HELI: HISTÒRIA, PROPIETATS, ESTRUCTURA, RISCOS, USOS - QUIMICA - 2025

L' heli és un element químic el símbol és He. Es tracta del primer gas noble de la taula periòdica, i està ubicat al extrem dret de la mateixa. Sota condicions normals és un gas inert, ja que cap dels seus pocs compostos és estable; s'expandeix a més amb molta rapidesa i és la substància amb el menor punt d'ebullició de totes.

A nivell popular és un gas prou conegut, ja que en innombrables esdeveniments o festes infantils és freqüent presenciar com un globus ascendeix fins a perdre al cel. No obstant això, el que es perd realment i per sempre cap als racons de el sistema solar, i més enllà, són els àtoms d'heli que s'alliberen un cop esclata o es desinfla el globus.

Globus inflats amb heli, el més proper que es pot estar d'aquest element en situacions quotidianes. Font: Pixabay.

De fet, hi ha qui, i amb molta raó, considera que els globus d'heli representen una pràctica inadequada per aquest gas. Per sort, compta amb usos més importants i interessants, gràcies a les seves propietats físiques i químiques que el separen d'altres elements químics.

Per exemple, l'heli líquid és tan fred que pot congelar qualsevol cosa, com un aliatge metàl·lica, convertint-la en un material superconductor. Així mateix, és un líquid que manifesta superfluïdesa, capaç de grimpar per les parets d'un recipient de vidre.

El seu nom es deu al fet que va ser identificat per primera vegada en el Sol i no a la Terra. És el segon element més abundant de tot l'Univers i, encara que la seva concentració sigui irrisòria en l'escorça terrestre, es pot obtenir a partir de les reserves de gas natural i de minerals radioactius d'urani i tori.

Aquí l'heli demostra un altre fet curiós: és un gas que abunda moltíssim més en el subsòl que en l'atmosfera, on acaba per escapar de la Terra i del seu camp gravitatori.

història

L'heli no va ser descobert a la Terra sinó en el Sol. De fet, el seu nom prové de la paraula grega 'helios' que significa sol. L'existència d'l'element per si sola contrastava la taula periòdica de Dmitri Mendeléiev, ja que no hi havia en ella lloc per a un nou gas; és a dir, per llavors no se sospitava absolutament res respecte dels gasos nobles.

El nom 'heli', escrit com 'helium' en anglès, acabava amb el sufix -ium referint-se a ell com un metall; precisament perquè no podia admetre l'existència d'un altre gas a part de l'oxigen, hidrogen, fluor, clor i nitrogen.

Aquest nom va ser designat per l'astrònom anglès Norman Lockyer, que va estudiar des d'Anglaterra l'observat per l'astrònom francès Jules Janssen a l'Índia, durant un eclipsi solar a 1868.

Es tractava d'una línia espectral groga d'un element desconegut fins llavors. Lockyer va afirmar que aquesta es devia a la presència d'un nou element químic trobat al Sol.

El 1895, gairebé vint anys més tard, el químic escocès Sir William Ramsay va reconèixer el mateix espectre provinent d'un gas romanent a l'estudiar un mineral radioactiu: la cleveita. Hi havia doncs, heli aquí també a la Terra.

Propietats físiques i químiques

aparença

Ampolla amb una mostra d'heli brillant després d'una descàrrega elèctrica. Font: Hi-Res Images of Chemical Elements

L'heli és un gas incolor, inodor, que no té gust i que a més és inert. No obstant això, quan se li aplica una descàrrega elèctrica, i depenent de la diferència de voltatge, aquest comença a brillar com una boirina grisenca-morada (imatge superior), per resplendir després amb un fulgor ataronjat. Per tant, els llums d'heli són ataronjades.

Nombre atòmic (Z)

2

massa molar

4,002 g / mol

Punt de fusió

-272,2 ºC

Punt d'ebullició

-268,92 ºC

densitat

-0,1786 g / L, en condicions normals, és a dir, en fase gasosa.

-0,145 g / ml, en el punt de fusió, l'heli líquid.

-0,125 g / ml, just quan l'heli comença a bullir.

-0,187 g / ml, a 0 K i 25 atm, és a dir, l'heli sòlid a aquestes condicions específiques de pressió i temperatura.

punt triple

2,177 K i 5,043 kPa (0,04935 atm)

punt crític

5,1953 K i 0,22746 MPa (2,2448 atm)

Calor de fusió

0,0138 kJ / mol

Calor de vaporització

0,0829 kJ / mol

Capacitat calorífica molar

20,78 J / (mol · K)

Pressió de vapor

0,9869 atm a 4,21 K. Aquest valor serveix per donar-se una idea del fugaç que pot ser l'heli i la facilitat amb que pot escapar-se a temperatura ambient (proper als 298 K).

Energies d'ionització

-Primera: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gasós)

-Segona: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gasós)

Les energies d'ionització per l'heli són especialment altes perquè l'àtom gasós ha de perdre un electró, el qual experimenta una forta càrrega nuclear efectiva. També es pot entendre si es considera la petita grandària de l'àtom i què tan "propera" hi ha els dos electrons respecte a l'nucli (amb els seus dos protons i dos neutrons).

solubilitat

A l'aigua, es dissolen 0,97 ml per cada 100 ml d'aigua a 0 ºC, la qual cosa significa que és poc soluble.

reactivitat

L'heli és el segon element químic menys reactiu en la naturalesa. En condicions normals és encertat afirmar que es tracta d'un gas inert; mai (pel que sembla) podrà manipular un compost d'heli en una habitació o laboratori sense que hi hagi enormes pressions actuant sobre el mateix; o potser, temperatures dramàticament altes o baixes.

Un exemple el veiem en el compost Na ₂ He, el qual és estable només sota una pressió de 300 GPa, reproduïda en una cel·la d'enclusa de diamant.

Si bé els enllaços químics en el Na ₂ He són "estranys" per tenir els seus electrons ben localitzats en els vidres, disten de ser simples interaccions de Van der Walls i, per tant, no consisteix simplement d'àtoms d'heli atrapats per agregats moleculars. És aquí on sorgeix la disjuntiva entre quins compostos d'heli són reals i quins no.

Per exemple, les molècules de nitrogen a altes pressions poden empresonar un àtom d'heli per originar una espècie de clatrato, He (N ₂) ₁₁.

Així mateix, hi ha els complexos endoédricos de cations de fullerens, C ₆₀ ^{+ n} i C ₇₀ ^{+ n}, en les cavitats tenen capacitat per àtoms d'heli; i el catió molecular HeH ⁺ (HeH ⁺), trobat en nebuloses molt llunyanes.

Nombre d'oxidació

Qui per curiositat intenti calcular el nombre d'oxidació per l'heli en qualsevol dels seus compostos es trobarà que aquest és igual a 0. En el Na ₂ He, per exemple, podria pensar-se que la seva fórmula correspon a hipotètics ions Na ₂ ⁺ He ^2-; però tal seria assumir que posseeix un caràcter iònic pur, quan en realitat els seus enllaços disten molt de ser-ho.

A més, l'heli no guanya electrons perquè no pot acomodar-los en l'orbital 2s, no disponible energèticament; i tampoc és possible que els perdi, a causa de la reduïda grandària de la seva àtom i la gran càrrega nuclear efectiva del seu nucli. És per això que l'heli participa sempre (en teoria) com un àtom He ⁰ en els seus compostos derivats.

Estructura i configuració electrònica

L'heli, com tots els gasos observats en una macroescala, ocupa el volum dels recipients que l'emmagatzema, tenint per tant forma indefinida. Això no obstant, quan la temperatura descendeix i comença a refredar-se per sota dels -269 ºC, el gas condensa en un líquid incolor; l'heli I, la primera de les dues fases líquides per a aquest element.

La raó de per què l'heli condensa a una temperatura tan baixa es deu a les escasses forces de dispersió que mantenen units els seus àtoms; qualsevol sigui la fase considerada. Això pot explicar-se a partir de la seva configuració electrònica:

1s ²

En la qual dos electrons ocupen l'orbital atòmic 1s. L'àtom d'heli pot visualitzar com una esfera gairebé perfecta, la homogènia perifèria electrònica és poc propensa a polaritzar per la càrrega nuclear efectiva dels dos protons en el nucli.

Així doncs, els moments dipolars espontanis i induïts són infreqüents i molt febles; de manera que la temperatura ha aproximar-se a l'zero absolut perquè els àtoms He s'acostin amb la lentitud suficient i aconsegueixin que les seves forces dispersives defineixin un líquid; o encara millor, un vidre d'heli.

dímers

En la fase gasosa l'espai que separa els àtoms He és tal que pot assumir-se que es troben sempre separats els uns dels altres. Tal és així que en una ampolla, de poc volum, l'heli llueix incolor fins que se li sotmet a una descàrrega elèctrica, la qual ionitza els seus àtoms en una boirina grisenca i poc brillant.

No obstant això, en la fase líquida dels àtoms He, fins i tot amb els seus febles interaccions, ja no poden "ignorar" per més temps. Ara la força de dispersió els permet unir-se momentàniament per formar dímers: He-He o He ₂. Per tant, es pot pensar en l'heli I com cúmuls vasts d'He ₂ en equilibri amb els seus àtoms en fase de vapor.

És per això que l'heli I és tan difícil de diferenciar de les seves vapors. Si es vessa aquest líquid fora del seu hermètic contenidor, escapa com una flamarada blanquinosa.

heli II

Quan la temperatura descendeix encara més, tocant els 2,178 K (-270,972 ºC), ocorre una transició de fase: l'heli I es transforma en l'heli II.

Des d'aquest punt, el de per si fascinant líquid d'heli es converteix en un superfluid o fluid quàntic; és a dir, les seves propietats macroscòpiques es manifesten com si els dímers He ₂ fossin àtoms individuals (i potser així ho siguin). No té completa viscositat, ja que no hi ha superfície que pugui frenar un àtom durant la seva lliscament o "grimpada".

És per això que l'heli II pot pujar per les parets d'un recipient de vidre vencent la força de la gravetat; independentment del tan altes siguin, sempre que la superfície estigui a la mateixa temperatura i, per tant, no es volatilitzi.

A causa d'això, l'heli líquid no pot emmagatzemar-se en contenidors de vidre, ja que escaparia davant la menor fissura o escletxa; molt semblant a com succeiria amb un gas. En el seu lloc, s'utilitza acer inoxidable per a dissenyar aquests recipients (tancs Dewars).

vidres

Tot i que la temperatura baixés fins als 0 K (el zero absolut), la força de dispersió entre els àtoms He no seria prou fort per ordenar-los en una estructura cristal·lina. Perquè passi la solidificació, la pressió ha d'augmentar fins a aproximadament unes 25 atm; i llavors, apareixen cristalls hexagonals compactes d'heli (hcp).

Estudis geofísics demostren que aquesta estructura hcp roman inalterada per molt que s'incrementi la pressió (fins a l'ordre dels giga pascals, GPa). No obstant això, hi ha una regió estreta en el seu diagrama de pressió-temperatura on aquests cristalls hcp pateixen una transició a una fase cúbica centrada en el cos (bcc).

On es troba i obtenció

Cosmos i roques

L'heli representa el segon element més abundant de l'Univers i el 24% de la seva massa. Font: Pxhere.

L'heli és el segon element més abundant en tot l'Univers, superat únicament per l'hidrogen. Les estrelles produeixen constantment incommensurables quantitats d'àtoms d'heli mitjançant la fusió de dos nuclis d'hidrogen durant el procés de nucleosíntesi.

Així mateix, qualsevol procés radioactiu que emeti partícules α és una font de producció d'àtoms d'heli si aquestes interaccionen amb els electrons de l'entorn; per exemple, amb els d'un cos rocós en dipòsits de minerals radioactius d'urani i tori. Aquests dos elements pateixen decaïment radioactiu, començant per l'urani:

Decaïment radioactiu de l'urani en la formació de partícules alfes, les quals posteriorment es transformen en àtom d'heli en dipòsits subterranis. Font: Gabriel Bolívar.

Per tant, en les roques on estiguin concentrats aquests minerals radioactius quedaran atrapats els àtoms d'heli, els quals s'alliberaran un cop siguin digerides en mitjans àcids.

Entre alguns d'aquests minerals estan la cleveita, carnotita, i uraninita, tots compostos per òxids d'urani (UO ₂ o O ₃ O ₈) i impureses de tori, metalls pesats i terres rares. L'heli, irrigat a través de canals subterranis, pot acabar acumulant-se en reservoris de gas natural, deus minerals o en ferros meteòrics.

S'estima que a la litósfera es produeix anualment una massa d'heli equivalent a 3.000 tones, a partir de l'decaïment radioactiu de l'urani i tori.

Aire i mars

L'heli és poc soluble en l'aigua, de manera que més d'hora que tard acaba ascendint des de les profunditats (onsevulla es trobi el seu origen), fins franquejar les capes de l'atmosfera i arribar finalment a l'espai sideral. Els seus àtoms són tan petits i lleugers que el camp gravitacional de la Terra no pot retenir-los a l'atmosfera.

Causa de l'anterior dit, la concentració de l'heli tant en l'aire (5,2 ppm) com en els mars (4 ppt) és molt baixa.

Si es volgués llavors extreure de qualsevol d'aquests dos mitjans, la "millor" opció seria l'aire, a el qual primer caldria sotmetre'l a una liqüefacció per condensar tots els seus gasos components, mentre l'heli roman en estat gasós.

No obstant això, no és pràctica l'obtenció de l'heli a partir de l'aire, sinó de les roques enriquides amb els minerals radioactius; o millor encara, de les reserves de gas natural, on l'heli pot representar fins al 7% de la seva massa total.

Liqüefacció i destil·lació de el gas natural

En lloc de sotmetre a liquació l'aire, és més fàcil i rendible utilitzar el gas natural, la composició en heli és indubtablement molt més gran. Així doncs, la matèria primera per excel·lència (comercial) per a l'obtenció de l'heli és el gas natural, a el qual també pot sometérsele a destil·lació fraccionada.

El producte final de la destil·lació s'acaba de purificar amb carbó activat, pel que passa a través d'un heli de gran puresa. I finalment, l'heli es separa de l'neó ​​mitjançant un procés criogènic on s'empra heli líquid.

isòtops

L'heli es presenta a la natura predominantment com l'isòtop ⁴ He, el nucli nu és la famosa partícula α. Aquest àtom de ⁴ He té dos neutrons i dos protons. En menor abundància es troba l'isòtop ³ He, el qual té només un neutró. El primer és més pesat (té major massa atòmica) que el segon.

Així doncs, la parella d'isòtops ³ He i ⁴ He són les que defineixen les propietats mesurables i el que entenem d'l'heli com a element químic. Atès que el ³ He és més lleuger, és de suposar-se que els seus àtoms compten amb més energia cinètica i que, per tant, necessiten d'una temperatura encara més baixa per cohesionar en un superfluid.

El ³ He es considera una espècie molt rara aquí a la Terra; però, en sòls lunars és més abundant (2000 vegades més, aproximadament). És per això que la Lluna ha estat objecte de projectes i històries com a possible font de ^març He, el qual pogués destinar com a combustible nuclear per a les naus espacials de el futur.

Entre d'altres isòtops de l'heli poden esmentar-se, amb els seus respectius temps de vida mitjana: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ^-22 s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) i ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

Riscos

L'heli és un gas inert i, per tant, no participa en cap de les reaccions que ocorren dins dels nostres cossos.

Els seus àtoms pràcticament entren i surten exhalats sense que les seves interaccions amb les biomolècules produeixin un efecte ulterior; excepte en el so emès de les cordes vocals, els quals es tornen més aguts i tenen més freqüència.

Les persones que inhalen heli d'un globus (amb moderació), parlen amb una veu aguda, semblant a la d'un esquirol (o ànec).

El problema és que si aquesta persona inhala una quantitat inadequada d'heli, corre el risc de asfixiar-se, ja que els seus àtoms desplacen a les molècules d'oxigen; i per tant, no podrà respirar fins que exhala tot aquest heli, que al seu torn causa de la seva pressió pot estripar el teixit pulmonar o causar barotraumas.

S'han reportat casos de persones que han mort per inhalar heli a causa del que recentment explicat.

D'altra banda, tot i que no representi un risc d'incendi donat la seva falta de reactivitat cap a l'oxigen (o una altra substància), si està emmagatzemat sota altes pressions i s'escapa, la seva fugida pot ser físicament perillosa.

usos

Les propietats físiques i químiques de l'heli no només fan d'ell un gas especial, sinó a més una substància molt útil per a aplicacions que ameriten temperatures en extrem baixes. En aquest apartat s'abordaran algunes d'aquestes aplicacions o usos.

Sistemes de pressió i purga

En alguns sistemes cal augmentar la pressió (pressuritzar), i per a això s'ha d'injectar o subministrar un gas que no interaccioni amb cap dels seus components; per exemple, amb reactius o superfícies sensibles a reaccions indesitjables.

És així que la pressió pot incrementar-se amb volums d'heli, la inèrcia química ho torna ideal per a aquest propòsit. L'atmosfera inert que facilita supera en certs casos a la de l'nitrogen.

Per al procés invers, és a dir, la purga, l'heli també s'utilitza per la seva capacitat per arrossegar tot l'oxigen, vapors d'aigua o qualsevol altre gas, la presència desitja eliminar-se. D'aquesta manera la pressió de el sistema es redueix un cop s'hagi buidat l'heli.

Deteccions de fuites

L'heli pot filtrar-se a través de la més mínima fissura, per la qual cosa serveix a més per detectar fuites en canonades, contenidors d'alt buit o tancs criogènics.

En ocasions la detecció pot fer-se visualment o mitjançant el tacte; però, majorment un detector és el que "llança" el senyal d'on i quant heli està escapant de el sistema sota inspecció.

Gas d'arrossegament

Els àtoms d'heli, tal com es va esmentar per als sistemes de purga, pot arrossegar amb si, depenent de la seva pressió, molècules més pesades. Per exemple, aquest principi s'utilitza quotidianament en anàlisi de cromatografia de gasos, ja que pot arrossegar la mostra atomitzada al llarg de la columna, on interacciona amb la fase estacionària.

Globus i dirigibles

L'heli s'utilitza per inflar els dirigibles i és molt més segur que l'hidrogen perquè no és un gas inflamable. Font: Pixabay.

A causa de la seva baixa densitat en comparació a l'aire i, novament, a la seva falta de reactivitat amb l'oxigen, s'ha utilitzat per a inflar globus en festes infantils (barrejat amb oxigen perquè ningú s'asfixiï per respirar-), i dirigibles (imatge superior), sense que pugui representar un risc d'incendi.

busseig

L'heli és un dels principals components dels tancs d'oxigen amb els que respiren els bussos. Font: Pxhere.

Quan els bussos descendeixen a majors profunditats se'ls dificultat respirar producte de la gran pressió exercida per l'aigua. És per això que en els seus tancs d'oxigen s'agrega heli per disminuir la densitat de gas que respiren i exhalen els bussos, i així, aquest pugui exhalar amb menor treball.

Soldadures per arc

En el procés de soldadura, l'arc elèctric aporta la calor suficient perquè els dos metalls s'uneixin. Si es realitza sota una atmosfera d'heli, el metall incandescent no reaccionarà amb l'oxigen de l'aire per convertir-se en el seu òxid respectiu; per tant, l'heli impedeix que això passi.

superconductors

L'heli líquid s'utilitza per refrigerar els imants emprats en els escàners d'imatges per ressonància magnètica nuclear. Font: Jan Ainali

L'heli líquid és tan fred que pot congelar els metalls fins transformar-los en superconductors. Gràcies a això, s'ha pogut fabricar imants molt poderosos, els quals, refrigerats amb heli líquid, s'han utilitzat en escàners d'imatges o espectròmetres de ressonància magnètica nuclear.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17 d'abril de al 2019). Helium hydride ió detected in space for the first time: evidence found for elusive chemistry from the universe 's first minutes. Recuperat de: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19 d'agost de 2009). Helium. Chemistry in its Element. Recuperat de: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Recuperat de: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, I., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Crystal Structure and Density of Helium up to 232 kbar. Recuperat de: articles.adsabs.harvard.edu
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Helium. PubChem Database. CID = 23987. Recuperat de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (06 de febrer del 2017). Up, up and away: Chemists say 'yes,' helium can form compounds. Utah State University. Recuperat de: phys.org
8. Steve Gagnon. (Sf). Isotopes of the Element Helium. Jefferson Lab. Recuperat de: education.jlab.org
9. Advameg, Inc (2019). Helium. Recuperat de: chemistryexplained.com