Helio: propiedades, características, aplicaciones

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 17:45

El helio es un gas inerte del grupo 18 de la tabla periódica. Es el segundo elemento más ligero después del hidrógeno. El helio es un gas incoloro, inodoro e insípido que se vuelve líquido a -268,9 °C. Sus puntos de ebullición y congelación son más bajos que los de cualquier otra sustancia conocida. Es el único elemento que no solidifica cuando se enfría a la presión atmosférica normal. Se necesitan 25 atmósferas a 1 K para que el helio se solidifique.

Historial de descubrimientos

El helio fue descubierto en la atmósfera gaseosa que rodea al Sol por el astrónomo francés Pierre Jansen, quien en 1868, durante un eclipse, descubrió una línea amarilla brillante en el espectro de la cromosfera solar. Originalmente se pensó que esta línea representaba el elemento sodio. En el mismo año, el astrónomo inglés Joseph Norman Lockyer observó una línea amarilla en el espectro solar que no se correspondía con las conocidas líneas de sodio D₁ y D₂, por lo que llamó a su línea D_{3. Lockyer concluyó que fue causado por una sustancia en el Sol desconocida en la Tierra. Él y el químico Edward Frankland usaron en el nombre del elementoel nombre griego del Sol es Helios.}

En 1895, el químico británico Sir William Ramsay demostró la existencia de helio en la Tierra. Obtuvo una muestra del mineral cleveíta que contiene uranio y, después de examinar los gases formados cuando se calentaba, descubrió que la línea amarilla brillante del espectro coincidía con la línea D_{3 observada en el espectro del sol. Así, finalmente se instaló el nuevo elemento. En 1903, Ramsay y Frederick Soddu determinaron que el helio es un producto de descomposición espontánea de sustancias radiactivas.}

Difundir en la naturaleza

La masa del helio es aproximadamente el 23% de la masa total del universo, y el elemento es el segundo más abundante en el espacio. Se concentra en las estrellas, donde se forma a partir de hidrógeno como resultado de la fusión termonuclear. Aunque el helio se encuentra en la atmósfera terrestre en una concentración de 1 parte por 200 mil (5 ppm) y se encuentra en pequeñas cantidades en minerales radiactivos, meteoritos de hierro y fuentes minerales, se encuentran grandes cantidades del elemento en los Estados Unidos (especialmente en Texas, Nueva York), México, Kansas, Oklahoma, Arizona y Utah) como componente (hasta un 7,6%) del gas natural. Se han encontrado pequeñas reservas en Australia, Argelia, Polonia, Qatar y Rusia. En la corteza terrestre, la concentración de helio es de solo 8 ppb.

Isótopos

El núcleo de cada átomo de helio contiene dos protones, pero al igual que otros elementos, tiene isótopos. Contienen de uno a seis neutrones, por lo que su número de masa oscila entre tres y ocho. Los estables son los elementos cuya masa de helio está determinada por los números atómicos 3 (³He) y 4 (⁴He). Todos los demás son radiactivos y se descomponen muy rápidamente en otras sustancias. El helio terrestre no es el componente original del planeta, se formó como resultado de la desintegración radiactiva. Las partículas alfa emitidas por los núcleos de sustancias radiactivas pesadas son núcleos del isótopo ⁴He. El helio no se acumula en grandes cantidades en la atmósfera porque la gravedad de la Tierra no es lo suficientemente fuerte como para evitar que se escape gradualmente al espacio. Las huellas de ³He en la Tierra se explican por la desintegración beta negativa del elemento raro hidrógeno-3 (tritio). ⁴Él es el más abundante de los isótopos estables: la proporción de átomos de ⁴Él a ^{3Él es de unos 700 mil a 1 en la atmósfera y de unos 7 millones a 1 en algunos minerales que contienen helio.}

Propiedades físicas del helio

Los puntos de ebullición y fusión de este elemento son los más bajos. Por esta razón, el helio existe como gas, excepto en condiciones extremas. Gaseoso Se disuelve menos en agua que cualquier otro gas, y la velocidad de difusión a través de los sólidos es tres veces mayor que la del aire. Su índice de refracción se acerca más a 1.

La conductividad térmica del helio solo es superada por la del hidrógeno, y su capacidad calorífica específica es inusualmente alta. A temperaturas ordinarias, se calienta durante la expansión y se enfría por debajo de los 40 K. Por lo tanto, a T<40 K, el helio se puede convertir enlíquido por expansión.

Un elemento es dieléctrico si no está en estado ionizado. Al igual que otros gases nobles, el helio tiene niveles de energía metaestables que le permiten permanecer ionizado en una descarga eléctrica cuando el voltaje permanece por debajo del potencial de ionización.

Helio-4 es único porque tiene dos formas líquidas. El ordinario se llama helio I y existe a temperaturas que van desde un punto de ebullición de 4,21 K (-268,9 °C) hasta aproximadamente 2,18 K (-271 °C). Por debajo de 2,18 K, la conductividad térmica de 4He se vuelve 1000 veces mayor que la del cobre. Esta forma se llama helio II para distinguirla de la forma normal. Es superfluido: la viscosidad es tan baja que no se puede medir. El helio II se esparce en una película delgada sobre la superficie de todo lo que toca, y esta película fluye sin fricción, incluso contra la gravedad.

El helio-3 menos abundante forma tres fases líquidas distintas, dos de las cuales son superfluidas. Superfluidez en ⁴Fue descubierto por el físico soviético Pyotr Leonidovich Kapitsa a mediados de la década de 1930, y el mismo fenómeno en ^{3Fue notado por primera vez por Douglas D Osherov, David M. Lee y Robert S. Richardson de EE. UU. en 1972.}

Una mezcla líquida de dos isótopos de helio-3 y -4 a temperaturas inferiores a 0,8 K (-272,4 °C) se divide en dos capas: casi pura ³Él y una mezcla de⁴He con un 6% de helio-3. La disolución de ³He en ^{4He va acompañada de un efecto de enfriamiento, que se utiliza en el diseño de criostatos, en los que la temperatura del helio desciendepor debajo de 0,01 K (-273,14 °C) y se mantuvo allí durante varios días.}

Conexiones

En condiciones normales, el helio es químicamente inerte. En condiciones extremas, puede crear conexiones de elementos que no sean estables a temperaturas y presiones normales. Por ejemplo, el helio puede formar compuestos con yodo, tungsteno, flúor, fósforo y azufre cuando se somete a una descarga eléctrica luminiscente cuando es bombardeado con electrones o en estado de plasma. Así, se crearon iones moleculares HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ y He₂+^{, No}2++^{, HeH}+ ^{y HeD+}. Esta técnica también permitió obtener moléculas neutras He² y HgHe.

Plasma

En el Universo, el helio ionizado se distribuye predominantemente, cuyas propiedades difieren significativamente de las moleculares. Sus electrones y protones no están ligados y tiene una conductividad eléctrica muy alta incluso en un estado parcialmente ionizado. Las partículas cargadas se ven fuertemente afectadas por campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar, los iones de helio, junto con el hidrógeno ionizado, interactúan con la magnetosfera de la Tierra y provocan las auroras.

descubrimiento de EE. UU

Después de perforar un pozo en 1903, se obtuvo gas no inflamable en Dexter, Kansas. Inicialmente, no se sabía que contenía helio. El gas que se encontró fue determinado por el geólogo estatal Erasmus Haworth, quienrecolectó muestras de él y en la Universidad de Kansas con la ayuda de los químicos Cady Hamilton y David McFarland encontró que contiene 72% de nitrógeno, 15% de metano, 1% de hidrógeno y 12% no fue identificado. Después de un análisis más detallado, los científicos encontraron que el 1,84% de la muestra era helio. Así supieron que este elemento químico está presente en cantidades ingentes en las entrañas de las Grandes Llanuras, de donde se puede extraer del gas natural.

Producción industrial

Esto ha convertido a Estados Unidos en el líder mundial en la producción de helio. A sugerencia de Sir Richard Threlfall, la Marina de los EE. UU. financió tres pequeñas plantas experimentales para producir esta sustancia durante la Primera Guerra Mundial para proporcionar a los globos de barrera un gas de elevación ligero y no inflamable. El programa produjo un total de 5.700 m3 92% He, aunque anteriormente se habían producido menos de 100 litros de gas. Parte de este volumen se utilizó en el primer dirigible de helio del mundo, el US Navy C-7, que realizó su viaje inaugural desde Hampton Roads, Virginia hasta Bolling Field, Washington, DC el 7 de diciembre de 1921.

Aunque el proceso de licuefacción de gas a baja temperatura no estaba lo suficientemente avanzado en ese momento para ser significativo durante la Primera Guerra Mundial, la producción continuó. El helio se utilizó principalmente como gas de sustentación en aviones. La demanda creció durante la Segunda Guerra Mundial, cuando se utilizó en la soldadura por arco protegido. El elemento también fue importante en el proyecto de la bomba atómica. Manhattan.

Acciones nacionales de EE. UU

En 1925, el gobierno de los Estados Unidos estableció la Reserva Nacional de Helio en Amarillo, Texas, con el fin de proporcionar aeronaves militares en tiempos de guerra y aeronaves comerciales en tiempos de paz. El uso de gas disminuyó después de la Segunda Guerra Mundial, pero el suministro se incrementó en la década de 1950 para proporcionar, entre otras cosas, su suministro como refrigerante utilizado en la producción de combustible para cohetes de oxígeno durante la carrera espacial y la Guerra Fría. El uso de helio en EE. UU. en 1965 fue ocho veces su consumo máximo durante la guerra.

Después de la Ley de Helio de 1960, la Oficina de Minas contrató a 5 empresas privadas para extraer el elemento del gas natural. Para este programa, se construyó un gasoducto de 425 kilómetros que conecta estas plantas con un campo de gas gubernamental parcialmente agotado cerca de Amarillo, Texas. La mezcla de helio y nitrógeno se bombeó a una instalación de almacenamiento subterráneo y permaneció allí hasta que se necesitaba.

Para 1995, se habían recolectado mil millones de metros cúbicos de existencias y la Reserva Nacional tenía una deuda de $1.4 mil millones, lo que llevó al Congreso de los EE. UU. a eliminarla gradualmente en 1996. Después de que se aprobara la ley de privatización del helio en 1996, el Ministerio de Recursos Naturales comenzó a liquidar la instalación de almacenamiento en 2005.

Pureza y volúmenes de producción

El helio producido antes de 1945 tenía una pureza de alrededor del 98 %, el resto del 2 %representaba el nitrógeno, que era suficiente para los dirigibles. En 1945, se produjo una pequeña cantidad de gas al 99,9 por ciento para su uso en la soldadura por arco. En 1949, la pureza del elemento resultante había alcanzado el 99,995 %.

Durante muchos años, Estados Unidos produjo más del 90 % del helio comercial del mundo. Desde 2004 ha producido 140 millones de m3 anuales, de los que el 85% procede de Estados Unidos, el 10% de Argelia y el resto de Rusia y Polonia. Las principales fuentes de helio en el mundo son los campos de gas de Texas, Oklahoma y Kansas.

Proceso de recepción

El helio (98,2 % de pureza) se extrae del gas natural licuando otros componentes a bajas temperaturas y altas presiones. La adsorción de otros gases por carbón activado enfriado alcanza una pureza del 99,995%. Se produce una pequeña cantidad de helio al licuar el aire a gran escala. Se pueden obtener unos 3,17 metros cúbicos de 900 toneladas de aire. m de gas.

Áreas de aplicación

El gas noble se ha utilizado en varios campos.

El helio, cuyas propiedades permiten obtener temperaturas ultrabajas, se utiliza como agente refrigerante en el Gran Colisionador de Hadrones, imanes superconductores en máquinas de resonancia magnética y espectrómetros de resonancia magnética nuclear, equipos satelitales y también para licuar oxígeno e hidrógeno en los cohetes Apolo.
Como gas inerte para soldar aluminio y otros metales, en la producción de fibras ópticas y semiconductores.
Para crearpresión en los tanques de combustible de los motores de cohetes, especialmente los que funcionan con hidrógeno líquido, ya que solo el helio gaseoso conserva su estado de agregación cuando el hidrógeno permanece líquido);
Los láseres de gas He-Ne se utilizan para escanear códigos de barras en las cajas de los supermercados.
El microscopio de iones de helio produce mejores imágenes que el microscopio electrónico.
Debido a su alta permeabilidad, el gas noble se utiliza para detectar fugas, por ejemplo, en los sistemas de aire acondicionado de los automóviles y para inflar rápidamente las bolsas de aire en caso de choque.
La baja densidad te permite llenar globos decorativos con helio. El gas inerte ha reemplazado al hidrógeno explosivo en aeronaves y globos. Por ejemplo, en meteorología, los globos de helio se utilizan para levantar instrumentos de medición.
En tecnología criogénica sirve como refrigerante, ya que la temperatura de este elemento químico en estado líquido es la más baja posible.
El helio, cuyas propiedades le confieren una baja reactividad y solubilidad en agua (y sangre), mezclado con oxígeno, ha encontrado aplicación en composiciones respiratorias para el buceo y el trabajo con cajones.
Los meteoritos y las rocas se analizan en busca de este elemento para determinar su edad.