Helio (2) sii

Helio:

Símbolo químico: He Protones electrones: 2 Neutrones (isotopo 0-He): 0 Electronegatividad: --1ra Energía de Ionización: 2372,3 KJ/mol Punto de fusión: -272,2 ºC Configuración de Bohr: K2 Configuración electrónica cuántica: 1s2

Masa Atómica: 4,0026 (g/mol) Numero Atómico: 2 Nº oxidación: ---Radio Atómico: 0,68 Å/ 128 pm 2da Energía de Ionización: 5250,3 KJ/mol Punto de ebullición: -268,87ºC Grupo: 18/ VIIIA Periodo: 1

El helio es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante (luego del hidrógeno) en el universo observable, constituyendo el 24% de la masa de los elementos presentes en nuestra galaxia. Esta abundancia se encuentra en proporciones similares en el Sol y en Júpiter. Por masa se encuentra en una proporción doce veces mayor a la de todos los elementos más pesados juntos. La presencia tan frecuente de helio es debida a elevada energía de enlace por nucleón del helio-4 con respecto a los tres elementos que le siguen en la tabla periódica (litio, berilio y boro). Esta energía da como resultado la producción frecuente de helio tanto en la fusión nuclear como en la desintegración radioactiva. La mayor parte del helio en el universo se encuentra presente en la forma del isótopo helio-4 (4He), el cual se cree que se formó unos 15 minutos después del Big Bang. En la atmósfera de la Tierra se encuentran trazas de helio debido a la desintegración radioactiva de algunos elementos. En algunos depósitos naturales el gas se encuentra en cantidad suficiente para la explotación. En la Tierra, la ligereza de helio ha provocado su evaporación de la nube de gas y polvo a partir de la cual se formó el planeta, por lo que es relativamente poco frecuente —con una fracción de 0,00052 por volumen— en la atmósfera terrestre. Sin embargo, el helio se encuentra como componente natural de los gases atrapados bajo formaciones rocosas). El helio presente en la Tierra hoy en día ha sido creado en su mayor parte por la desintegración radiactiva natural de los elementos radioactivos pesados (torio y uranio), debido a que las partículas alfa emitidas en dichos procesos constan de núcleos de helio-4 (esto es muy notable en Texas). Este helio radiogénico es atrapado junto con el gas natural en concentraciones de hasta el 7% por

volumen, del que se extrae comercialmente por un proceso de separación a baja temperatura llamado destilación fraccionada.

Historia del elemento: En 1868 el astrónomo francés P.J.C. Janssen (1.824-1.907) se trasladó a la India con el objeto de observar un eclipse de sol y utilizar el espectroscopio, desarrollado ocho años antes, para hacer un estudio de la cromosfera solar. Como resultado de estas observaciones anunció que había detectado una nueva línea espectral, de tono amarillo, que no pertenecía a ninguno de los elementos conocidos hasta ese momento y al no tener la menor idea de qué se trataba, solo dejó registro del avistamiento. Norman Lockyer observó el mismo eclipse y propuso que dicha línea era producida por una emisión de un nuevo elemento. Eduard Frankland confirmó los resultados de Janssen y propuso el nombre helium para el nuevo elemento, en honor al dios griego del sol (helios) al que se añadió el sufijo -ium ya que se esperaba que el nuevo elemento fuera metálico, con lo cual, tanto a Lockyer como a Janssen se les adjudicó el descubrimiento de este elemento. Durante más de veinticinco años se pensó que el helio sólo existía en el Sol, hasta que en 1895 W. Ramsay tratando los minerales de uranio uraninita y cleveita con ácidos detectó la presencia de Helio en los gases desprendidos, por lo cual aisló el helio descubriendo que no era metálico, a pesar de lo cual el nombre original se conservó. Los químicos suecos Nils Langlet y Per Theodor Cleve consiguieron también, por la misma época, aislar el elemento. En 1903 se encontraron grandes reservas de helio en campos de gas natural en los Estados Unidos, país con la mayor producción de helio en el mundo En 1907 Ernest Rutherford y Thomas Royds mostraron que las partículas alfa son núcleos de helio. En 1908 el físico alemán Heike Kamerlingh Onnes produjo helio líquido enfriando el gas hasta 0,9 K, lo que le hizo merecedor del premio Nobel. En 1926 su discípulo Willem Hendrik Keesom logró por vez primera solidificar el helio. En 1908 se consiguió licuar por primera vez el helio en el laboratorio de Kamerlingh-Onnes y algunos meses después de la muerte de éste, en 1926, se consiguió su solidificación.

Definición del elemento: El Helio es el segundo elemento químico, de número atómico 2 y símbolo He y peso atómico estándar de 4,0026. A pesar de que su configuración electrónica es 1s², el helio no figura en el grupo 2 de la tabla periódica de los elementos, junto al hidrógeno en el bloque s, sino que se coloca en el grupo 18 del bloque p, ya que al tener el nivel de energía completo, presenta las propiedades de un gas noble, es decir, es inerte (no reacciona) y al igual que éstos, es un gas monoatómico incoloro e inodoro pero a pesar de ser un gas noble o inerte, posee una serie de características únicas y muy interesantes . Básicamente, entre algunas de sus características más interesantes, mencionemos que el helio es el único líquido que no puede ser solidificado al bajarle la temperatura. Se mantiene en estado líquido, incluso hasta el cero absoluto a una presión ordinaria, aunque puede lograrse un cambio mediante la manipulación de la presión. Es además, el segundo elemento químico en abundancia en el universo, tras el hidrógeno.

Isótopos del elemento: Los isótopos del helio incluyen dos isótopos naturales y seis isótopos exóticos inestables. Los isótopos naturales se formaron en grandes cantidades durante la nucleosíntesis del Big Bang y se siguen produciendo en cantidades significativas mediante la fusión del hidrógeno en las estrellas siguiendo la cadena protón-protón.

Helio-4/4He o He-4: Es el isótopo más común del helio, cuyo núcleo está constituido por dos protones y dos neutrones, este es no-radiactivo y ligero y es por lejos, el más abundante de los dos isótopos de helio naturalmente presentes, formando aproximadamente el 99,99986% del helio en la Tierra. Su núcleo es una partícula alfa, que contiene dos protones y dos neutrones. Dado que la desintegración alfa es un modo de descomposición común para muchos radioisótopos, esto podría explicar su abundancia. Su excepcional estabilidad nuclear se debe a que tiene un número mágico de nucleones, es decir, una cantidad que se distribuye en niveles completos (de modo análogo a como se distribuyen los electrones en los orbitales). Numerosos núcleos pesados se desintegran emitiendo un núcleo de 4He; éste proceso, que se denomina desintegración alfa y por el que al núcleo emitido se le llama partícula alfa, es el origen de la mayoría del helio terrestre. Su punto de ebullición de 4,2 K es la más baja de cualquier sustancia conocida. Cuando se enfría aún más a 2,17 K (-271 °C), se transforma en un estado de superfluido único de viscosidad cero, con propiedades muy diferentes a la de un líquido ordinario. Por ejemplo, si el helio-4 se deja en un vaso destapado, una delgada capa se forma a los lados del vaso, desbordándose. Este extraño comportamiento es el resultado de la relación de ClausiusClapeyron (la relación de Clausius-Claypeyron es una forma de caracterizar el cambio de fases entre un líquido y el sólido, en la que da la pendiente de la curva de coexistencia, la cual es la línea que separa a ambos estados en un diagrama de presión-temperatura) y no puede ser explicada por el modelo actual de mecánica clásica ni por la física nuclear de los modelos eléctricos. Y se solidifica sólo a presiones superiores a 25 atmósferas, donde su punto de fusión es de 0,95 K. El 4He se puede obtener mediante la fusión de deuterio (Hidrógeno-2) y tritio (Hidrógeno-3)..

Helio-3/3He o He-3: Es el segundo isotopo natural del helio, el cual es prácticamente inexistente en la tierra, dado que la desintegración alfa produce exclusivamente núcleos de helio-4 y tanto éstos como el helio atmosférico escapan al espacio en periodos geológicos relativamente cortos. Este isótopo es estable y no es radiactivo El helión, núcleo del átomo de helio-3, está constituido por dos protones y un solo neutrón, en contraste con el helio ordinario (helio-4), que tiene dos neutrones, la masa de un helión es 5,006 411 92(0) × 10–27 kg. El helio-3 es raro en la Tierra, pero abundante en el universo; es muy buscado para usarlo en investigación en fusión nuclear. Procede del interior de las estrellas y lo produce el Sol, que lo expele en el viento solar lo transporta por el sistema solar. La atmósfera y el campo magnético

de la Tierra lo rechazan, siendo el poco que hay en nuestro planeta el restante atrapado en el interior de la Tierra durante la formación del planeta. El helio-3 también se ha añadido a la Tierra mediante el polvo de los meteoritos que caen sobre la Tierra, más frecuentemente sobre los océanos. Para que este isótopo forme un superfluido, debe ser enfriado a una temperatura de 0,0025 K, o casi mil veces menor que el helio-4. Esta diferencia se explica por la estadística cuántica, ya que el helio-3 átomos son fermiones, mientras que el helio-4 átomos son bosones que se condensan en un superfluido más fácilmente. El He-3 se puede producir a partir de la desintegración radiactiva del tritio, que a su vez se produce por bombardeo con neutrones de blancos de litio, boro o nitrógeno. Y dicho isótopo se utiliza en las investigaciones hidrológicas e hidrogeológicas. Los isótopos exóticos del helio tienen masas muy superiores a los isótopos naturales. Aunque todos los isótopos exóticos decaen con un periodo de semidesintegración menor de un segundo, los investigadores han creado desde hace tiempo isótopos del helio exóticos mediante colisiones en aceleradores de partículas, para obtener núcleos atómicos no comunes de elementos como el helio, litio y nitrógeno. Las extrañas estructuras nucleares de estos isótopos pueden dar alguna luz acerca de las propiedades de los neutrones aislados. El isótopo de vida más corta es el helio-5 con una vida media de 7,610 a 22 segundos. El helio6 se desintegra por la emisión de una partícula beta y tiene una vida media de 0,8 segundos. El He-7 también emite una partícula beta, así como un rayo gamma. El isótopo exótico del helio más estudiado es el helio-8. Este consiste en un núcleo normal de helio-4 rodeado por cuatro neutrones formando un "halo". Los nucleídos "halo" se han convertido en un área de investigación bastante activa. Se ha confirmado la síntesis de isótopos como el 10He, con dos protones y ocho neutrones, mientras que el 4He tiene sólo dos neutrones. El He-2, también conocido como un diprotón, es un isótopo extremadamente inestable del helio, consiste en dos protones y no tiene neutrones. Los diprotones no son estables, ya que el principio de exclusión de Pauli, fuerza a que los dos protones para ser estables tuvieran espines antiparalelos, lo cual da una energía de ligadura más grande que cero. Por eso, el diprotón decae muy rápidamente a un núcleo de deuterio mediante desintegración beta, mediante un proceso de interacción nuclear débil que se produce con mucha mayor probabilidad que la interacción nuclear fuerte que trata de unirlos, mediante el intercambio de un pion neutro. Este isótopo tiene una vida media menor al He-5

Propiedades del elemento: En condiciones normales de presión y temperatura el helio es un gas monoatómico, el cual dicho gas es incoloro, inodoro e insípido. Su punto de fusión es de 0,95 grados Kelvin o de 271,2 grados Celsius o grados centígrados y su punto de ebullición es de 4,22 grados Kelvin o de -267,93 grados Celsius o grados centígrados. Tiene la menor solubilidad en agua que cualquier otro gas, se puede licuar sólo en condiciones extremas (de alta presión y baja temperatura). En cuanto a la posición donde encontrar el helio dentro de la tabla periódica de los elementos,

el helio se encuentra en el grupo 18 y periodo 1 esto se debe a, como bien se mencionó anteriormente, al tener el nivel de energía completo, presenta las propiedades de un gas noble, es decir, es inerte (no reacciona), este elemento tiene una masa atómica de 4,0026 uma. Los gases nobles como el helio tienen poca tendencia a participar en reacciones químicas. y muestra una reactividad química muy baja en condiciones normales. De todos los gases inertes, el helio es el menos reactivo. Tiene el punto de solidificación más bajo de todos los elementos químicos, siendo el único líquido que no puede solidificarse bajando la temperatura, ya que permanece en estado líquido en el cero absoluto a presión normal. De hecho, su temperatura crítica es de tan sólo 5,19 K. Los isótopos sólidos 3He y 4He son los únicos en los que es posible, incrementando la presión, reducir el volumen más del 30%. El calor específico del gas helio es muy elevada y su vapor muy denso, se expande rápidamente cuando se calienta a temperatura ambiente. El helio sólido sólo existe a presiones del orden de 100 MPa a 15 K (-248,15 ºC). Aproximadamente a esa temperatura, el helio sufre una transformación cristalina, de estructura cúbica a estructura hexagonal compacta; en condiciones más extremas, se produce un nuevo cambio, empaquetándose los átomos en una estructura cúbica centrada en el cuerpo. Todos estos empaquetamientos tienen energías y densidades similares, debiéndose los cambios a la forma en la que los átomos interactúan. Los gases nobles como el helio tienen poca tendencia a participar en reacciones químicas. El helio, como el resto de gases nobles presenta las siguientes propiedades: Es incoloro, inodoro y muestra una reactividad química muy baja en condiciones normales

Compuestos del elemento: El helio tiene una valencia cero y no es químicamente reactivo bajo condiciones normales. Dado que es un gas noble, en la práctica no participa en las reacciones químicas, aunque puede formar compuestos inestables, conocidos como excímeros, con el wolframio, yodo, flúor y fósforo, cuando se somete a una descarga eléctrica luminiscente, a un bombardeo de electrones, o bien es un plasma por otra razón. Los compuestos moleculares HeNe, HgHe10 y WHe2, y los iones moleculares He+2, He2+2, HeH+, y HeD+ se pueden crear de esta manera. Esta técnica también ha permitido la producción de la molécula neutra He2, que tiene un gran número de sistemas de bandas espectrales, y de la molécula HgHe, que aparentemente sólo se mantiene unida por fuerzas de polarización. En teoría, otros compuestos reales también son posibles, como el fluorohidruro de helio (HHeF), que sería análogo al fluorohidruro de argón, descubierto en 2000. Los cálculos indican que dos nuevos compuestos que contienen un enlace de helio-oxígeno podrían ser estables. El gas natural, que contiene aproximadamente un 0,4% de helio, es la fuente comercial más importante de helio. Al igual que los demás gases nobles, tiene niveles de energía metaestables, lo que le permite

seguir ionizado en una descarga eléctrica con un voltaje por debajo de su potencial de ionización.

Usos principales del elemento: Industrialmente se usa en criogenia (siendo su principal uso, lo que representa alrededor de un 28% de la producción mundial), se utiliza para enfriar los imanes superconductores en los escáneres utilizados para hacer resonancias magnéticas. Entre estos usos, la aplicación más importante es en los escáneres de resonancia magnética. La atmósfera inerte de helio se emplea en la soldadura por arco y en la fabricación de cristales de silicio y germanio, así como para la producción de titanio y zirconio, así como para presurizar combustibles líquidos de cohetes. Entre sus usos más relevantes podemos mencionar que el helio se usa en el estudio de la mecánica cuántica y entre otras cosas, en medios de transporte como globos y dirigibles. Al tener el punto de fusión más bajo de todos los elementos, se utiliza ampliamente en la investigación criogénico, su punto de ebullición es cercano al cero absoluto. En el espacio, el helio cumple un rol fundamental en la reacción entre protones y en el desarrollo de los ciclos del carbón, factores esenciales para alimentar la energía del Sol y las estrellas, siendo muy abundante en aquellas estrellas más grandes y más calientes. Esta característica ya lo vuelve sumamente importante para nosotros en la Tierra. Otros usos pueden ser:. - El helio se puede añadir a los tanques de oxígeno de los buzos para que puedan respirar más fácilmente. Esto es especialmente importante para las personas que bucean a grandes profundidades (más de 140 metros bajo el nivel del mar). - Se usa en láseres de helio-neón. Estos láseres se utilizan para leer códigos de barras. - Se puede utilizar para detectar fugas en equipos de vacío y alta presión o para detectar fugas (pequeñas fracturas) en algunos vasos. - También se utiliza como gas protector para la creación de cristales de silicio y germanio y. Es un gas protector excepcional, ya que es inerte (no reactivo). - La edad de las rocas que contienen uranio y el torio se puede estimar utilizando helio. - Se utiliza a menudo como un gas portador en cromatografía de gases. - Se emplea como gas de relleno en globos y zepelines publicitarios, de investigación atmosférica e incluso para realizar reconocimientos militares. - Por su bajo punto de licuefacción y evaporación puede utilizarse como refrigerante en aplicaciones a temperatura extremadamente baja como en imanes superconductores e investigación criogénica a temperaturas próximas al cero absoluto. - En cromatografía de gases se usa como gas portador inerte. - Actúa como agente refrigerante en reactores nucleares. - En la técnica frigorífica se utiliza helio líquido para producir temperaturas ultrabajas. - Es un aislante eléctrico a menos que esté ionizado.

Métodos de obtención del elemento: El más ligero de los gases nobles se obtiene principalmente por licuación de gas natural americano a bajas temperaturas. En la atmósfera terrestre hay del orden de 5 ppm y se puede obtener como producto de desintegración en diversos minerales radiactivos de uranio y torio, dichos minerales se pulverizan y se someten a calentamiento al vacío El helio también puede sintetizarse bombardeando núcleos de litio o boro con protones a alta velocidad. También se puede obtener por licuación y posterior destilación fraccionada del aire.

Efectos del elemento sobre la salud y en el ambiente: Si se inhala helio se produce un aumento correspondiente en las alturas de las frecuencias de resonancia de las cuerdas vocales debido a que la velocidad del sonido en el helio es casi tres veces la velocidad del sonido en el aire y por ello la frecuencia fundamental de una cavidad llena de gas es proporcional a la velocidad del sonido en el gas, es decir, si un cuarto esta en presencia del gas helio, la velocidad del sonido aumenta y por ende nuestra resonancia de las cuerdas vocales es mayor. Su inhalación puede ser peligrosa si se hace en exceso, ya que es un gas asfixiante y desplaza al oxígeno necesario para la respiración normal. La respiración de helio puro continua, causa la muerte por asfixia en pocos minutos. Su inhalación directa en cilindros a presión es extremadamente peligrosa, ya que la alta velocidad de flujo puede resultar en la ruptura de los tejidos pulmonares. Sin embargo, la muerte causada por el helio es muy rara, en los Estados Unidos sólo se registraron dos fallecimientos entre 2000 y 2004. A altas presiones (más de 20 atm o dos MPa), una mezcla de helio y oxígeno (heliox) puede conducir al síndrome de alta presión nerviosa; una especie de efecto anestésico inverso. Añadiendo una pequeña cantidad de nitrógeno a la mezcla puede resolverse el problema. En la única aplicación en que se producen efectos biológicos manifiestos es como gas de respiración para buzos y trabajos subacuáticos marinos a gran profundidad. Las propiedades narcóticas del xenón son aproximadamente equivalentes a las del etileno. La narcosis inducida por los gases inertes está directamente relacionada con la presión de dicho gas, produciéndose una retención del monóxido de carbono en el cerebro, potenciando la narcosis. El helio neutro en condiciones normales no es tóxico, no juega ningún papel biológico y se encuentra en trazas en la sangre humana. Si se inhala suficiente helio de forma tal que remplace al oxígeno necesario para la respiración, puede generar asfixia. Las precauciones que se deben de tomar para el helio usado en criogenia son similares a las del nitrógeno líquido. Su temperatura extremadamente baja puede causar quemaduras por congelación y la tasa de expansión de líquido a gas puede causar explosiones si no se utilizan mecanismos de liberación de presión. Los depósitos de helio gaseoso a temperaturas de 5 a 10 K deben almacenarse como si contuvieran helio líquido debido al gran incremento de presión y a la significativa dilatación térmica que se produce al calentar el gas desde una temperatura a menos de 10 K hasta temperatura ambiente.