Heli

Hidrogen - Heli He Ne       Taula complerta
General
Nom, símbol, número	Heli, He, 2
Sèrie química	Gasos nobles
Grup, període, bloc	18, 1 , p
Densitat, duresa Mohs	0,1785 kg/m3, sense dades
Aparença	Incolor
Propietats atòmiques
Pes atòmic	4,002602 uma
Radi mitjà†	sense dades
Radi atòmic calculat	31 pm
Radi covalent	32 pm
Radi de Van der Waals	140 pm
Configuració electrònica	1s2
Estats d'oxidació (òxid)	0 (desconegut)
Estructura cristal·lina	Hexagonal
Propietats físiques
Estat de la matèria	Gas
Punt de fusió	0,95 K (26 atm)
Punt d'ebullició	4,22 K
Entalpia de vaporització	0,0845 kJ/mol
Entalpia de fusió	5,23 kJ/mol
Pressió de vapor	No aplicable
Velocitat del so	970 m/s a 293.15 K
Informació diversa
Electronegativitat	Sense dades (Pauling)
Calor específica	5193 J/(kg·K)
Conductivitat elèctrica	Sense dades
Conductivitat tèrmica	0,152 W/(m·K)
1erPotencial d'ionització	2372,3 kJ/mol
2 Potencial d'ionització	5250,5 kJ/mol
Isòtops més estables
iso. AN (%) Període de semidesintegració CD ED (MeV) PD 3He 0,000137 He és estable amb 1 neutró 4He 99,999863 He és estable amb 2 neutrons 6He Sintètic 806,7 ms β- 3,508 6Li
Plantilla:Cnpt †Calculat a partir de distintes longituds d'enllaç covalent, metàl·lic o iònic.

L'heli és l'element químic de nombre atòmic 2 i representat pel símbol He. És un gas monoatòmic inert, no tòxic, incolor, inolor i insípid que encapçala el grup dels gasos nobles a la [[taula periòdic]. Els seus punts d'ebullició i de fusió són uns dels més baixos de tots els elements, i només existeix en forma de gas, excepte en condicions extremes.

El 1868, l'astrònom francès Pierre Janssen observà per primer cop una signatura de línia espectral a la llum solar en un eclipsi de sol. S'atribueix a Janssen el descobriment de l'element juntament amb Norman Lockyer, que observà el mateix eclipsi i fou el primer en proposar que la línia es devia a un nou element que anomenà heli. El 1903, es descobriren grans reserves d'heli als jaciments de gas natural dels Estats Units, que són de llarg el major subministrador d'aquest gas. L'heli s'utilitza en la criogènia, en sistemes de respiració en profunditat, per refredar imants superconductors, en la datació per heli, per inflar globus, per proporcionar sustentació en dirigibles i com a gas protector en molts usos industrials (com en la soldadura per arc o en la producció d'oblies). La inhalació d'un volum reduït del gas canvia temporalment el timbre i la qualitat de la veu humana. El comportament de les dues fases fluides de l'heli-4 líquid, l'heli I i l'heli II, és important pels investigadors que estudien la mecànica quàntica (en particular el fenomen de la superfluïdesa) i els que observen els efectes que tenen les temperatures properes al zero absolut sobre la matèria (com ara la superconductivitat).

L'heli és el segon element més lleuger i és el segon element més abundant a l'univers observable. La majoria d'heli es formà durant el Big Bang, però actualment es crea nou heli com a resultat de la fusió nuclear d'hidrogen a les estrelles. A la Terra, l'heli és relativament rar i és creat per la desintegració d'alguns elements, car les partícules alfa emeses consisteixen de nuclis d'heli. Aquest heli radiogen queda atrapat amb gas natural en concentracions de fins a un 7% en volum, del qual s'extreu comercialment mitjançant un procés de separació a baixa temperatura anomenada destilació fraccionada.

Característiques principals

En condicions normals de pressió i temperatura l'heli és un gas monoatòmic, podent-se liquar només en condicions extremes d'alta pressió i baixa temperatura.

Té el punt de solidificació més baix de tots els elements químics, sent l'únic líquid que no pot solidificar-se abaixant la temperatura, ja que roman en estat líquid en el zero absolut a pressió normal. De fet, la seva temperatura crítica és de tan sols 5,19 K. Els sòlids ³He i ⁴He són els únics en els que és possible, incrementant la pressió, reduir el volum més del 30%. La calor específica del gas heli és molt elevada i l'heli vapor molt dens, expandint-se ràpidament quan s'escalfa a temperatura ambient.

Espectre de l'heli

L'heli sòlid només existix a pressions de l'ordre de 100 MPa a 15 K (-248,15 ºC). Aproximadament a aquesta temperatura, l'heli sofreix una transformació cristal·lina, de estructura cúbica a estructura hexagonal compacta; en condicions més extremes, es produïx un nou canvi, empaquetant-se els àtoms en una estructura cúbica centrada en el cos. Tots aquest empaquetats tenen energies i densitats semblants, devent-se els canvis a la forma en què els àtoms interactuen.

Història

L'heli va ser descobert de forma independent pel francés Pierre Janssen i l'anglès Norman Lockyer, en 1868 a l'analitzar l'espectre de la llum solar durant un eclipsi solar ocorregut aquell any, i trobar una línia d'emissió d'un element desconegut. Eduard Frankland va confirmar els resultats de Janssen i va proposar el nom helium per al nou element, en honor al déu grec del sol (Hèlios) a què es va afegir el sufix -ium ja que s'esperava que el nou element fóra metàl·lic.

Al 1895 Sir William Ramsay va aïllar l'heli descobrint que no era metàl·lic, a pesar de tot això el nom original es va conservar. Els químics suecs Nils Abraham Langlet i Per Theodor Cleve van aconseguir també, per la mateixa època, aïllar l'element.

Al 1907 Ernest Rutherford i Thomas Royds van mostrar que les partícules alfa són nuclis d'heli. En 1908 el físic alemany Heike Kamerlingh Onnes va produir heli líquid refredant el gas fins a 0,9 K, el que li va fer mereixedor del premi Nobel. En 1926 el seu deixeble Willem Hendrik Keesom va aconseguir per primera vegada solidificar l'heli.

Al 1938, el físic rus Pyotr Leonidovich Kapitsa descobrí que l'heli-4 tenia una viscositat gairebé nul·la a temperatures pròximes al zero absolut, un fenomen actualment anomenat superfluïdesa. El 1972, el mateix fenomen es va poder observar en l'heli-3 pels físics americans; Douglas D. Osheroff, David M. Lee, i Robert C. Richardson.

Aplicacions

Dirigible ple d'Heli

Làser d'heli-neó

Scaner de ressonància magnètica que empra heli en el sistema de refrigeració.

L'heli és més lleuger que l'aire i a diferència del hidrogen no és inflamable, sent però el seu poder ascensional un 8% menor que el d'aquest, per la qual cosa s'empra com a gas de farcit en globus i zeppelins publicitaris, d'investigació atmosfèrica i inclús per a realitzar reconeixements militars.

Encara sent l'anterior la principal l'heli té més aplicacions:

• Les atmosferes heli-oxigen s'empren en la immersió a gran profunditat, ja que l'heli és inert, menys soluble en la sang que el nitrogen i es difon 2,5 vegades més de pressa que aquest, la qual cosa reduïx el temps requerit per a la descompressió, encara que aquesta ha de començar a major profunditat, i elimina el risc de necrosi per nitrogen (borratxera de les profunditats).
• Pel seu baix punt de liqüefacció i evaporació pot utilitzar-se com refrigerant en aplicacions a temperatura extremadament baixa com en imants superconductors i investigació criogènica a temperatures pròximes al zero absolut.
• En cromatografia de gasos s'usa com a gas portador inert.
• La atmosfera inert d'heli s'empra en la soldadura per arc i en la fabricació de cristalls de silici i germani, així com per a pressuritzar combustibles líquids de coets.
• En túnels de vent supersònics.
• Com agent refrigerant en reactors nuclears.
• L' heli líquid troba cada vegada major ús en les aplicacions mèdiques de la imatge per ressonància magnètica (RMI).
• Juntament amb el neó s'empra en els anomenats làsers d'heli-neó emprats, per exemple, en els punters làser.

Masa atòmica: 4.002.602 Nombre atòmic: 2 Color: no té color. Estructura: forma de hexàgon.

Abundància i obtenció

L'heli és el segon element més abundant del univers després de l'hidrogen i constitueix al voltant del 20% de la matèria de les estrelles, en el procés de fusió nuclear del qual juga un important paper. L'abundància d'heli no pot ser explicada per la generada en les estrelles, encara que és consistent amb el model del Big bang, creient-se que la major part de l'heli existent es va formar en els tres primers minuts de l'univers.

En l'atmosfera terrestre hi ha de l'orde de 5 ppm i es troba també com producte de desintegració en diversos minerals radioactius d'urani i tori. A més està present en algunes aigües minerals, en gasos volcànics i en certs jaciments de gas natural dels Estats Units, dels que prové la majoria de l'heli comercial.

Durant molts anys els Estats Units han produït al voltant del 90% de l'heli comercial del món, mentre que plantes d'extracció del Canadà, Polònia, Rússia i altres nacions produïen la resta. A principis de la dècada del 2000, Algèria i Qatar s'afegiren també com a productors d'heli, convertint-se ràpidament Algèria, en el segon productor mundial.

L'heli pot sintetitzar-se bombardejant nuclis de liti o bor amb protons a alta velocitat.

Compostos

Atès que l'heli és un gas noble, en la pràctica no participa en les reaccions químiques, encara que sota la influència de descàrregues elèctriques o bombardejat amb electrons forma compostos amb el wolframi, iode, fluor i fòsfor.

Isòtops

Isòtops naturals de l'heli

L'isòtop més comú de l'heli és el ⁴He, el nucli del qual està constituït per dos protons i dos neutrons. La seva excepcional estabilitat nuclear es deu al fet que té un nombre màgic de nucliassos, és a dir, una quantitat que es distribuïx en nivells complets (de mode anàleg a com es distribuïxen els electrons en els orbitals).

Nombrosos nuclis pesats es desintegren emetent un nucli de ⁴He; aquest procés, que es denomina desintegració alfa i pel que al nucli emès se'l anomena partícula alfa, és l'origen de la majoria de l'heli terrestre. Aquest fenomen es representa amb la següent equació:

${}_{Z}^{A}{\hbox{X}}\;\to \;{}_{Z-2}^{A-4}{\hbox{Y}}\;+\;{}_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+}\;\to \;_{Z-2}^{A-4}{\hbox{Y}}\;+\;\alpha$

Amb l' urani, per exemple:

${}^{2}{}_{92}^{38}{\hbox{U}}\;\to \;{}^{2}{}_{90}^{34}{\hbox{Th}}\;+\;{}_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+}$

L'heli té un segon isòtop, el ³He, així com altres més pesats que són radioactius. L'heli-3 és pràcticament inexistent en la Terra, atès que la desintegració alfa produïx exclusivament nuclis d'heli-4 i tant aquests com l'heli atmosfèric escapen a l'espai en períodes geològics relativament curts.

Aquests dos isòtops es van produir en el Big bang i quantitats significatives se segueixen produint per mitjà de la fusió de l'hidrogen en les estrelles seguint la cadena protó-protó.

Formes

Efecte font de l'heli-II

L'heli líquid (heli-4) es troba en dos formes distintes: heli-4 I i heli-4 II, entre els que es produïx una brusca transició a 2,1768 K (punt lambda) a la pressió de vapor. L'He-I, per damunt d'eixa temperatura és un líquid normal, però l'He-II, per davall d'ella, no s'assembla a cap altra substància convertint-se en un superfluid les inusuals característiques del qual es deuen a efectes quàntics, un dels primers casos en què s'han observat a escala macroscòpica.

L'heli-II té una viscositat nul·la pel que fluïx amb facilitat a través de finíssims capil·lars a través de què l'heli-I no pot fluir, i té a més una conductivitat tèrmica molt major que qualsevol altra substància. Exhibix un efecte font, de manera que si se submergix parcialment un tub amb un extrem capil·lar en heli-II i s'escalfa el tub per a superar el punt lambda, l'heli-II s'abocarà per l'extrem lliure del tub a manera de font, produint-se un flux constant d'heli-II a través del capil·lar cap al tub escalfat.

Inversament, quan es força el pas d'heli-II a través d'un capil·lar, el líquid es refreda. Els polsos de calor es propaguen a través del líquid de forma anàloga a com ho fa el so, un fenomen a què es denomina, per això, segon so. A més, l'heli-II té la capacitat de reptar, de manera que qualsevol sòlid en contacte amb ell es cobreix amb un capa d'entre 50 i 100 àtoms de gruix a través de la qual el líquid pot fluir a una velocitat que depèn de la temperatura, de fet si se submergix parcialment un atuell amb el fons estanc en un llit d'heli-II, aquest reptarà per les parets exteriors de l'atuell omplint-la fins que els nivells en aquests dos s'igualen, aquesta propietat dificulta per raons òbvies la construcció de recipients per a l'heli-II.

Precaucions



Tub d'heli

La veu d'una persona que ha inhalat heli sona més aguda del normal de manera temporal, assemblant-se a la d'alguns personatges de dibuixos animats (encara que les veus d'aquests personatges, generalment es produïen canviant el to de les veus normals). Aquest efecte es produeix, perquè la velocitat de so en heli és gairebé tres vegades més ràpida que en l'aire. Com a resultat, quan s'inhala heli, es produeix un augment en les freqüències ressonants del tracte vocal. La tonalitat més alta percebuda, és només a causa d'una modulació de freqüències diferent de la veu, ja que la freqüència fonamental de les cordes vocals resta més o menys inalterada.

Encara que l'efecte vocal de l'inhalació d'heli, pot ser divertit, també pot ser perillós si es fa en excés. La raó no és per la toxicitat o cap propietat de l'heli sinó simplement per la manca de l'oxigen necessari per a la respiració normal. En els mamífers (amb l'excepció notable de les balenes) el reflex de la respiració no està provocat per la manca d'oxigen, sinó per l'excés de diòxid de carboni. Per tant una persona podria no adonar-se de la manca de l'oxigen suficient i produir-se una pèrdua de coneixement, amb danys al cervell i fins i tot la mort per asfíxia en casos extrems. També, si l'heli s'inhala directament des de bombones pressuritzades, pot provocar la ruptura de teixit pulmonar per excés de pressió.

L'heli, a condicions estàndards no és tòxic, ni juga cap rol biològic i es troba a nivell de traça en la sang humana. A pressions altes, una mescla d'heli i oxigen (heliox) pot provocar la síndrome nerviosa per alta pressió, una petita proporció de nitrogen en la mescla, pot alleujar el problema.

Els dipòsits d'heli gas de 5 a 10 K han d'emmagatzemar-se com si continguessin líquid a causa del gran increment de pressió que es produïx al escalfar el gas a temperatura ambient.

Bibliografia

• Brandt, L. W.. «Helium». A: Hampel, Clifford A.. The Encyclopedia of the Chemical Elements. Nova York: Reinhold, 1968, p. 261. OCLC 449569. 
• Bureau of Mines. Minerals yearbook mineral fuels Year 1965, Volume II (1967). U. S. Government Printing Office, 1967. 
• «Chart of the Nuclides: Fourteenth Edition». General Electric Company, 1989.
• Emsley, John. The Elements. 3ª. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 978-0198558187. 
• «Mineral Information for Helium» (PDF). United States Geological Survey (usgs.gov). [Consulta: 5 gener 2007].
• Vercheval, J.. «The thermosphere: a part of the heterosphere». Belgian Institute for Space Aeronomy, Gener 2003. [Consulta: 12 juliol 2008].
• Zastenker, G. N.; E. Salerno, F. Buehler, P. Bochsler, M. Bassi, Y. N. Agafonov, N. A. Eismont, V. V. Khrapchenkov, H. Busemann «Isotopic Composition and Abundance of Interstellar Neutral Helium Based on Direct Measurements». Astrophysics, vol. 45, 2, Abril 2002, pàg. 131–142. DOI: 10.1023/A:1016057812964.

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Heli

• WebElements.com (anglès)
• EnvironmentalChemistry.com (anglès)
• És Elemental (anglès)