helio

propiedades
1 s 2 2 Él Tabla periódica
Generalmente
Nombre , símbolo , número atómico	Helio, He, 2
Categoría de elemento	Gases nobles
Grupo , período , bloque	18 , 1 , p
Apariencia	Gas incoloro
número CAS	7440-59-7
Número CE	231-168-5
Tarjeta de información ECHA	100.028.334
Código ATC	V03 AN03
Fracción de masa de la envoltura terrestre	0,004  ppm
Atómico
Masa atomica	4.002602 (2) y
Radio covalente	28 p. M.
Radio de Van der Waals	140 pm
Configuración electronica	1 s 2
1. Energía de ionización	24.587 388 80 (15) eV ≈ 2 372.32 kJ / mol
2. Energía de ionización	54.417 765 0 (3) eV ≈ 5 250.51 kJ / mol
Físicamente
Estado fisico	gaseoso
densidad	0,1785 kg m −3
magnetismo	diamagnético ( = −1,1 10 −9 )${\ Displaystyle \ chi _ {m}}$
Punto de fusion	0,95 K (-272,2 ° C, a 2,5 MPa)
punto de ebullición	4,15 K (-269 ° C)
Volumen molar	(sólido) 21,00 · 10 −6 m 3 · mol −1
Calor de evaporación	0,0840 kJ / mol
Calor de fusión	0,02 kJ mol −1
Velocidad del sonido	970 m s −1 a 273,15 K.
Capacidad calorífica específica	5193 J kg −1 K −1
Conductividad térmica	0,1513 W m −1 K −1
Químicamente
Estados de oxidación	0
Electronegatividad	5,50 (Allred y Rochow); 4,86 (Mulliken); 5,2 (promedio); sin información sobre ( escala de Pauling )
Isótopos
isótopo NUEVA HAMPSHIRE t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 3 Él 0,000137% Estable 4 él 99,999863  % Estable 5 Él {syn.} 7,618 · 10 −22  s norte 0,60 4 él 6 Él {syn.} 806,7 ms β - 3.508 6 li
Para otros isótopos, consulte la lista de isótopos
Propiedades de RMN
Spin número cuántico I γ en rad · T −1 · s −1 E r  ( 1 H) f L en B = 4,7 T en MHz 3 Él 1/2 −20,38016 10 7 0,442 152,45
las instrucciones de seguridad
Etiquetado de peligro GHS Atención Frases H y P H: 280 PAG: 403
En la medida de lo posible y habitual, se utilizan unidades SI . A menos que se indique lo contrario, los datos proporcionados se aplican a condiciones estándar .

El helio ( antiguo griego ἥλιος hélios , alemán ' sol ' ) es un elemento químico y tiene el número atómico 2. Su símbolo del elemento es Él. En la tabla periódica está en el grupo 18 de la  IUPAC , el antiguo grupo principal VIII , y por lo tanto es uno de los gases nobles . Es un incoloro, inodoro, insípido y no tóxico gas .

El helio permanece gaseoso hasta temperaturas muy bajas; solo se vuelve líquido cuando está cerca del cero absoluto. Es la única sustancia que no solidifica incluso en el cero absoluto (0  K o −273,15  ° C ) bajo presión normal . Además del neón, el helio es el único elemento para el cual, incluso en condiciones extremas, no se pudieron detectar compuestos que no se descompusieran inmediatamente después de su formación. El helio solo se presenta en forma atómica . El isótopo estable más común es ⁴ He; Otro isótopo estable es el ³ He, que es extremadamente raro en la tierra .

El comportamiento de las dos fases líquidas helio I y helio II (es decir, helio-I y helio-II ) (especialmente el fenómeno de superfluidez ) de ⁴ He es objeto de investigación actual en el campo de la mecánica cuántica . El helio líquido es una herramienta indispensable para alcanzar temperaturas extremadamente bajas. Estos son necesarios , entre otras cosas, para enfriar detectores de infrarrojos en telescopios espaciales y para investigar propiedades como la superconductividad de la materia a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Después del hidrógeno, el helio es el segundo elemento más abundante del universo y constituye aproximadamente una cuarta parte de la masa total de materia del universo. Después de la teoría reconocida, unos diez segundos después del Big Bang se unieron protones y neutrones mediante fusión a los primeros núcleos atómicos . Aproximadamente el 25% de su masa total es ⁴ He, 0,001% deuterio y trazas de ³ He. Por lo tanto, la mayor parte del helio se creó durante el Big Bang . El helio, que luego se formó dentro de las estrellas por la fusión de hidrógeno, en su mayor parte continuó fusionándose para formar elementos más pesados.

En la Tierra, el ⁴ He se forma en forma de partículas alfa durante la desintegración alfa de varios elementos radiactivos como el uranio o el radio . El helio se crea cuando la partícula alfa arrebata dos electrones de otros átomos. La mayor parte del helio presente en la tierra es, por tanto, de origen no estelar. El helio resultante se encuentra en el gas natural en concentraciones de hasta el 16 por ciento en volumen. Por tanto, el helio se puede obtener a partir del gas natural mediante destilación fraccionada .

La primera evidencia de helio fue descubierta en 1868 por el astrónomo francés Jules Janssen mientras investigaba el espectro de luz de la cromosfera solar, donde encontró la línea espectral amarilla de helio previamente desconocida .

El helio se utiliza en tecnología de baja temperatura , especialmente como refrigerante para imanes superconductores , en aparatos de respiración de aguas profundas , para determinar la edad de las rocas, como gas de relleno para globos, como gas de elevación para aeronaves y como gas protector para Varias aplicaciones industriales ( por ejemplo, en la soldadura de metales con protección de gas, como gas portador para el capilar y en la producción de obleas de silicio ). Después de inhalar helio, la voz cambia brevemente (" voz de Mickey Mouse ") debido a la mayor velocidad del sonido en comparación con el aire .

historia

El espectro completo del sol

Las líneas espectrales de helio. La línea espectral amarilla es particularmente notable.

Jules Janssen , primer descubridor del helio

Espectro de una descarga de gas helio

Las referencias al elemento helio se obtuvieron por primera vez a partir de una línea espectral de color amarillo brillante a una longitud de onda de 587,49 nanómetros en el espectro de la cromosfera solar. El astrónomo francés Jules Janssen realizó esta observación en India durante el eclipse solar total del 18 de agosto de 1868 . Cuando dio a conocer su descubrimiento, nadie le creyó al principio, ya que nunca se había encontrado un nuevo elemento en el espacio antes de que pudiera probarse en la Tierra. El 20 de octubre del mismo año, el inglés Norman Lockyer confirmó que efectivamente la línea amarilla estaba presente en el espectro solar y concluyó que estaba provocada por un elemento previamente desconocido. Dado que esta línea espectral estaba muy cerca (1.8 nm desde el centro) a la línea doble D de Fraunhofer (D2 = 589.00 nm, D1 = 589.60 nm) del sodio metálico, nombró la línea D3 para distinguirla de estas líneas. D1 y D2 de sodio. Él y su colega inglés Edward Frankland sugirieron nombrar el nuevo elemento helio (del griego helios , sol).

14 años después, en 1882, Luigi Palmieri logró por primera vez detectar el elemento helio en la tierra utilizando el análisis espectral de la lava del Vesubio .

Sir William Ramsay

El 23 de marzo de 1895, el químico británico William Ramsay ganó el helio añadiendo ácidos minerales al mineral de uranio Cleveit , una variedad de uraninita , y aislando el gas que escapaba. Estaba buscando argón, pero pudo observar la línea amarilla D3 después de separar el nitrógeno y el oxígeno del gas aislado. El mismo descubrimiento fue realizado casi simultáneamente por el físico británico William Crookes y los químicos suecos Per Teodor Cleve y Nicolas Langlet en Uppsala , Suecia . Estos recolectaron cantidades suficientes de gas para poder determinar su masa atómica .

Durante un pozo de petróleo en Dexter , Kansas , se encontró un pozo de gas natural cuyo gas natural contenía 12 por ciento en volumen de un gas desconocido. Los químicos estadounidenses Hamilton Cady y David McFarland de la Universidad de Kansas descubrieron en 1905 que era helio. Publicaron un informe de que el helio se puede obtener del gas natural. En el mismo año, Ernest Rutherford y Thomas Royds descubrieron que las partículas alfa son núcleos de helio.

La primera licuefacción de helio fue realizada en 1908 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes enfriando el gas a una temperatura por debajo de 1 K. No pudo obtener helio sólido incluso después de un enfriamiento adicional; esto solo lo logró en 1926 Willem Hendrik Keesom , un estudiante de Kamerlingh Onnes, comprimiendo el helio a 25 bar a una temperatura análoga. Kamerlingh Onnes describió por primera vez el fenómeno de los líquidos superfluidos ahora conocido como el efecto Onnes .

A principios del siglo XX, se encontraron grandes cantidades de helio en campos de gas natural en las Grandes Llanuras de Estados Unidos, lo que convirtió a Estados Unidos en el principal proveedor mundial de helio. Siguiendo una sugerencia de Sir Richard Threlfall , la Marina de los EE. UU. Patrocinó a tres pequeñas empresas experimentales de producción de helio durante la Primera Guerra Mundial para extraer helio como gas de relleno para globos de barrera . De estas operaciones se extrajeron un total de 5.700 metros cúbicos de gas con un contenido de helio del 92%. Este helio se utilizó en 1921 en el primer dirigible lleno de helio, el C-7 de la Marina de los EE. UU.

El gobierno de los Estados Unidos hizo construir la Reserva Nacional de Helio en Amarillo , Texas , en 1925 para asegurar el suministro de aeronaves militares en tiempo de guerra y dirigibles en tiempos de paz. El campamento está ubicado en una formación rocosa natural a 20 km al noroeste de Amarillo. Aunque la demanda cayó después de la Segunda Guerra Mundial , la planta de producción de Amarillo se amplió para permitir que el helio líquido se utilice como refrigerante para el combustible de cohetes de oxígeno-hidrógeno y otros elementos que se deben enfriar. El consumo de helio en EE. UU. Aumentó ocho veces su pico de guerra en 1965.

Después de la aprobación de las Enmiendas a la Ley de Helio de 1960 (Ley Pública 86-777) en los Estados Unidos , se construyeron otras cinco plantas privadas de producción de helio. El Departamento de Minas de Estados Unidos hizo construir un oleoducto de 685 kilómetros desde Bushton en Kansas hasta Amarillo en Texas; En 1995, este almacén contenía alrededor de mil millones de metros cúbicos de helio y en 2004 contenía alrededor de diez veces la demanda mundial anual de helio. El almacén debe estar vacío y cerrado para 2015 ( Ley de Privatización de Helio ).

La pureza del helio obtenido aumentó rápidamente después de la Segunda Guerra Mundial. En 1945 todavía se utilizaba una mezcla de 98% de helio y 2% de nitrógeno para los dirigibles; en 1949, el helio con una pureza del 99,995% ya estaba disponible comercialmente. Para lograr este grado de pureza , el carbón activado es necesario para eliminar las impurezas restantes, en su mayoría de neón  , mediante adsorción por cambio de presión .

Ocurrencia

espacio

El helio constituye aproximadamente el 19% de las capas de gas externas de Neptuno. El componente principal de Neptuno es el hidrógeno; el color azul verdoso es causado por el metano .

Según la teoría del Big Bang , la mayor parte del helio presente en el espacio hoy en día se creó en los primeros tres minutos después del Big Bang. Después del hidrógeno, el helio es el segundo elemento más común. El 23% de la masa de materia visible está formada por helio, aunque los átomos de hidrógeno son ocho veces más abundantes. Además, el helio se produce por fusión nuclear en las estrellas . Esta llamada quema de hidrógeno proporciona la energía que hace que las estrellas de la secuencia principal , es decir, la mayoría de las estrellas, brillen. Este proceso proporciona energía a las estrellas durante la mayor parte de sus vidas. Cuando la mayor parte del hidrógeno del núcleo se agota al final de la vida de una estrella, el núcleo se contrae y aumenta su temperatura. Como resultado, el helio ahora se puede convertir en carbono ( llamarada de helio , quema de helio ). La quema de hidrógeno continúa teniendo lugar en una capa alrededor de este núcleo. El carbono también se puede quemar más para formar otros elementos. Este proceso generalmente continúa hasta el hierro en ausencia de una explosión de supernova . Una explosión de supernova también sintetiza elementos más pesados ​​que el hierro, que luego se dispersan en el espacio. Con el paso del tiempo, la materia interestelar se enriquece con helio y elementos más pesados, por lo que las poblaciones de estrellas posteriores también tienen una mayor proporción de helio y elementos más pesados.

En las superficies de las estrellas y en las nebulosas , el helio es preferentemente neutro o simplemente ionizado. A diferencia de la física y la química, la notación con un superíndice "+" (He ⁺ ) no se usa en astronomía , ya que otros elementos pueden estar tan altamente ionizados que esta notación se vuelve impráctica (por ejemplo, hierro ionizado dieciséis veces en la corona solar ). En astronomía, los niveles de ionización se designan con números romanos, y el helio neutro se denomina He I, ionizado individualmente como He II y completamente (= dos veces) ionizado como helio III (helio III).

El helio también está presente en diferentes proporciones en atmósferas planetarias. A continuación se muestra un ejemplo de la cantidad de sustancia cerca del suelo o, en el caso de los planetas gaseosos, la proporción exterior de la cantidad de sustancia:

Meteoritos, asteroides y luna

El helio también se puede generar en meteoritos y rocas lunares superficiales a través de la interacción ( espalación ) con los rayos cósmicos . ³ Por lo tanto, en particular, se puede utilizar para determinar la llamada edad de irradiación , que generalmente corresponde al período desde que el meteorito golpeó el cuerpo madre hasta que llegó a la Tierra. Además, el ⁴ He se forma en meteoritos a través de la desintegración de elementos radiactivos pesados. También hay otros componentes de helio en los meteoritos, que se originan en el momento en que se formó el sistema solar.

La mayor parte del helio unido al regolito de la luna proviene del viento solar cuando golpea la superficie sin obstáculos por una atmósfera o un campo magnético. Aproximadamente el 4% del viento solar son iones de helio, de los cuales aproximadamente 0,48 ‰ son helio-3. Los iones de helio del viento solar tienen una energía de aproximadamente 3 keV, penetran en los sólidos y permanecen allí (→ implantación de iones ). Debido a la baja profundidad de penetración de iones (rango submicrométrico), el helio se encuentra particularmente en la parte fina del regolito en la superficie y debido a la mezcla hasta una profundidad de unos pocos metros. Se retiene particularmente en minerales conductores ( ilmenita ) que son ricos en óxido de titanio . Ocurre aquí en concentraciones de hasta 70 ppm en masa. Aproximadamente 100 ppm del helio unido a la roca lunar es el isótopo helio-3 , que es extremadamente raro en la tierra y se está discutiendo su uso en reactores de fusión.

tierra

La tierra produce helio a través de procesos radiactivos en el interior de la tierra.

⁴ Se crea en el cuerpo de la tierra durante la desintegración radiactiva ( desintegración alfa ) de elementos pesados ​​como el uranio o el torio , y los núcleos de helio se emiten como partículas alfa y luego atrapan electrones. Se puede encontrar en varios minerales que contienen uranio y torio, como la pechblenda .

Una proporción de ³ He en el manto terrestre, que está muy por encima del valor atmosférico, el llamado helio del manto, proviene de la época en que se formó la tierra ; la relación ⁴ He / ³ He en el manto superior, que está en gran parte desgasificado y cuya reserva de helio se repone esencialmente con ⁴ He procedente de desintegraciones alfa, es de alrededor de 86.000. Si el sistema de convección del manto inferior está en gran parte separado del del manto superior y el intercambio de masa entre los dos es correspondientemente bajo, la proporción en el manto inferior, apenas desgasificado, está entre 2500 y 26,000, es decir, la proporción de ³ He es más alto. Esto es de particular interés geodinámico con respecto a las causas del vulcanismo de puntos calientes : mientras que ⁴ He / ³ He = 86.000 es típico de los basaltos de las dorsales oceánicas, que se forman mediante procesos de fusión de material del manto superior, basaltos de algunos puntos calientes para Tomar islas volcánicas oceánicas como Hawai e Islandia, alrededor de tres a cuatro veces ³ El más rico. Esto se explica comúnmente por el hecho de que este vulcanismo es causado por las plumas del manto , cuyo origen se encuentra en el límite entre el núcleo y el manto y que, por lo tanto, consisten al menos parcialmente en material del manto inferior.

El helio se encuentra, a través del mismo mecanismo de acumulación, en el gas natural (hasta un 16 por ciento en volumen) y en pequeñas cantidades en el petróleo crudo (0,4%). Las reservas europeas de gas natural solo contienen proporciones del 0,12 (Mar del Norte) al 0,4 por ciento en volumen (Polonia), mientras que las reservas de gas natural de Siberia, América del Norte (Canadá, Texas, Kansas y Oklahoma) y Argelia de hasta el 16 por ciento en volumen son posibles. .

En las capas inferiores de la atmósfera terrestre , especialmente en la troposfera mezclada por el clima , el contenido de helio es de aproximadamente 5,2 ppm. En altitudes muy elevadas, los gases tienden a separarse según sus diferentes densidades, también contra el efecto de mezcla del movimiento de calor molecular no dirigido. Por encima de los 100 km de altitud ( homosfera ), la atmósfera está cada vez más segregada, por lo que a altitudes> 400 km, el helio (en términos de número de partículas) se convierte en el gas predominante. En el proceso, los átomos de helio escapan al espacio a estas alturas, en el caso estacionario, tanto como se repone desde la superficie de la tierra a través de la difusión, extracción y vulcanismo.

Extracción

El gas natural con un contenido de helio del 0,2% o más es el proveedor de helio más grande y económicamente más importante. Dado que el helio tiene una temperatura de ebullición muy baja, es posible enfriar el gas natural para separar el helio de las otras sustancias contenidas en el gas natural, como los hidrocarburos y los compuestos nitrogenados .

Durante muchos años, Estados Unidos recuperó más del 90% del helio comercialmente utilizable del mundo. En 1995, se produjeron en Estados Unidos un total de mil millones de metros cúbicos de helio. El resto fue suministrado por instalaciones de producción en Canadá , Polonia , Rusia (con grandes cantidades en las áreas inaccesibles de Siberia ) y otros países. Después del cambio de milenio, se agregaron Argelia y Qatar . Argelia se convirtió rápidamente en el segundo proveedor más importante de helio. En 2002, Argelia produjo el 16% del helio distribuido en el mundo. El helio se obtiene allí durante la licuación del gas natural.

En 2004, Amarillo en Texas tenía alrededor de diez veces la demanda mundial anual de helio. Sin embargo, esta antigua reserva estratégica del gobierno de EE. UU. Debe venderse al sector privado debido a la Ley de Privatización de Helio de la administración Clinton de 1996 a 2015.

Esto inicialmente provocó un exceso de helio con precios muy bajos, lo que provocó un uso derrochador y durante mucho tiempo no dio lugar a ninguna medida para promover la economía. Sin embargo, debido a que el consumo aumenta constantemente, el helio amenaza con escasear y los grandes consumidores han puesto en funcionamiento cada vez más instalaciones para recuperar el helio. Los expertos incluso advierten de una escasez de helio, ya que el helio solo se puede obtener de algunos gases naturales. En 2016, sin embargo, se descubrió un enorme depósito de helio en Tanzania, por lo que la crisis del helio se considera evitada por el momento. Dado que también podrían determinarse las condiciones geológicas bajo las cuales se forma el helio, se esperan nuevos descubrimientos en el futuro. En septiembre de 2019, se volvió a señalar una inminente crisis mundial de helio.

El isótopo ³ He solo está contenido en aproximadamente 1,4  ppm en helio natural en la tierra y, por lo tanto, es muchas veces más caro que la mezcla de isótopos naturales.

Generacion

En principio, el helio también se puede obtener en reacciones nucleares . El helio ⁴ He se produce por bombardeo de neutrones de litio ⁶ Li en un reactor nuclear ; El tritio ³ H (hidrógeno superpesado) se forma como subproducto :

${\ displaystyle \ mathrm {{} ^ {6} Li + n \ \ rightarrow \ {} ^ {3} H + {} ^ {4} He}}$

El tritio se descompone en ³ He a través de la desintegración beta con una vida media de 12,33 años.

También se incuban cantidades muy pequeñas de helio ³ He en reactores moderados por agua cuando los átomos de hidrógeno del agua capturan neutrones. El hidrógeno pesado ( deuterio ) se forma a partir del hidrógeno normal y el tritio se forma a partir de él a través de una mayor captura de neutrones , que a su vez se convierte en helio ³ He a través de la desintegración beta . Con hidrógeno normal, la tasa de captura es más alta que en el paso posterior de captura de neutrones por hidrógeno pesado (por lo tanto, las centrales nucleares que utilizan agua pesada como moderador también pueden funcionar con uranio natural):

${\ displaystyle \ mathrm {{} _ {1} ^ {1} H \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {1} ^ {2} H \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma )}} \ _ {1} ^ {3} H \ {\ xrightarrow [{12 {,} 33 \ a}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {2} ^ {3} He}}$

Los tiempos indicados son vidas medias .

propiedades

Propiedades físicas

Diagrama de fase de ⁴ He:
hcp: empaquetamiento cerrado hexagonal de esferas
bcc: sistema de cristal cúbico centrado en el cuerpo

Después del hidrógeno, el helio es el elemento químico con la segunda densidad más baja y tiene los puntos de fusión y ebullición más bajos de todos los elementos. Por lo tanto, solo existe como líquido o sólido a muy bajas temperaturas. A temperaturas inferiores a 2,17 K, ⁴ He se encuentra en una fase superfluida . A presión normal, el helio no se solidifica incluso a una temperatura cercana a 0 K. Solo a una presión superior a 2,5 MPa (alrededor de 25 veces la presión atmosférica) el helio se convierte en una fase sólida a temperaturas suficientemente bajas.

En estado gaseoso

El helio es un gas incoloro, inodoro, insípido y no tóxico. En condiciones estándar , el helio se comporta casi como un gas ideal . El helio es atómico en prácticamente todas las condiciones. Un metro cúbico de helio tiene una masa de 179 g en condiciones estándar, mientras que el aire es aproximadamente siete veces más pesado. Después del hidrógeno, el helio tiene la mayor conductividad térmica de todos los gases y su capacidad calorífica específica es extraordinariamente grande. El helio es un buen aislante eléctrico . La solubilidad del helio en agua es de 1,5 mg / l (9,3 ml / l) a 20 ° C y 101,325 kPa menos que cualquier otro gas. Su tasa de difusión a través de los sólidos es tres veces mayor que la del aire y aproximadamente el 65 por ciento del hidrógeno. En condiciones estándar, el helio tiene un coeficiente de Joule-Thomson negativo , lo que significa que este gas se calienta cuando se expande. Solo se enfría cuando se expande por debajo de la temperatura de inversión de Joule-Thomson (aproximadamente 40 K a presión atmosférica). Por lo tanto, el helio debe enfriarse previamente por debajo de esta temperatura antes de que pueda licuarse mediante enfriamiento por expansión. Sus datos críticos son una presión de 2,27 bar, una temperatura de -267,95 ° C (5,2 K) y una densidad de 0,0696 g / cm ³ .

Tubos de descarga de gas helio de varios diseños

En estado liquido

Helio I.

A presión normal, el helio forma un líquido incoloro entre el punto lambda a 2.1768 K y el punto de ebullición a 4.15 K.

Helio II

Liquid ⁴ Desarrolla propiedades muy inusuales por debajo de su punto lambda. El helio con estas propiedades se llama helio II .

El helio II es una sustancia superfluida . Por ejemplo, fluye a través de las aberturas más pequeñas en el orden de magnitud de 10 ⁻⁷  a 10 ⁻⁸  my no tiene viscosidad medible . Sin embargo, las mediciones entre dos discos en movimiento mostraron una viscosidad similar a la del helio gaseoso. Este fenómeno se explica con el modelo de dos fluidos (o modelo de dos fluidos) según László Tisza . Según esta teoría, el Helio II es como una mezcla de partículas de ⁴ He en el fluido normal y en el estado superfluido, por lo que el Helio II se comporta como si hubiera una proporción de átomos de helio con y uno sin una viscosidad medible. Sobre la base de esta teoría, muchos fenómenos de la física de bajas temperaturas, como el "efecto termomecánico", pueden explicarse de forma relativamente simple y clara. Sin embargo, hay que señalar claramente que los dos líquidos no son ni teórica ni prácticamente separables. En Helium II, los rotones postulados por Lew Landau podrían detectarse como excitaciones colectivas.

Efecto onnes del helio II

El helio II muestra el efecto Onnes : si una superficie sobresale del helio, el helio de esta superficie también se mueve contra la gravedad. De esta forma, el Helio II se escapa de un recipiente que no está sellado. Cuando llega a una zona más cálida, se evapora. Debido a este comportamiento de fluencia y la capacidad del helio II de filtrarse incluso a través de las aberturas más pequeñas, es muy difícil mantener el helio líquido en un espacio confinado. Se requiere un contenedor construido con mucho cuidado para almacenar Helio II sin que se escape o se evapore.

La conductividad térmica del helio II no se puede comparar con la conducción térmica clásica, más bien muestra paralelos al transporte de calor por convección. Esto permite un transporte de calor más rápido y eficaz a largas distancias, lo que no es posible con la conducción de calor tradicional, incluso con muy buenos conductores de calor. Este tipo de conducción también se conoce como segundo sonido , ya que se puede describir de la misma manera que el sonido mediante una ecuación de onda longitudinal : el helio II a 1.8 K conduce el calor como un impulso a una velocidad de 20 m / s.

En 1971, David M. Lee , Douglas D. Osheroff y Robert C. Richardson lograron convertir el isótopo de helio ³ He en un estado superfluido enfriando el isótopo por debajo de la temperatura de 2,6 mili-Kelvin. Se supone que dos átomos de ³ He forman un par, similar a un par de Cooper . Este par tiene un momento magnético y un momento angular . Los tres científicos recibieron el Premio Nobel de Física de 1996 por este descubrimiento .

En estado sólido

El helio es la única sustancia que no se puede solidificar bajo presión normal. Esto solo funciona bajo presión aumentada (alrededor de 2,5 MPa / 0 K para helio-4, 2,93 MPa / 0,315 K para helio-3) y a temperaturas muy bajas (menos de 1,5 K). El sólido casi completamente transparente formado durante la transición de fase es muy comprimible. En el laboratorio, su volumen se puede reducir hasta en un 30%; El helio es más de 50 veces más compresible que el agua. En estado sólido forma estructuras cristalinas. El helio sólido y líquido apenas se pueden distinguir ópticamente entre sí, ya que sus índices de refracción son casi los mismos.

En otro caso, si la temperatura cae por debajo de aproximadamente 200 mK y se lleva a cabo la centrifugación al mismo tiempo, se puede lograr un estado que se denomina suprasolide o suprafest. Aquí, parte del sólido detiene su propia rotación y penetra en las partes restantes de la materia. Todavía no se conocen tesis o teorías sobre este efecto parcialmente controvertido.

Propiedades atómicas

Los dos electrones del átomo de helio forman la capa de electrones cerrada y esféricamente simétrica del orbital atómico 1s . Esta configuración electrónica es energéticamente extremadamente estable, no existe ningún otro elemento con mayor energía de ionización y menor afinidad electrónica . A pesar de su mayor número de electrones, el helio es más pequeño que el hidrógeno y, por lo tanto, el átomo más pequeño de todos.

Dependiendo de la orientación de espín de los dos electrones del átomo de helio, se habla de parahelio en el caso de dos espines opuestos (S = 0) y de ortohelio en el caso de dos espines paralelos (S = 1). En el caso del ortohelio, uno de los electrones no está en el orbital 1s, ya que esto violaría la prohibición de Pauli .

La denominación de estos estados se remonta a un error anterior: dado que la transición electromagnética entre el estado fundamental del ortohelio y el estado fundamental del parahelio (es decir, el estado fundamental del helio) está prohibida , las dos "variantes" de helio aparecen espectroscópicamente como dos átomos diferentes. Esto llevó a Carl Runge y Louis Paschen a postular que el helio consta de dos gases separados, ortohelio ("helio real") y parahelio (para el que sugirieron el nombre de asterio).

Además de la configuración electrónica del ortohelio, los electrones pueden asumir otros estados excitados, por ejemplo, cuando son bombardeados con electrones. Estos estados excitados de larga duración se conocen como niveles de energía metaestables .

Propiedades químicas

El helio es un gas noble . La única capa de electrones está completamente ocupada por dos electrones. Debido a la proximidad al núcleo atómico, ambos electrones están fuertemente unidos a él. No solo por esto, el helio en sí es extremadamente inerte en comparación con otros gases nobles. Esto también se puede ver en las altas energías de ionización del átomo de helio.

Dímero de helio

Como puede verse en el diagrama de orbitales moleculares, los átomos de helio no forman un enlace químico entre sí . En el caso del helio, el orbital 1s está ocupado por un par de electrones. Cuando se combinan dos de estos orbitales atómicos completamente ocupados (a) y (b), tanto el orbital molecular de unión como el antienlazante están ocupados por un par de electrones. En el caso de los orbitales de unión que se desarrollan (hipotéticamente), el llamado estado de unión, energéticamente más favorable, se compensa con el antienlazamiento que también está ocupado, pero energéticamente menos favorable. El sistema general no es energéticamente más bajo y no hay vínculo .

Ocupación de los orbitales de una molécula hipotética de He 2 .

Debido a la interacción de Van der Waals , que es efectiva para todos los átomos y moléculas, también hay un dímero para el helio , aunque con una energía de enlace extremadamente pequeña de alrededor de 1,1 mK (= 9,5 · 10 ⁻²⁶  J) y una correspondientemente grande. Distancia de enlace de aproximadamente 52 Å.

Enlaces iónicos

En condiciones extremas, es posible crear un compuesto cuasiquímico de helio con un protón (HeH ⁺ ). Este compuesto es muy inestable en condiciones normales y no se puede aislar en forma de una sal como HeH ⁺ X ^- .

${\ displaystyle \ mathrm {He + H ^ {+} \ longrightarrow HeH ^ {+}}}$

Un ion hidruro de helio se forma en una mezcla de helio e hidrógeno durante una descarga eléctrica.

Puede tener lugar una reacción correspondiente entre dos átomos de helio si se suministra la energía necesaria para la ionización.

${\ displaystyle \ mathrm {Él + Él \ flecha larga a la derecha Él ^ {+} + e ^ {-}}}$

Sin embargo, estos compuestos no pueden describirse como compuestos químicos reales, sino más bien como aglomeraciones iónicas que surgen en condiciones excepcionales, existen solo por un tiempo muy corto y se desintegran de nuevo muy rápidamente.

Isótopos

De los ocho isótopos conocidos de helio, solo ³ He y ⁴ He son estables. En la atmósfera terrestre solo hay un átomo de ³ He por millón de ⁴ átomos de He . Sin embargo, la proporción de los dos isótopos varía según el lugar de origen de la muestra de helio examinada. ³ Los átomos son cien veces más comunes en el medio interestelar . En las rocas de la corteza y el manto terrestres, la proporción también está muy por encima del valor atmosférico y varía en un factor de 10. Estas variaciones se utilizan en geología para aclarar el origen de la roca (ver también la sección Tierra ).

Debido a sus diferentes propiedades de simetría ( ³ átomos de He son fermiones , ⁴ átomos de He son bosones ) ³ He y ⁴ He tienen algunas propiedades físicas diferentes, que son particularmente evidentes a bajas temperaturas. Proporciones iguales de líquido ³ He y ⁴ He por debajo de 0.8 Kelvin se separan en dos líquidos inmiscibles, similares al aceite y al agua, debido a sus diferentes propiedades cuánticas. Una fase de ³ He puros flota sobre una fase que consta principalmente de ⁴ He. Además, los dos isótopos se diferencian claramente en sus fases superfluidas (ver sección Helio II ).

Fusión nuclear

En los anuncios de nuevas misiones espaciales de los EE. UU., Rusia y China, así como de Europa, India y Japón a la luna , los depósitos proporcionalmente más grandes de ³ He allí se mencionaron varias veces como una fuente valiosa para habilitar reactores de fusión nuclear sobre la base de de este isótopo en la tierra. En contraste con la reacción de fusión deuterio - tritio , la reacción deuterio- ³ He no produce neutrones libres sino protones con una ganancia de energía igualmente alta . Esto reduciría drásticamente los problemas de radiactividad de la generación de energía de fusión. Por otro lado, provocar esta reacción es un desafío técnico aún sin resolver debido a la temperatura de plasma mucho más alta requerida.

Diprotón hipotético

Un isótopo ficticio especial de helio es el ² He, cuyo núcleo, el diprotón , solo estaría formado por dos protones si existiera. Sin embargo, no existe un estado límite para un sistema formado por dos protones, porque debido al principio de Pauli  , a diferencia del protón y el neutrón en el deuterón  , es posible que solo estén en un estado singlete con espines antiparalelos. Debido a la fuerte dependencia de espín de la interacción nucleón-nucleón, se incrementa energéticamente y, por lo tanto, no se une.

Uso y formas de comercio

Representación esquemática de un láser de helio-neón

El helio que se ofrece en la venta al por mayor proviene de grandes plantas en cinco países ( EE.UU. , Rusia , Polonia , Qatar y Argelia ); el helio se extrae del gas natural.

En la división de gases técnicos , el helio se suministra en forma de gas comprimido en botellas a presión con una presión de 200 bar y grados de pureza desde helio 4,6 (99,996% de contenido de helio) hasta helio de alta pureza 7,0 (99,99999% de contenido de helio). Los cilindros de acero con un volumen típico de 10-50 litros contienen solo de 1,8 a 9,1 metros cúbicos estándar de helio a 200 bar, ya que claramente no se comporta idealmente a 200 bar . Cantidades mayores se entregan en palés de doce botellas cada uno o en paquetes de doce botellas de 50 litros cada uno. Cantidades incluso mayores vienen en líquido criogénico en semirremolques criogénicos o remolques tubulares con típicamente diez tubos de 12 m de largo llenos con alrededor de 200 bar de helio, un total de 5000 metros cúbicos estándar.

El helio también se transporta en forma licuada criogénica, por ejemplo, desde una planta de producción en África hasta un puerto al oeste cerca de Marsella . El helio para los usuarios finales se ofrece en el comercio con una pureza baja de aproximadamente el 98% a más del 99% principalmente en forma de cilindros de gas unidireccionales como el llamado "gas de globo", de modo que se puedan inflar cantidades más pequeñas de globos. y ascendió con facilidad y seguridad en eventos y celebraciones. En principio, el gas para globos también se puede utilizar como gas de elevación para globos más grandes, como los globos meteorológicos , pero es más caro en esta aplicación en comparación con el hidrógeno .

El helio se usa de muchas formas:

• Una mezcla de helio y oxígeno (80:20) se utiliza como gas de respiración en la medicina de cuidados intensivos. La mezcla fluye a través de constricciones con menos resistencia y, por lo tanto, es más fácil de respirar.
• En el buceo profesional , se utilizan como gas respirable diversas mezclas de helio como trimix (compuesto por oxígeno, nitrógeno y helio), hydreliox (hidrógeno, helio y oxígeno) y heliox (helio y oxígeno) . La alta capacidad calorífica del helio tiene aquí un efecto desventajoso, que (en un ambiente frío) conduce al enfriamiento de los pulmones y, por lo tanto, del buceador.
• En la industria alimentaria se utiliza como propulsor o gas de envasado y está homologado como aditivo alimentario E 939 .
• El helio es un gas portador preferido para globos y dirigibles porque tiene una densidad muy baja en comparación con el aire, no se quema y, por lo tanto, puede mezclarse con aire de forma segura. Por lo tanto, el helio ha desplazado en gran medida al hidrógeno combustible , que forma mezclas explosivamente inflamables con el aire, incluso si la densidad del helio es mayor y, por lo tanto, su capacidad de carga es algo menor que la del hidrógeno. Sin embargo, debido a la alta tasa de difusión, los requisitos de impermeabilidad de la envoltura son más altos que para todos los demás gases.
• En la tecnología de soldadura , el helio se utiliza en su forma pura o como un aditivo como gas inerte para proteger el punto de soldadura del oxígeno . Además, el helio se puede utilizar para aumentar la profundidad de quemado y la velocidad de soldadura y reducir la formación de salpicaduras, especialmente en la soldadura por robot y al procesar aluminio y aceros inoxidables.
• Técnicamente, el helio licuado (los isótopos ⁴ He y ³ He) se utiliza como refrigerante para alcanzar temperaturas muy bajas ( ver: criostato ). Con ⁴ He, se pueden alcanzar temperaturas de hasta aproximadamente 1 K mediante enfriamiento por evaporación, con el isótopo ³ He hasta aproximadamente 240 mK. Con el método de la ³ He- ⁴ mezcla Él enfriamiento lograrse mK a aproximadamente 5, dicho método mucho menos caro que un puro ³ es de He-enfriamiento. Cuando se utilizan imanes superconductores , el helio se utiliza como refrigerante para mantener el superconductor por debajo de su temperatura crítica . Las aplicaciones prácticas aquí son particularmente la resonancia magnética (MRT) para aplicaciones médicas, así como la espectroscopia de resonancia magnética (RMN) y el funcionamiento de aceleradores de partículas en la investigación. En los viajes espaciales, el helio líquido enfría los telescopios infrarrojos y las cámaras infrarrojas de alta sensibilidad de los telescopios espaciales, que solo pueden funcionar cerca del cero absoluto sin un calor intrínseco excesivo. Algunos ejemplos son: IRAS , ISO , el telescopio espacial Spitzer y Herschel . Otro campo de aplicación es la producción de fibras ópticas de vidrio en torres de caída refrigeradas por helio.
• El gas helio comprimido se puede utilizar como refrigerante, especialmente cuando se requiere un refrigerante que sea química y físicamente particularmente inerte. Sin embargo, en términos de física nuclear, solo el componente principal ⁴ He es inerte , mientras que el ³ He se convierte fácilmente en tritio radiactivo mediante neutrones térmicos . Un ejemplo es el reactor de alta temperatura de torio (abreviado: THTR), donde el helio se utilizó a temperaturas muy altas. Cabe señalar que el helio tiene una alta capacidad calorífica específica, pero una baja capacidad calorífica molar . Esto es particularmente problemático en el caso de aparatos cerrados, ya que en el caso de un aumento de temperatura (por ejemplo, en el caso de un corte de energía) hay un rápido aumento de la presión. Cuando se usa como refrigerante, la viscosidad del helio, que aumenta al aumentar la temperatura (como con todos los gases), ha demostrado ser desventajosa, ya que esto puede empeorar el enfriamiento de las áreas calientes.
• La búsqueda de fugas en los racores de gas presurizado se facilita llenando con helio. Se aplica un aerosol de detección de fugas en el exterior del accesorio de presión . El helio penetra en las fugas con especial facilidad y crea burbujas de espuma más distintivas que el gas de funcionamiento.
• En los sistemas de vacío, el helio se utiliza como el gas de detección de fugas más fácil de difundir al evacuar el aparato de vacío con una bomba y colgar un espectrómetro de masas detrás de la bomba. Si el aparato se sopla con helio, en el exterior, solo localmente para encontrar fugas, el espectrómetro de masas se puede usar para detectar una posible entrada de helio en el aparato y se puede medir la tasa de fuga . Este método de detección de fugas rápido y sensible también se utiliza en plantas químicas y en la fabricación de intercambiadores de calor para sistemas de aire acondicionado o tanques de gasolina para automóviles.
• El helio se utiliza en forma de gas en la tecnología de cohetes para reemplazar el combustible utilizado en los cohetes de combustible líquido bombeado, de modo que los tanques de combustible de paredes delgadas de los cohetes no implosionen cuando el combustible es succionado de los tanques por las bombas de combustible de los motores. En el caso de cohetes de combustible líquido sostenidos por gas comprimido, el helio empuja el combustible hacia los motores. El helio se usa aquí debido a su bajo peso y baja temperatura de ebullición. Dado que no puede reaccionar con el combustible como un gas noble, los combustibles hipergólicos agresivos tampoco son un problema.
• El helio se utiliza como gas auxiliar en varios tipos de láseres, por ejemplo, el láser de helio-neón , el láser de helio-cadmio y algunos tipos de láseres de dióxido de carbono . Sirve como socio de colisión para excitar o desexcitar los niveles de láser del medio láser activo real.
• El helio puro se utiliza como gas portador en la cromatografía de gases (análisis).
• En los tubos de descarga de gas , el helio se ilumina de color blanco amarillento.
• Debido a sus propiedades termodinámicas, el helio es un medio de trabajo muy bueno para los motores Stirling .
• Hyperpolarized ³ He se utiliza experimentalmente en el diagnóstico como medio de contraste para la resonancia magnética de los pulmones.
• En lugar de aire comprimido para impulsar las llaves de impacto al cambiar las ruedas en las carreras de automoción de Fórmula 1 . Esto les permitió funcionar un 30% más rápido a una determinada presión. Para evitar costos, prohibido por normativa a partir de 2012.
• En el caso de las unidades de disco duro , el llenado con helio en lugar de aire reduce los efectos del flujo y las vibraciones durante el funcionamiento y, por lo tanto, permite distancias más pequeñas entre los discos magnéticos individuales. Con el mismo tamaño, se pueden acomodar más discos magnéticos y se puede aumentar la capacidad de almacenamiento del disco duro.

condujo

El helio es un gas inerte y no es tóxico. Al manipular grandes cantidades de helio gaseoso, se deben tomar medidas de seguridad si la cantidad de gas y la situación espacial significan que existe el riesgo de que el aire respirable se desplace. El número de accidentes causados ​​por asfixia es menor con helio en comparación con otros gases (por ejemplo, nitrógeno ) que se utilizan a menudo como gas inerte , porque el helio gaseoso se eleva inmediatamente debido a su baja densidad y, por lo tanto, rara vez ocurre en habitaciones mal ventiladas en la parte inferior. áreas de un desplazamiento completo de oxígeno del aire circundante y, por lo tanto, el riesgo de asfixia . Las áreas de peligro potencial pueden ser la acumulación de gas helio en estructuras de edificios que son impermeables hasta la parte superior, por ejemplo, cerchas de techo, debajo de las cuales se puede formar una “burbuja de helio”.

Al manipular helio líquido ( número ONU UN 1963) - es 73 K más frío que el nitrógeno líquido, que también se conoce como "criogénico" - es necesario usar ropa protectora para evitar la congelación por contacto. El peligro surge principalmente de los recipientes, aparatos y accesorios congelados o del preenfriamiento con LN ₂ , ya que el helio líquido en sí solo tiene una capacidad de enfriamiento extremadamente baja (220 ml de LHe tiene la capacidad de enfriamiento de 1 ml de LN ₂ ). Unas gafas de seguridad para proteger los ojos o la vista de toda la cara, guantes gruesos y un cierto grosor con puños de manos. Los bolsillos abiertos o los huecos de las botas son puertas de entrada para salpicaduras y, por lo tanto, deben evitarse. Otros peligros surgen de la formación de hielo y la obstrucción asociada y la explosión de tuberías y recipientes.

Los contenedores de gas helio comprimido, en su mayoría cilindros de acero sin costura para 200 bar de alta presión o botellas soldadas (a menudo: desechables), están a alta presión. Es estrictamente para evitar calentarlo por encima del valor estándar de 60 ° C o entrar en contacto con el fuego. Por un lado, la presión interna aumenta con la temperatura y, por otro lado, la resistencia de la pared de acero disminuye, por lo que existe el riesgo de que el recipiente estalle con mucha energía. Incluso arrancar la válvula, por ejemplo, si una botella se cae sin tapa protectora, o romper un disco de ruptura, desencadena un chorro de gas con peligrosas consecuencias.

diverso

Después de inhalar helio, siempre que las vías respiratorias contengan una alta proporción de helio, la voz humana suena considerablemente más alta. (Este efecto se llama popularmente " voz de Mickey Mouse ", pero se logró al reproducir la cinta más rápido, es decir, aumentando todas las frecuencias (y el tempo) en un cierto factor). El timbre de una voz, por otro lado, depende de la posición de los formantes en la boca, que están influenciados por factores como la posición de la lengua y los labios. (Los formantes son los rangos de frecuencia que están más fuertemente amplificados por el efecto de la resonancia ). Estos formantes también dependen de la velocidad del sonido c en el medio correspondiente (c _aire = 350 m / s, c _helio = 1030 m / s). Por ejemplo, si la posición de los primeros tres formantes en el aire es 220, 2270 y 3270 Hz, en helio (puro) esto cambia a 320, 3900 y 5500 Hz. Esto da como resultado un patrón vocal diferente y la voz aparece en general más alta, incluso si la altura del tono de sintonía no cambia por el gas noble.

Hay un efecto similar cuando un instrumento de viento (inicialmente solo lleno de aire) se sopla con helio.

Ver también

• Efecto pomeranchuk

literatura

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enlaces web

Wikcionario: Helio  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

• Informe anual de la Oficina de Gestión de Tierras (inglés, PDF, 76 KiB)
• Laboratorio de baja temperatura Helsinki (inglés)
• scinexx.de: ¿Mineral de helio "imposible" en el interior de la tierra? 9 de enero de 2019

Evidencia individual

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	El helio es un elemento químico y tiene el número atómico 2. Su elemento símbolo es He. Guardar | Informacion  | 63:13 (28.139 MB)
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