiedades atómicas
Configuración de electrones	1s ²
Número de isótopos	7 (2 líquidos)
Afinidad de electrones	0 kJ/mol
Primera Energía de Ionización	2372.3 kJ/mol
Segunda Energía de Ionización	5250.3 kJ/mol
Polarizabilidad	0.198 Å ³
Peso atómico	4.003
Volumen atómico	27.2 cm ³ /mol
Radio Atómico	31 pm

Abundancia
En la corteza terrestre	8x10 ^-3
En el Océano de la Tierra	7×10 ^-6
En Cuerpo Humano	0%

Ocurrencia y producción

El helio es uno de los elementos más abundantes del universo. Se producen grandes cantidades en las reacciones de fusión que producen energía en las estrellas. Anteriormente, el helio rara vez se usaba, porque solo el .0004% de la atmósfera de la Tierra es helio, lo que equivale a una molécula de helio por cada 200,000 moléculas de aire, incluyendo oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Sin embargo, el descubrimiento de pozos ricos en helio en Texas, Rusia, Polonia, Argelia, China y Canadá ha hecho que el helio sea más accesible.

El helio se produce en minerales a través de desintegración radiactiva. El helio se extrae de los depósitos de gas natural, que a menudo contienen hasta 10% de helio. Estas reservas de gas natural son la única fuente de helio disponible a nivel industrial. El total de recursos mundiales de helio suman teóricamente 25.2 mil millones de metros cúbicos; Estados Unidos contiene 11.100 millones de metros cúbicos. El gas extraído se somete a pre-purificación química, utilizando un lavado alcalino para eliminar el dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. El gas restante se enfría a -200°C, donde se licuan todos los materiales, excepto el gas helio.

Historia

El helio fue descubierto por primera vez en 1868 por el astrónomo francés P. J. C. Jenssen, quien estudiaba la cromosfera del Sol durante un eclipse solar. Utilizó un espectrómetro para resolver la luz en su espectro, en el que cada color representa un elemento gaseoso diferente. Observó una nueva luz amarilla, concluyendo que indicaba la presencia de un elemento no conocido previamente. En 1895, la existencia del helio en la Tierra fue probada por Sir William Ramsay. La cleveita calefactora (un mineral radiactivo) liberó un gas inerte, el cual se encontró que era helio; este helio es un subproducto de la desintegración natural de los elementos radiactivos. Los químicos Norman Lockyer y Edward Frankland confirmaron que el helio era un elemento y le dieron el nombre de helios, la palabra griega para el Sol.

Aplicaciones y peligros

El helio tiene una serie de aplicaciones debido a su naturaleza inerte. El helio licuado tiene propiedades criogénicas, y se utiliza para congelar materiales biológicos para almacenamiento a largo plazo y uso posterior. El veinte por ciento del uso industrial de helio es en aplicaciones industriales y de manejo. El helio protege del aire las partes calentadas de metales como el aluminio y el titanio. Mezclas de helio y oxígeno se utilizan en tanques para dispositivos de respiración subacuática: debido a su baja densidad, el gas helio permite que el oxígeno fluya fácilmente a través de los pulmones. Debido a que el helio sigue siendo un gas, incluso a temperaturas lo suficientemente bajas como para licuar hidrógeno, se utiliza como gas a presión para mover el hidrógeno líquido a los motores de cohetes. Su naturaleza inerte también hace que el helio sea útil para enfriar centrales nucleares.

La característica más comúnmente conocida del helio es que es más ligero que el aire. Puede levitar globos durante las fiestas y volar dirigibles sobre estadios deportivos. El helio tiene 92% de la potencia de elevación del hidrógeno; sin embargo, es más seguro de usar porque no es combustible y tiene menor tasa de difusión que la del gas hidrógeno. El famoso desastre de Hindenburg es un ejemplo de los peligros de usar gas combustible como el hidrógeno. Debido a que el helio era anteriormente muy caro solo disponible de las reservas de gas natural en Estados Unidos, la Alemania nazi solo tenía gas hidrógeno a su disposición. Las consecuencias fueron devastadoras, como se muestra a continuación:

Actualmente, el helio se encuentra en otras reservas de gas natural alrededor del mundo. El costo del helio ha disminuido de $2500/ft ³ en 1915 a $0.15/ft ³ en 1989. El helio es lo que mantiene a flote los dirigibles Goodyear sobre los estadios.

El helio a menudo se inhala de los globos para producir una voz alta y chillona. Esta práctica puede ser muy dañina. Inhalar helio puede provocar pérdida de conciencia y embolia gaseosa arterial cerebral, lo que puede conducir temporalmente a ceguera completa. Esto ocurre cuando los vasos sanguíneos de los pulmones se rompen, permitiendo que el gas obtenga acceso a la vasculatura pulmonar y posteriormente al cerebro.

Características

Fases gas y plasma

El helio se encuentra naturalmente en el estado gaseoso. El helio es el segundo elemento menos reactivo y el gas noble (después del neón). Su baja masa atómica, conductividad térmica, calor específico y velocidad de sonido son mayores después del hidrógeno. Debido al pequeño tamaño de los átomos de helio, la tasa de difusión a través de los sólidos es tres veces mayor que la del aire y 65% mayor que la del hidrógeno. El elemento es inerte, monatómico en condiciones estándar, y el gas menos soluble en agua.

A temperaturas ambiente normales, el helio tiene un coeficiente Joule Thomson negativo. Así, tras la expansión libre, el helio se calienta naturalmente. Sin embargo, por debajo de su temperatura de inversión de Joule Thomson (32-50 K a 1 atm), se enfría cuando se le permite expandirse libremente. Una vez enfriado, el helio se puede licuar mediante enfriamiento por expansión. El helio se encuentra comúnmente en todo el universo como plasma, un estado en el que los electrones no están unidos a los núcleos. Los plasmas tienen altas conductividades eléctricas y están altamente influenciados por campos magnéticos y eléctricos.

Fases sólidas y líquidas

El helio es el único elemento que no puede solidificarse bajando la temperatura a presiones ordinarias; esto debe ir acompañado de un aumento de presión. El volumen de helio sólido, ³ He y ⁴ He, se puede disminuir en más de 30% aplicando presión. El helio sólido tiene una densidad proyectada de 0.187 ± 0.009 g/mL a 0 K y 25 bar. El helio sólido también tiene un punto de fusión agudo y una estructura cristalina. Hay dos formas de helio líquido: He ⁴ I y He ⁴ II.

Helio I

El helio I se forma cuando la temperatura cae por debajo de 4.22 K y por encima del punto lambda de 2.1768 K. Es un líquido transparente que hierve cuando se aplica calor y se contrae cuando se baja la temperatura. Por debajo del punto lambda, el helio no hierve, sino que se expande. El helio I tiene un índice de refracción similar al gas de 1.026 lo que hace que su superficie sea difícil de ver. Tiene una viscosidad muy baja y una densidad 1/8 la del agua. Esta propiedad se puede explicar con la mecánica cuántica. Tanto el helio I como el II son fluidos cuánticos, mostrando propiedades atómicas a escala macroscópica debido a que el punto de ebullición del helio está tan cerca del cero absoluto.

Helio II

A 2.174 K, el helio I se forma en helio II. Sus propiedades son muy inusuales, y la sustancia se describe como superfluida. El superfluido es un estado cuánto-mecánico de la materia; el modelo de dos fluidos para helio II explica por qué una porción de átomos de helio existe en un estado básico, fluyendo con viscosidad cero, y otra porción está en un estado excitado, comportándose como un fluido ordinario. La viscosidad de He ⁴ II es tan baja que no hay fricción interna.

El ⁴ II puede conducir el calor 300 veces más eficazmente que la plata, lo que lo convierte en el mejor conductor de calor conocido. Su conductividad térmica es un millón de veces la del helio I y varios cientos de veces la del cobre. La conductividad y viscosidad del helio II no obedecen a las reglas clásicas, sino que son consistentes con las reglas de la mecánica cuántica. Cuando se baja la temperatura, el helio II se expande en volumen. No se puede hervir, sino que se evapora directamente a gas cuando se calienta.

En este estado superfluido, el helio líquido puede fluir a través de capilares delgados o grietas mucho más rápido que el gas helio. También exhibe un efecto rastrero, moviéndose a lo largo de la superficie aparentemente contra la gravedad. El helio II se arrastra a lo largo de los lados de un recipiente abierto hasta llegar a una región más cálida donde se evapora. Como resultado del comportamiento rastrero y la capacidad de filtrarse rápidamente a través de pequeñas aberturas, el helio II es muy difícil de confinar. El helio II también exhibe un efecto de fuente. Supongamos que una cámara permite que un reservorio de helio II filtre helio superfluido y no superfluido. Cuando se calienta el interior del contenedor, el helio superfluido se convierte en helio no superfluido para mantener el equilibrio. Esto crea una presión intensa sobre el helio superfluido, haciendo que el líquido salga del recipiente.

Isótopos

El helio tiene ocho isótopos conocidos pero sólo dos son estables: ³ He y ⁴ He. ³ Se le encuentra sólo en cantidades muy pequeñas en comparación con ⁴ He. Se produce en cantidades traza por la desintegración beta del tritio. Esta forma se encuentra en abundancia en las estrellas, como producto de la fusión nuclear. Los materiales extraplanetarios tienen trazas de ³ He de los vientos solares. ⁴ Es producido por la desintegración alfa de elementos radiactivos más pesados en la Tierra. Es un isótopo inusualmente estable porque sus nucleones están dispuestos en conchas completas.

Referencias

Bancos, A. (1989). “Helio”. Revista de Educación Química 66 (11): 945.
Draggan, S. (2008). “Helio”.
Eagleson, M. (1994). Enciclopedia concisa química, Walter De Gruyter Inc.
Enghag, P. (2004). Enciclopedia de los elementos.
Moore, P. y D. Josefson (2000). “La diabetes tipo 2 es una gran fuga de recursos”. Anales de Medicina de Urgencias 35:300-303.
Rosendahl, C. (1938). “Nuevo Zeppelin es descrito por American Airship Expert”. La Ciencia Noticias-Carta 33 (18): 281-283.
Weast, R. y C. R. Company. (1988). CRC manual de química y física, prensa CRC Boca Raton, FL.

Enlaces externos

es.wikipedia.org/wiki/Helio
http://chemistry.wikia.com/wiki/Helium
es.wikipedia.org/wiki/Goodyear_Blimp

Problemas

¿Qué sucede cuando un cigarrillo encendido es arrojado a un cilindro de helio con fugas y alta presión?

a). nada

b). el cigarrillo se incinera antes de tocar el cilindro

c). el cilindro explota

d). el cilindro se convierte en un lanzallamas

¿Cuántos isótopos de helio se conocen? ______
(gas helio o líquido de helio II) se filtra más rápido que el otro cuando se almacena en un cilindro abierto (en STP).
¿Qué sucede cuando una sección de la placa de Petri dividida se llena con helio II a 2.173K?

a). Comienza a hervir.

b). Comienza “arrastrándose” sobre el divisor, llenando pronto las otras secciones del platillo.

c). Se evapora y pronto sale del platillo.

d.) Se solidifica y se expande, rompiendo los divisores de la placa de Petri, y llenando toda la placa.

El helio se descubrió por primera vez a través de ________.

Colaboradores y Atribuciones

Jun-Hyun Hwa ng - Universidad de California, Davis