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HELIO

Historia

En 1.868 el astrónomo francés P.J.C. Janssen (1.824-1.907) se trasladó a la India con el objeto de observar un eclipse de sol y utilizar el espectroscopio, desarrollado ocho años antes, para hacer un estudio de la cromosfera solar. Como resultado de estas observaciones anunció que había detectado una nueva línea espectral, de tono amarillo, que no pertenecía a ninguno de los elementos conocidos hasta ese momento. En el mismo año, el químico británico Sir Edward Frankland y el astrónomo Sir Joseph Norman Lockyer (1.836-1.920) dedujeron que la citada línea correspondía a un nuevo elemento al que llamaron Helio (del griego helios que significa Sol) por encontrarse en el espectro solar. Durante más de veinticinco años se pensó que el helio sólo existía en el Sol, hasta que en 1.895 W. Ramsay tratando los minerales de uranio uraninita y cleveita con ácidos detectó la presencia de Helio en los gases desprendidos. En 1.907 el físico británico Sir Ernest Rutherford dedujo que las partículas alfa son núcleos de átomos de helio, como más tarde confirmaría la investigación. En 1.908 se consiguió licuar por primera vez el helio en el laboratorio de Kamerlingh-Onnes y algunos meses después de la muerte de éste, en 1.926, se consiguió su solidificación.

Abundancia

El helio es el segundo elemento más abundante en el universo, después del hidrógeno, sin embargo su presencia en la corteza terrestre es mínima (5,5 ppb). Al nivel del mar, el helio se encuentra en la atmósfera en la proporción de 5,4 ppm. Esta proporción aumenta ligeramente a mayores alturas. Aproximadamente 1 ppm del helio atmosférico consiste en 3He, un producto de la desintegración del tritio, un isótopo radioactivo del hidrógeno de masa 3. El isótopo más común del helio, el 4He, probablemente procede de la emisión de partículas alfa que producen las rocas radiactivas. El gas natural, que contiene aproximadamente un 0,4% de helio, es la fuente comercial más importante de helio.

Estructura

Propiedades

El helio es un gas incoloro, inodoro e insípido. No forma moléculas, es decir está constituido por átomos simples de helio, y es la segunda sustancia (después del hidrógeno) más ligera que se conoce. Puede considerarse que no tiene actividad química alguna. Su única capa de electrones está llena, lo que le confiere bastante estabilidad y por ello su reacción con otros elementos es sumamente difícil y los compuestos resultantes bastantes inestables. Sin embargo, se han detectado moléculas de compuestos con el neón, otro gas noble, y con el hidrógeno, y se han sugerido otros compuestos. A causa de la abundancia del helio en el universo, la existencia de tales reacciones, aunque raras, podría ser de importancia en la cosmología. En 1.909 Rutherford demostró que las partículas alfa que emitían los compuestos radiactivos eran en realidad núcleos de helio. Estas partículas alfa, una vez producidas por la sustancia radiactiva, captan electrones muy rápidamente para convertirse en átomos estables de helio. La mayor parte del helio permanece ocluido en los minerales de torio y de uranio en los que se ha formado y se libera al tratar estos minerales con ácidos como descubriera Ramsay. La parte que se "escapa" del mineral se mezcla con otros gases, principalmente con el llamado gas natural o pasa a la atmósfera. El helio no es inflamable por lo que sustituyó al hidrógeno en los globos aerostáticos y dirigibles. En las proximidades del cero absoluto el helio presenta una sorprendente propiedad descubierta en 1.935 por los científicos del laboratorio de Kamerlingh-Onnes. Cuando el helio líquido se enfría por debajo de 2,2ºK se transforma en el llamado helio II, un líquido con propiedades físicas únicas. No tiene punto de congelación, y su viscosidad (facilidad para fluir) se hace menor aún que la del gas (aproximadamente una milésima parte). Esta propiedad, conocida como superfluidez, produce curiosos fenómenos como la ascensión del líquido por las paredes del recipiente que lo contiene. Otra propiedad que varía por debajo de la citada temperatura es la conductividad calorífica, que llega a ser 800 veces superior a la del cobre. Debido a esta gran facilidad para conducir el calor, una pequeña variación de temperatura en cualquier punto de la masa líquida se transmite casi instantáneamente a toda la masa por lo que la ebullición se produce con una absoluta quietud, sin la formación de burbujas típica de este proceso. El helio es el gas más difícil de licuar y es imposible solidificarlo a la presión atmosférica. Estas propiedades hacen al helio líquido sumamente útil como refrigerante y, en el trabajo experimental, para producir y medir temperaturas cercanas al cero absoluto. El 3He, el isótopo más ligero del helio de masa 3, tiene un punto de ebullición aun más bajo que el helio ordinario, y muestra propiedades notablemente diferentes cuando se licúa.

Preparación

Las principales fuentes para la obtención del helio son el gas natural, que contiene entre el 2 y el 5%, y el aire, donde la proporción es mucho menor. Cuando se parte del gas natural se enfría éste con aire líquido hasta que se condensan todos los componentes de la mezcla excepto el helio, que permanece en estado gaseoso y se separa. Si se parte del aire como materia prima, se licúa éste y posteriormente se procede a la destilación fraccionada del mismo. La fracción que separa el helio va acompañada de neón y es necesario separar ambos gases haciendo pasar la mezcla por carbón activo a -190ºC aprovechando la diferencia de adsorción de ambos.

Usos

Tiene un 92% del poder ascensional del hidrógeno, aunque pese dos veces más. Debido a que no es combustible, el helio se prefiere al hidrógeno para producir la ascensión de los globos aerostáticos y en los globos sonda que se envían a la atmósfera con fines científicos y que pueden alcanzar alturas de hasta 30 km. Estos globos pueden permanecer horas e incluso dias en la atmósfera lo que constituye una ventaja respecto de los cohetes. En cirugía, se utilizan cabezas de helio ionizado en el tratamiento de tumores de los ojos, estabilizando o provocando la remisión de los mismos y para reducir el flujo sanguíneo en pacientes con malformaciones cerebrales. Otro uso común del helio es como aire artificial, mezclado con oxígeno, para los buzos. En los trabajos subacuáticos la presión es superior a la presión atmosférica normal y en estas condiciones aumenta la solubilidad de los gases en los fluidos corporales. Si se respira aire normal, el oxígeno es consumido por el organismo pero el nitrógeno permanece en disolución en los líquidos corporales. Al ascender y consiguientemente disminuir la presión tambien disminuye la solubilidad del nitrógeno y se desprende el exceso en forma de burbujas que pasan al flujo sanguíneo, produciendo intensos dolores, parálisis e incluso la muerte. Este problema se reduce en gran medida si se respira aire artificial, mezcla de oxígeno y helio, debido a la escasa solubilidad del helio. En personas con asma y otros problemas respiratorios también suelen utilizarse las mezclas de oxígeno y helio ya que su menor densidad y mayor fluidez facilitan la respiración. También se usa como atmósfera inerte en la soldadura de arco para metales ligeros tales como aleaciones de magnesio y aluminio que pueden oxidarse si la soldadura se realiza en presencia de oxígeno; el helio protege las partes calentadas del ataque por el aire.