Helio (elemento químico)
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Helio. Es un elemento químico de número atómico 2 y símbolo He. 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. El helio tiene el menor punto de evaporación de todos los elementos químicos, y sólo puede ser solidificado bajo presiones muy grandes. Es además, el segundo elemento químico en abundancia en el universo, tras el hidrógeno, encontrándose en la atmósfera trazas debidas a la desintegración de algunos elementos. En algunos depósitos naturales de gas se encuentra en cantidad suficiente para la explotación, empleándose para el llenado de globos y dirigibles, como líquido refrigerante de materiales superconductores criogénicos y como gas envasado en el buceo a gran profundidad.
Sumario
Historia
El helio fue descubierto de forma independiente por el francés Pierre Janssen y el inglés Norman Lockyer, en 1868 al analizar el espectro de la luz solar durante un eclipse solar ocurrido aquel año, y encontrar una línea de emisión de un elemento desconocido. 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. En 1895 Sir William Ramsay 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 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.
Características principales
En condiciones normales de presión y temperatura el helio es un gas monoatómico, pudiéndose licuar sólo en condiciones extremas (de alta presión y baja temperatura). 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 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 el helio vapor muy denso, expandiéndose 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.
Aplicaciones
El helio es más ligero que el aire y a diferencia del hidrógeno no es inflamable, siendo además su poder ascensional un 8% menor que la de éste, por lo que se emplea como gas de relleno en globos y zepelines publicitarios, de investigación atmosférica e incluso para realizar reconocimientos militares. Aún siendo la anterior la principal el helio tiene más aplicaciones:
- Las atmósferas helio-oxígeno se emplean en la inmersión a gran profundidad, ya que el helio es inerte, menos soluble en la sangre que el nitrógeno y se difunde 2,5 veces más deprisa que él, todo lo cual reduce el tiempo requerido para la descompresión, aunque ésta debe comenzar a mayor profundidad, y elimina el riesgo de narcosis por nitrógeno (borrachera de las profundidades).
- Por su bajo punto de licuefacción y evaporación puede utilizarse como refrigerante en aplicaciones a temperatura extremadamente baja como en imanes supercondutores e investigación criogénica a temperaturas próximas al cero absoluto.
- En cromatografía de gases se usa como gas portador inerte.
- La atmósfera inerte de helio se emplea en la soldadura por arco y en la fabricación de cistales de silicio y germanio, así como para presurizar combustibles líquidos de cohetes.
- En túneles de viento supersónicos.
- Como agente refrigerante en reactores nucleares.
- El helio líquido encuentra cada vez mayor uso en las aplicaciones médicas de la imagen por resonancia magnética (RMI).
Compuestos
Dado que el helio es un gas noble, en la práctica no participa en las reacciones químicas, aunque bajo la influencia de descargas eléctricas o bombardeado con electrones forma compuestos.
El helio tiene una valencia cero y no es químicamente reactivo bajo condiciones normales.[21] Es un aislante eléctrico a menos que esté ionizado. 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.[8] El helio 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.[22] 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.[8] En teoría, otros compuestos reales también son posibles, como el fluorohidruro de helio (HHeF), que sería análogo al fluorohidruro de argón, descubierto en 2000.[23] Los cálculos indican que dos nuevos compuestos que contienen un enlace de helio-oxígeno podrían ser estables.[24] Dos nuevas especies moleculares, predichas teóricamente, CsFHeO y N(CH3)4FHeO, son derivados de un anión metaestable [F-HeO], anticipado en 2005 en forma teórica por un grupo de Taiwán. De confirmarse experimentalmente, estos compuestos acabarían con la inercia química del helio, y el único elemento completamente inerte sería el neón.[25]
El helio ha sido colocado en jaulas moleculares de carbono (los fullerenos) por medio de calentamiento a alta presión. Las moléculas de fullereno endohédrico formadas son estables hasta temperaturas altas. Cuando se forman los derivados químicos de estos fullerenos, el helio permanece dentro de ellos.[26] Si se utiliza helio-3, se puede observar fácilmente por espectroscopia de resonancia magnética nuclear.[27] Se han reportado una gran cantidad de fullerenos que contienen helio-3. Aunque los dichos átomos no se encuentran ligados por medio de enlaces covalentes o iónicos, estas sustancias tienen propiedades distintas y una composición definida, al igual que todos los compuestos químicos estequiométricos.
Efectos biológicos
La velocidad del sonido en el helio es casi tres veces la velocidad del sonido en el aire. Debido a la frecuencia fundamental de una cavidad llena de gas es proporcional a la velocidad del sonido en el gas. Si se inhala helio se produce un aumento correspondiente en las alturas de las frecuencias de resonancia de las cuerdas vocales. (El efecto contrario, la reducción de frecuencias, se puede obtener por la inhalación de un gas denso como el hexafluoruro de azufre). 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. La inhalación de helio directamente de 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.
Isótopos
El isótopo más común del helio es el 4He, cuyo núcleo está constituido por dos protones y dos neutrones. 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. El helio tiene un segundo isótopo, el 3He, así como otros más pesados que son radiactivos. El helio-3 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. Ambos isótopos se produjeron en el Big bang y cantidades significativas se siguen produciendo mediante la fusión del hidrógeno en las estrellas siguiendo la cadena protón-protón.
Precauciones
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.
