História do Helio, propriedades, estrutura, riscos, usa

Ele hélio É um elemento químico cujo símbolo é. Este é o primeiro gás nobre na tabela periódica e geralmente está localizado no final do mesmo. Em condições normais, é um gás inerte, uma vez que nenhum de seus poucos compostos é estável; Também se expande muito rapidamente e é a substância com o menor ponto de ebulição de todos.

No nível popular, é um gás bem conhecido, pois em inúmeros eventos ou festas infantis é comum. No entanto, o que é realmente e para sempre perdido para os cantos do sistema solar e além, eles são os átomos de hélio que são liberados quando o globo é quebrado.

Balões inflados com hélio, o mais próximo que pode ser desse elemento em situações cotidianas. Fonte: Pixabay.

De fato, existem aqueles que, e por grande razão, acreditam que os balões de hélio representam uma prática inadequada para este gás. Felizmente, tem usos mais importantes e interessantes, graças às suas propriedades físicas e químicas que o separam de outros elementos químicos.

Por exemplo, o hélio líquido é tão frio que pode congelar qualquer coisa, como uma liga de metal, tornando -o um material supercondutor. É também um líquido que manifesta supluidade, capaz de subir nas paredes de um recipiente de vidro.

O nome dele é porque ele foi identificado pela primeira vez no sol e não na terra. É o segundo elemento mais abundante em todo o universo e, embora sua concentração seja ridícula na crosta terrestre, ele pode ser obtido das reservas de gás natural e minerais radioativos de urânio e tório.

Aqui, o hélio demonstra outro fato curioso: é um gás que abunde muito mais no subsolo do que na atmosfera, onde acaba escapando da terra e seu campo gravitacional.

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História

O hélio não foi descoberto na terra, mas no sol. De fato, seu nome vem da palavra grega 'Helios', que significa sol. A existência do elemento sozinha contrastava a tabela periódica de Dmitri Mendeléyev, porque não havia lugar para um novo gás; isto é, então não havia absolutamente nada sobre gases nobres.

O nome 'Helio', escrito como 'hélio' em inglês, terminou com o sufixo -ium referente -se a ele como um metal; Precisamente porque a existência de outro gás além do oxigênio, hidrogênio, fluorina, cloro e nitrogênio não pôde ser admitido.

Este nome foi designado pelo astrônomo inglês Norman Lockyer, que estudou da Inglaterra o que foi observado pela astronom francesa.

Era uma linha espectral amarela de um elemento desconhecido até então. Lockyer disse que isso se deveu à presença de um novo elemento químico encontrado no sol.

Em 1895, quase vinte anos depois, o químico escocês Sir William Ramsay reconheceu o mesmo espectro de um gás restante ao estudar um mineral radioativo: Cleveíta. Havia, portanto, Helio aqui também.

Propriedades físicas e químicas

Aparência

Ampoule com uma amostra de hélio brilhando após um choque elétrico. Fonte: imagens de alta resolução de elementos químicos [CC por 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/por/3.0)]

Hélio é um gás incolor e inodoro, que não tem sabor e também é inerte. No entanto, quando um choque elétrico é aplicado e, dependendo da diferença de tensão, começa a brilhar como uma névoa acinzentada-moral (imagem superior), para depois brilhar com um brilho laranja. Portanto, as luzes de hélio são laranja.

Número atômico (Z)

2

Massa molar

4,002 g/mol

Ponto de fusão

-272.2 ºC

Ponto de ebulição

-268.92 ºC

Densidade

-0,1786 g/L, em condições normais, ou seja, em uma fase gasosa.

-0,145 g/ml, no ponto de fusão, o hélio líquido.

-0,125 g/ml, exatamente quando o hélio começa a ferver.

-0,187 g/ml, a 0 k e 25 atm, ou seja, hélio sólido para essas condições específicas de pressão e temperatura.

Ponto Triplo

2.177 K e 5.043 KPa (0,04935 atm)

Ponto crítico

5.1953 K e 0,22746 MPa (2.2448 atm)

Calor de fusão

0,0138 kJ/mol

Calor de vaporização

0,0829 kJ/mol

Capacidade de calor molar

20.78 J/(mol · k)

Pressão de vapor

0,9869 atm a 4,21 K. Este valor serve para dar uma idéia de como a frota.

Energias de ionização

-Primeiro: 2372,3 KJ/mol (ele⁺ gasoso)

-Segundo: 5250,5 kJ/mol (ele²⁺ gasoso)

As energias de ionização para hélio são especialmente altas porque o átomo de gás deve perder um elétron, o que experimenta uma forte carga nuclear eficaz. Também pode ser entendido se o tamanho pequeno do átomo é considerado e quão "próximos" são os dois elétrons em relação ao núcleo (com seus dois prótons e dois nêutrons).

Solubilidade

Na água, 0,97 ml são dissolvidos por 100 ml de água a 0 ºC, o que significa que é pouco solúvel.

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Reatividade

Hélio é o segundo elemento químico menos reativo na natureza. Em condições normais, é bem -sucedido afirmar que é um gás inerte; Nunca (pelo que parece) pode ser manipulado um composto de hélio em uma sala ou laboratório sem grandes pressões agindo sobre ele; ou talvez, temperaturas dramaticamente altas ou baixas.

Um exemplo que vemos no composto de Na₂Ele, que é estável apenas sob uma pressão de 300 GPa, reproduzido em uma célula de diamante Yunque.

Enquanto as ligações químicas no NA₂Tenha "estranhos" por ter seus elétrons bem localizados nos cristais, eles estão longe de serem simples interações de paredes de van der e, portanto, não consistem simplesmente em átomos de hélio presos por agregados moleculares. É aqui que o dilema entre os quais os compostos de hélio são reais e que não.

Por exemplo, moléculas de nitrogênio a altas pressões podem aprisionar um átomo de hélio para causar um tipo de barulho₂)_onze.

Além disso, existem complexos de endo -superestimando cátions de fulerene, c₆₀⁺ⁿ e C₇₀⁺ⁿ, em cujas cáries eles podem abrigar átomos de hélio; e o cátion molecular heh⁺ (He-h⁺), encontrado em nebulosas muito distantes.

Número de oxidação

Que por curiosidade tenta calcular o número de oxidação do hélio em qualquer um de seus compostos descobrirá que isso é igual a 0. No Na₂Ele, por exemplo, poderia pensar que sua fórmula corresponde a íons hipotéticos₂⁺Ele^2-; Mas seria isso supor que ele tem um caráter iônico puro, quando, na realidade, seus vínculos estão longe de ser.

Além disso, o hélio não ganha elétrons porque não pode acomodá -los na energia orbital 2s e indisponível; E também não é possível que você os perca, devido ao tamanho reduzido de seu átomo e à grande carga nuclear eficaz de seu núcleo. É por isso que o hélio sempre participa (em teoria) como um átomo⁰ Em seus compostos derivados.

Estrutura e configuração eletrônica

O hélio, como todos os gases observados em uma macroescala, ocupa o volume dos recipientes que o armazena, tendo assim uma maneira indefinida. No entanto, quando a temperatura desce e começa a esfriar abaixo de -269 ºC, o gás condensa em um líquido incolor; O hélio i, o primeiro das duas fases líquidas para este elemento.

A razão pela qual o hélio condensa a uma temperatura tão baixa se deve às poucas forças de dispersão que mantêm seus átomos juntos; Seja qual for a fase considerada. Isso pode ser explicado a partir de sua configuração eletrônica:

1s²

Em que dois elétrons ocupam o 1S atômico orbital. O átomo de hélio pode ser visualizado como uma esfera quase perfeita, cuja periferia eletrônica homogênea não é muito propensa a polarizar pela carga nuclear eficaz dos dois prótons no núcleo.

Assim, momentos dipolares espontâneos e induzidos são incomuns e muito fracos; Portanto, a temperatura deve se aproximar do zero absoluto para que os átomos se aproximassem de lentidão suficiente e faça com que suas forças dispersivas definem um líquido; Ou melhor ainda, um vidro de hélio.

Dímeros

Na fase gasosa, o espaço que separa os átomos tem tal que se pode supor que um dos outros está sempre separado. Tanto que em uma bolha, de pouco volume, o hélio parece incolor até ser submetido a um choque elétrico, que ioniza seus átomos em uma névoa acinzentada e pequena.

No entanto, na fase líquida, os átomos têm, mesmo com suas interações fracas, eles não podem mais "ignorar" por mais tempo. Agora a força de dispersão permite -lhes₂. Portanto, você pode pensar no hélio I como vastos aglomerados de ele₂ em equilíbrio com seus átomos de fase a vapor.

É por isso que o hélio eu é tão difícil de diferenciar de seus vapores. Se este líquido for derramado fora de seu recipiente hermético, ele escapa como um brilho esbranquiçado.

Helio II

Quando a temperatura cai ainda mais, tocando os 2.178 K (-270.972 ºC), ocorre uma transição de fase: o hélio I é transformado em hélio II.

A partir deste ponto, o fascinante líquido hélio se torna um líquido supérfluo ou quântico; isto é, suas propriedades macroscópicas se manifestam como se os dímeros₂ Eles eram átomos individuais (e talvez sejam). Falta viscosidade completa, porque não há superfície que possa parar um átomo durante o deslizamento ou "escalada".

É por isso que o Helio II pode subir através das paredes de um recipiente de vidro que supera a força da gravidade; Independentemente de quão alto eles sejam, desde que a superfície permaneça na mesma temperatura e, portanto, não volatize.

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Por esse motivo, o hélio líquido não pode ser armazenado em recipientes de vidro, pois escaparia antes da menor fissura ou brecha; Muito parecido com como isso aconteceria com um gás. Em vez disso, o aço inoxidável é usado para projetar esses recipientes (tanques de Dewars).

Cristais

Embora a temperatura tenha descendente até 0 k (o zero absoluto), a força de dispersão entre os átomos eu não seria forte o suficiente para ordená -los em uma estrutura cristalina. Para fazer solidificação, a pressão deve aumentar para aproximadamente 25 atm; E então, os cristais hexagonais compactos aparecem (HCP).

Estudos geofísicos mostram que essa estrutura de HCP permanece inalterada de longe que a pressão é aumentada (até a ordem da giga Pascal, GPA). No entanto, existe uma região estreita em seu diagrama de temperatura de pressão, onde esses cristais de HCP sofrem uma transição para uma fase cúbica centrada no corpo (BCC).

Onde está e obtenha

Cosmos e rochas

O hélio representa o segundo elemento mais abundante do universo e 24% de sua massa. Fonte: pxhere.

Hélio é o segundo elemento mais abundante em todo o universo, superado apenas pelo hidrogênio. As estrelas produzem constantemente quantidades imensuráveis ​​de átomos de hélio, fusão de dois núcleos de hidrogênio durante o processo de nucleossíntese.

Da mesma forma, qualquer processo radioativo que emite partículas α é uma fonte de produção de átomos de hélio se interagir com os elétrons do ambiente; Por exemplo, com os de um corpo de rocha em tanques de minerais radioativos de urânio e tório. Esses dois elementos sofrem decaimento radioativo, começando com urânio:

Decaimento radioativo em urânio na formação de partículas de alfas, que posteriormente se transformam em átomo de hélio em depósitos subterrâneos. Fonte: Gabriel Bolívar.

Portanto, nas rochas onde esses minerais radioativos estão concentrados, os átomos de hélio serão presos, que serão liberados assim que forem digeridos em meios ácidos.

Entre alguns desses minerais estão Cleveíta, Carnotita e Uraninita, todos compostos de óxidos de urânio (UO₂ ou u₃QUALQUER₈) e impurezas de tório, metais pesados ​​e terras raras. O hélio, irrigado através de canais subterrâneos, pode acabar se acumulando em reservatórios de gás natural, molas minerais ou em ferros meteóricos.

Estima -se que uma massa de hélio equivalente a 3000 toneladas seja produzida anualmente, a partir da decaimento radioativo de urânio e tório.

Ar e mar

O hélio não é muito solúvel na água, tão cedo ou mais tarde acaba subindo das profundezas (onde sua origem é encontrada), para atravessar as camadas da atmosfera e finalmente alcançar o espaço sideral. Seus átomos são tão pequenos e leves que o campo gravitacional da terra não pode reter -os na atmosfera.

Devido ao exposto, a concentração de hélio no ar (5,2 ppm) e nos mares (4 ppt) é muito baixa.

Se você quisesse extrair de qualquer uma dessas duas mídias, a "melhor" opção seria o ar, que primeiro teria que enviá -lo à Liquefação para condensar todos os seus gases componentes, enquanto o hélio permanece em um estado gasoso.

No entanto, não é prático obter hélio do ar, mas das rochas enriquecidas com minerais radioativos; ou melhor ainda, de reservas de gás natural, onde o hélio pode representar até 7% de sua massa total.

Liquefação e destilação a gás natural

Em vez de sujeitar o ar, é mais fácil e mais lucrativo. Assim, a matéria -prima por excelência (comercial) para obter hélio é o gás natural, que também pode ser submetido à destilação fracionada.

O produto final da destilação acabou de purificar com carbono ativado, que passa por um hélio de grande pureza. E, finalmente, o hélio se separa do neon através de um processo criogênico onde o hélio líquido é usado.

Isótopos

O hélio é apresentado na natureza predominantemente como o isótopo ⁴Ele, cujo núcleo nu é a famosa partícula α. Este átomo de ⁴Eu tenho dois nêutrons e dois prótons. Em menor abundância é o isótopo ³Ele, que tem apenas um nêutron. O primeiro é mais pesado (tem uma maior massa atômica) do que a segunda.

Assim, o casal isótopo ³Ele e ⁴São aqueles que definem as propriedades persistentes e o que entendemos de hélio como um elemento químico. Desde o ³Ele é mais leve, supõe -se que seus átomos tenham mais energia cinética e que, portanto, eles precisam de uma temperatura ainda mais baixa para coesos em um supérfluo.

Ele ³Eu considerei uma espécie muito rara aqui na Terra; No entanto, em solos lunares, é mais abundante (aproximadamente 2000 vezes). É por isso que a lua está sujeita a projetos e histórias como uma possível fonte de ³Ele, que poderia ser usado como combustível nuclear para a espaçonave do futuro.

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Entre outros isótopos de hélio podem ser mencionados, com seus respectivos tempos de meia -vida: ⁵ELE (t_1/2= 7,6 · 10^-22 s), ⁶ELE (t_1/2= 0,8 s) e ⁸ELE (t_1/2= 0,119 s).

Riscos

O hélio é um gás inerte e, portanto, não participa de nenhuma das reações que ocorrem dentro de nossos corpos.

Seus átomos praticamente entram e são expirados sem suas interações com biomoléculas que produzem um efeito subsequente; exceto no som emitido pelas cordas vocais, que se tornam mais agudas e têm mais frequência.

Pessoas que inalam Helio de um balão (com moderação), falam com uma voz aguda, semelhante à de um esquilo (ou pato).

O problema está no fato de que, se a pessoa que a pessoa inspira uma quantidade inadequada de hélio, o risco de sufocar as corridas, uma vez que seus átomos se movem para moléculas de oxigênio; E, portanto, não será capaz de respirar até que todo esse expire de hélio, que por sua vez devido à sua pressão pode rasgar o tecido pulmonar ou causar barotraumas.

Casos de pessoas que morreram de inalar helio foram relatadas por causa dos recém -explicados.

Por outro lado, embora não represente um risco de incêndio, dada a falta de reatividade em relação ao oxigênio (ou outra substância), se for armazenado sob altas pressões e fugas, sua fuga pode ser fisicamente perigosa.

Formulários

As propriedades físicas e químicas de Helio não apenas o tornam um gás especial, mas também uma substância muito útil para aplicações que merecem temperaturas em extremamente baixo. Nesta seção, algumas dessas aplicações ou usos serão abordadas.

Sistemas de pressão e purga

Em alguns sistemas, é necessário aumentar a pressão (pressurizar) e, para isso, deve ser injetado ou suprimento que não interaja com nenhum de seus componentes; Por exemplo, com reagentes ou superfícies sensíveis a reações indesejáveis.

Assim, a pressão pode ser aumentada com os volumes de hélio, cuja inércia química o torna ideal para esse fim. A atmosfera inerte que facilita excede em certos casos de nitrogênio.

Para o processo reverso, ou seja, purga, o hélio também é usado devido à sua capacidade de arrastar todo o oxigênio, vapores de água ou qualquer outro gás, cuja presença deseja eliminar. Dessa maneira, a pressão do sistema é reduzida quando o hélio foi esvaziado.

Detecção de vazamentos

O hélio pode ser filtrado através da menor fissura, por isso também serve para detectar vazamentos em tubos, recipientes de alto vacuum ou tanques criogênicos.

Às vezes, a detecção pode ser feita visualmente ou pelo toque; No entanto, principalmente um detector é o que "joga" o sinal de onde e quanto hélio está escapando do sistema em inspeção.

Gas de arrasto

Os átomos de hélio, como mencionado para sistemas de purga, podem arrastá -lo, dependendo da sua pressão, moléculas mais pesadas. Por exemplo, esse princípio é usado diariamente na análise de cromatografia gasosa, pois pode arrastar a amostra atomizada ao longo da coluna, onde interage com a fase estacionária.

Balões e aeronaves

O hélio é usado para inflar as aeronaves e é muito mais seguro que o hidrogênio, porque não é um gás inflamável. Fonte: Pixabay.

Devido à sua baixa densidade em comparação com o ar e, novamente, à sua falta de reatividade com oxigênio, ela foi usada para inflar balões nas festas infantis (misturadas com oxigênio para que ninguém seja sufocado para respirar) e aeronaves (imagem superior) , sem poder representar um risco de incêndio.

Mergulho

O hélio é um dos principais componentes dos tanques de oxigênio com os quais os mergulhadores respiram. Fonte: pxhere.

Quando os mergulhadores descem a profundidades maiores, eles acham difícil respirar como resultado da grande pressão exercida pela água. É por isso que o Helio é adicionado em seus tanques de oxigênio para reduzir a densidade do gás que os mergulhadores respiram e expiram e, portanto, pode ser exalado com menos trabalho.

Soldagem de arco

No processo de soldagem, o arco elétrico traz calor suficiente para que os dois metais sejam unidos. Se realizada sob uma atmosfera de hélio, o metal incandescente não reagirá com o oxigênio do ar para se tornar seu respectivo óxido; Portanto, o hélio impede que isso aconteça.

Supercondutores

O hélio líquido é usado para refrigerar os ímãs usados ​​nos scanners de ressonância magnética nuclear. Fonte: Jan Ainali [CC por 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/por/3.0)]

O hélio líquido é tão frio que pode congelar metais para transformá -los em supercondutores. Graças a isso, ímãs muito poderosos foram fabricados, que, refrigerados com hélio líquido, foram usados ​​em imagens de imagens ou espectrômetros de ressonância magnética nuclear.

Referências

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