Universidad San PedroFacultas de ciencias de la saludEscuela de tecnologa medicaDocente: Manuel Altamirano MederosCurso: QUIMICQ INORGANICA Tema: Helio Elemento QumicoCiclo: IAlumno: Pereda Ruiz Arnaldo Beato

Chimbote 2012

HelioLa primera evidencia de la existencia del helio se observ el 18 de agosto de1868como unalneabrillante de color amarillo con una longitud de 587,49nanmetrosen elespectrode lacromosferadel Sol. La lnea fue detectada por el astrnomo francsPierre Janssendurante uneclipse solartotal en Guntur,India.70En un principio se pens que esta lnea era producida por elsodio. El 20 de octubre del mismo ao, el astrnomo inglsJoseph Norman Lockyerobserv una lnea amarilla en el espectro solar, a la cual nombr como lalnea de FraunhoferD3porque estaba cerca de las lneas de sodio D1y D2ya conocidas.8Lockyer lleg a la conclusin de que dicha lnea era causada por un elemento existente en el Sol pero desconocido en la Tierra. Eduard Frankland confirm los resultados de Janssen y propuso el nombreheliumpara el nuevo elemento, en honor al dios griego del sol (Helios) al que se aadi el sufijo-iumya que se esperaba que el nuevo elemento fuera metlico.717273

En1882, el fsico italianoLuigi Palmieridetect helio en la Tierra por primera vez, a travs de su lnea espectral D3, cuando analiz la lava delmonte Vesubio.74

El 26 de marzo de1895SirWilliam Ramsayaisl el helio al tratar lacleveita(una variedad de lauranitaque contiene por lo menos un 10% detierras raras) con cidos minerales. Ramsey en realidad buscabaargn, pero despus de separar elnitrgenoy eloxgenodel gas liberado por elcido sulfrico, not una brillante lnea amarilla que coincida con la lnea D3observada en el espectro solar.8757677Las muestras fueron identificadas como helio por Lockyer y el fsico britnicoWilliam Crookes. Adems fue aislado de la cleveita el mismo ao independientemente por los qumicosPer Teodor CleveyAbraham LangletenUppsala(Suecia), quienes pudieron obtener suficiente cantidad del gas para determinar acertadamente supeso atmico.287879El helio tambin fue aislado por el geoqumico estadounidenseWilliam Francis Hillebrand, aunque este atribuy las lneas al nitrgeno.

En1907Ernest Rutherfordy Thomas Royds demostraron que laspartculas alfason ncleos de helio, al permitir a las partculas penetrar una delgada pared de un tubo de vidrio al vaco y despus creando una descarga elctrica dentro del mismo para estudiar el espectro del gas. En1908el fsico holandsHeike Kamerlingh Onnesprodujo helio lquido por primera vez enfriando el gas hasta 0,9K,80lo que le hizo merecedor delpremio Nobel. l trat asimismo de solidificar el helio reduciendo su temperatura, aunque no lo logr debido a que este elemento carece de un punto triple, temperatura a la cual las fases slida, lquida y gaseosa existen en equilibrio. En1926su discpuloWillem Hendrik Keesomlogr por vez primera solidificar 1cm helio.81

En1938, el fsico rusoPyotr Leonidovich Kapitsadescubri que el helio-4 casi no tiene viscosidad a temperaturas cercanas al cero absoluto, un fenmeno que ahora se llamasuperfluidez.82Este fenmeno est relacionado con lacondensacin de Bose-Einstein. En 1972, el mismo fenmeno se observ en elhelio-3, pero a temperaturas mucho ms cerca del cero absoluto, por los fsicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee y Robert C. Richardson. Se cree que en el helio-3 el fenmeno est relacionado con la creacin de pares defermionesde este istopo, de tal manera que se formanbosones, en analoga a lospares de Cooperque producen lasuperconductividad.

Caractersticas principalesA pesar de que laconfiguracin electrnicadel helio es 1s2, no figura en el grupo 2 de latabla peridica de los elementos, junto alhidrgenoen elbloque s, sino que se coloca en el grupo 18 del bloque p, ya que al tener el nivel de energa completo presenta las propiedades de ungas noble.Encondiciones normales de presin y temperaturaes ungasmonoatmico no inflamable, pudindose licuar solamente en condiciones extremas (de alta presin y baja temperatura).Tiene el punto de solidificacin ms bajo de todos los elementos qumicos, siendo el nico lquido que no puede solidificarse bajando la temperatura, ya que permanece en estado lquido en el cero absolutoa presin normal. De hecho, sutemperatura crticaes de tan solo 5,19Ko -267,96 grados centgrados. Los slidos compuestos por3He y4He son los nicos en los que es posible, incrementando la presin, reducir el volumen ms del 30%. El calor especfico del gas helio es muy elevado y el helio vapor muy denso, expandindose rpidamente cuando se calienta a temperatura ambiente.El helio slido solamente existe a presiones del orden de 100 MPaa 15 K (-258,15C). Aproximadamente a esa temperatura, sufre una transformacin cristalina, de unaestructura cbica centrada en las caras a una estructurahexagonalcompacta. En condiciones ms extremas (3K, aunque presiones de 3MPa) se produce un nuevo cambio, empaquetndose los tomos en una estructura cbica centrada en el cuerpo. Todos estos empaquetamientos tienen energas y densidades similares, debindose los cambios a la forma en la que los tomos interactan.2

El tomo de helio

El helio en la mecnica cunticaEl helio es unelemento qumicocuyo tomo es el ms simple de resolver utilizando las reglas de la mecnica cuntica despus del tomo de hidrgeno. Se compone de dos electrones en rbita alrededor de un ncleo que contiene dosprotonesjunto con uno o dosneutrones, dependiendo del istopo. Sin embargo, como en la mecnica newtoniana, ningn sistema que consista de ms de dos partculas se puede resolver con un enfoque de anlisis matemtico exacto (vaseproblema de los tres cuerpos) y el helio no es la excepcin. As, los mtodos matemticos son necesarios, incluso para resolver el sistema de un ncleo y dos electrones. Sin embargo, tales mtodos de la qumica computacional se han utilizado para crear una imagen mecnico cuntica de las uniones de los electrones de helio con una precisin dentro de un 2% del valor correcto, con unos pocos pasos de clculo computacional.3En estos modelos se observa que cada electrn evita parcialmente que el otro sienta la interaccin con el ncleo, de tal manera que la carga nuclear efectivaZes de aproximadamente 1,69 unidades, y no las 2 cargas de un "ncleo desnudo" clsico de helio.El tomo de hidrgeno se utiliza ampliamente para ayudar a resolver el tomo de helio. Elmodelo atmico de Bohrdio una explicacin muy precisa del espectro del tomo de hidrgeno, pero cuando se intent utilizar en el helio el modelo fall.Werner Heisenbergdesarroll una modificacin del anlisis de Bohr, en el que utiliz valores semi integrados de losnmeros cunticos. La teora del funcional de la densidadse utiliza para obtener los niveles de energa en su estado base del tomo de helio, junto con elmtodo de Hartree-Fock.

Fases de gas y de plasma

El helio es elgas noblemenos reactivo despus del nen y por tanto, el segundo elemento menos reactivo de todos ellos. Es inerte y monoatmico en condiciones normales. Debido a su baja masa atmica, en la fase gaseosa, laconductividad trmica, elcalor especfico, y lavelocidad del sonido son mayores que en cualquier otro gas, excepto el hidrgeno. Por razones similares, y tambin debido al pequeo tamao de sus tomos, su tasa de difusin a travs de losslidoses tres veces mayor que la del aire, y alrededor del 65% de la del hidrgeno.8

Asimismo es tambin menossolubleenaguaque cualquier otro gas conocido,9y sundice de refraccines el ms cercano a la unidad de todos los gases.10Este elemento tiene uncoeficiente Joule-Thomsonnegativo a temperatura ambiente normal, lo que significa que se calienta cuando se le permite expandirse libremente. Solo por debajo de su temperatura de inversin de Joule-Thomson (de 32 a 50 K a 1atmsfera) se enfra en la expansin libre.8Una vez pre enfriado debajo de esta temperatura, el helio puede licuarse mediante el enfriamiento debido a su expansin.La mayor parte del helio extraterrestre se encuentra en un estado deplasma, con propiedades muy diferentes a las del helio atmico. En el plasma, los electrones del helio no estn ligados al ncleo, lo que hace que suconductividad elctricasea muy alta, aun cuando el gas est solo parcialmente ionizado. Las partculas cargadas son altamente influenciadas por loscampos magnticosyelctricos. Por ejemplo, en elviento solar, junto con el hidrgeno ionizado, las partculas interactan con lamagnetosferade la Tierra, dando lugar a lacorriente de Birkelandy a lasauroras.11

Fases lquida y slidaA diferencia de cualquier otro elemento, elhelio lquidose mantendr as hasta elcero absolutoa presiones normales. Este es un efecto directo de la mecnica cuntica: en concreto, laenerga del punto cerodel sistema es demasiado alta para permitir la congelacin. El helio slido requiere una temperatura de 1 a 1,5K (alrededor de -272C o -457F) y alrededor de 25 bar (2,5 MPa) de presin.12A menudo es difcil distinguir el helio slido del lquido ya que elndice de refraccinde las dos fases es casi el mismo. El slido tiene un marcadopunto de fusiny estructura cristalina, pero es muy compresible. Aplicar presin en un laboratorio puede reducir suvolumenen ms del 30%.13Con unmdulo de compresibilidaddel orden de 50 MPa,13es 50 veces ms compresible que el agua. El helio slido tiene unadensidadde 0,214 0,006 g/ml a 1,15K y 66 atm, la densidad proyectada a 0K y 25 bar (2,5 MPa) es 0,187 0,009 g/ml.14

Helio IPor debajo de supunto de ebullicinde 4,22K, y por encima delpunto lambdade 2,1768K, el istopo helio-4 existe en un estado normal de lquido incoloro, llamado helio I.8Al igual que otros lquidoscriognicos, el helio I hierve cuando se calienta y se contrae cuando baja su temperatura. Por debajo del punto lambda, sin embargo, esta fase no hierve y se expande a medida que la temperatura desciende an ms.El helio tiene un ndice de refraccin similar al de un gas, de 1,026, lo que hace que su superficie sea muy difcil de ver, de tal forma que se suelen utilizar flotadores depoli estireno extruidopara ver en dnde se encuentra la superficie.8Este lquido incoloro, tiene unaviscosidadmuy baja y una densidad de 0,145 g/mL, que es solo una cuarta parte del valor predicho por lafsicaclsica.8Es necesario hacer uso de la mecnica cuntica para explicar esta propiedad y, por tanto, ambos tipos de helio lquido se llamanfluidos cunticos, lo que significa que muestran propiedades atmicas a escala macroscpica. Esto puede ser un efecto del hecho de que su punto de ebullicin est muy cerca del cero absoluto, lo que impide que el movimiento molecular aleatorio (energa trmica) oculte sus propiedades atmicas.8

Helio IIEl helio lquido por debajo de su punto lambda muestra caractersticas sumamente inusuales, en un estado llamado helio II. La ebullicin del helio II no es posible debido a su altaconductividad trmica; la entrada de calor causa la evaporacin del lquido directamente a gas. El istopohelio-3tambin tiene una fase desuperfluido, pero solo a temperaturas mucho ms bajas. Como resultado, se sabe menos sobre las propiedades de esta fase en dicho istopo.8El helio II es un superfluido, un estado cuntico de la materia con propiedades extraas. Por ejemplo, cuando fluye a travs decapilarestan delgados como de 107a 108m, no tiene viscosidad medible. Sin embargo, cuando se realizan mediciones entre dos discos en movimiento, se observa una viscosidad comparable a la del helio gaseoso. La teora actual explica este fenmeno utilizando unmodelo de dos fluidospara el helio II. En este modelo, el helio lquido por debajo del punto lambda se considera que contiene una proporcin de tomos de helio en estado base, que componen el superfluido, y que fluyen con unaviscosidadexactamente igual a cero; y una proporcin de tomos de helio en un estado excitado, que se comportan ms como unfluidoordinario.15En el efecto fuente, se construye una cmara que est conectada a un depsito de helio II por medio de un disco sinterizado a travs del cual el helio superfluido pasa fcilmente, pero aquellos lquidos que no son superfluidos no pueden. Si se calienta el interior del contenedor, el helio deja de ser superfluido. A fin de mantener fraccin de equilibrio de helio superfluido, este se fuga a travs del disco y aumenta la presin, haciendo que ellquidosalga brotando del recipiente.16La conductividad trmica del helio II es mayor que la de cualquier otra sustancia conocida. Es un milln de veces mayor que la del helio I y varios cientos de veces la delcobre.8Esto se debe a que la conduccin de calor se produce por un mecanismo cuntico excepcional. La mayora de los materiales que son buenos conductores trmicos tienen una banda deelectrones de valencialibres que sirven para transferir el calor. El helio II no tiene banda de valencia, pero conduce bien el calor. El flujo de calor se rige por ecuaciones similares a laecuacin de ondautilizada para caracterizar la propagacin del sonido en el aire. Cuando se introduce calor, este se mueve a travs de helio II en forma de ondas a 20 metros por segundo a una temperatura de 1,8K. Este fenmeno es conocido como segundo sonido.8El helio II tambin presenta un efecto de ascensin. Cuando unasuperficiese extiende ms all del nivel de helio II, este se mueve a lo largo de la superficie, contra la fuerza degravedad. El lquido se escapar de un contenedor que no est sellado reptando por las paredes del mismo hasta que encuentre una regin con mayor temperatura donde se evaporar. Este ascenso lo realiza en una pelcula de 30nmde espesor, independientemente del material de superficie. Esta pelcula se llamapelcula de Rolliny lleva el nombre de la primera persona que caracteriz este rasgo, Bernard V. Rollin.81718Como resultado de este comportamiento y de la habilidad del helio II de escapar a travs de aberturas pequeas, es muy difcil mantener a este fluido confinado. Las ondas que se propagan a travs de una pelcula de Rollin se rigen por la misma ecuacin deondas de gravedaden aguas poco profundas, pero en lugar de lagravedad, la fuerza de restauracin es lafuerza de van der Waals.19Estas ondas son conocidas como tercer sonido.20

Compuesto

Dado que el helio es ungas noble, en la prctica no participa en lasreacciones qumicas, aunque bajo la influencia de descargas elctricas o bombardeado conelectronesforma compuestos.El helio tiene unavalenciacero y no es qumicamente reactivo bajo condiciones normales.21Es un aislante elctrico a menos que est ionizado. Al igual que los dems gases nobles, tiene nivelesmetas estables, lo que le permite seguir ionizado en una descarga elctrica con un voltaje por debajo de supotencial de ionizacin.8El helio puede formar compuestos inestables, conocidos comoex cimeros, con elwolframio,yodo,floryfsforo, cuando se somete a una descarga elctrica luminiscente, a un bombardeo de electrones, o bien es un plasma por otra razn. Los compuestos moleculares HeNe, HgHe10y WHe2, y losionesmoleculares He+2, He2+2, HeH+, y HeD+se pueden crear de esta manera.22Esta tcnica tambin ha permitido la produccin de la molcula neutra He2, que tiene un gran nmero de sistemas de bandas espectrales, y de la molcula HgHe, que aparentemente solo se mantiene unida por fuerzas de polarizacin.8En teora, otros compuestos reales tambin son posibles, como el fluorohidruro de helio (HHeF), que sera anlogo alfluorohidruro de argn, descubierto en 2000.23Los clculos indican que dos nuevos compuestos que contienen un enlace de helio-oxgeno podran ser estables.24Dos nuevas especies moleculares, predichas tericamente, CsFHeO y N(CH3)4FHeO, son derivados de un anin Meta estable [F-HeO], anticipado en 2005 en forma terica por un grupo deTaiwn. De confirmarse experimentalmente, estos compuestos acabaran con laqumica del helio, y el nico elemento completamente inerte sera elnen.25El helio ha sido colocado en jaulas moleculares de carbono (losfullerenos) por medio de calentamiento a alta presin. Las molculas defullereno endohdricoformadas son estables hasta temperaturas altas. Cuando se forman los derivados qumicos de estos fullerenos, el helio permanece dentro de ellos.26Si se utiliza helio-3, se puede observar fcilmente porespectroscopia de resonancia magntica nuclear.27Se han reportado una gran cantidad de fullerenos que contienen helio-3. Aunque los dichos tomos no se encuentran ligados por medio deenlaces covalentesoinicos, estas sustancias tienen propiedades distintas y una composicin definida, al igual que todos los compuestos qumicos este quiomtricos.

Abundancia y obtencin

Abundancia naturalEl helio es el segundo elemento ms abundante deluniversoconocido tras elhidrgenoy constituye alrededor del 23% de lamasa barinicadel universo.28La mayor parte del helio se form durante lanucleosntesisdelBig Bang, en los tres primeros minutos despus de este. De esta forma, la medicin de su abundancia contribuye a los modelos cosmolgicos. En lasestrellas, el helio se forma por lafusin nucleardel hidrgeno enreacciones en cadena protn-protny en elciclo CNO, los cuales forman parte de lanucleosntesis estelar.29En la atmsfera terrestre la concentracin de helio por volumen es de tan solo 5,2 partes por milln.3637La concentracin es baja y prcticamente constante a pesar de la continua produccin de nuevo helio, debido a que la mayor parte del helio en la atmsfera se escapa al espacio debido a distintos procesos.3839En laheterosferaterrestre, una parte de la atmsfera superior, el helio y otros gases ligeros son los elementos ms abundantes.Casi todo el helio presente en la Tierra es el resultado de la desintegracin radiactiva, y por tanto, un globo de helio terrestre es, en esencia, una bolsa de partculas alfa expelidas por este proceso. El helio se encuentra en grandes cantidades enmineralesdeuranioytorio, incluyendocleveta,pechblenda,carnotitaymonacita, ya que estos emiten partculas alfa (ncleos de helio, He2+) y los electrones se combinan de inmediato con ellas, tan pronto como las partculas son detenida por la roca. De esta manera, se estima que unas 3.000 toneladas de helio se generan al ao en toda lalitosfera.404142En lacorteza terrestre, la concentracin de helio es de 8 partes por mil millones. En el mar, la concentracin es de solo 4 partes por billn. Tambin hay pequeas cantidades en manantiales de aguas minerales, gas volcnico, y hierro meterico. Debido a que el helio es atrapado de manera similar al gas natural por una capa impermeable de roca, las mayores concentraciones de este elemento en el planeta se encuentran en el gas natural, de donde se extrae la mayor parte del helio comercial. La concentracin vara en una amplia gama de unas pocasppmhasta ms del 7% en un pequeo campo de gas en elcondado de San Juan,Nuevo Mxico.4344

Extraccin modernaPara su uso a gran escala, se extrae pordestilacin fraccionadaa partir del gas natural, que contiene hasta un 7% de helio.45Al tener unpunto de ebullicinms bajo que cualquier otro elemento, se utilizan bajas temperaturas y altas presiones para licuar casi todos los dems gases (principalmentenitrgenoymetano). El helio crudo resultante se purifica por medio de exposiciones sucesivas a temperaturas bajas, en la que casi todo el nitrgeno y los otros gases restantes se precipitan fuera de la mezcla gaseosa.8Como una fase de purificacin final, se utilizacarbn activado, lo que da como resultado helio grado A, con una pureza del 99,995%.8. La principal impureza en el helio grado A es el nen. En la fase final de la produccin, la mayora del helio que se produce es licuado por medio de un proceso criognico. Esto es necesario para aplicaciones que requieren helio lquido y tambin permite a los proveedores de helio reducir el costo en el transporte a larga distancia, dado que la mayora de los contenedores de helio lquido tienen una capacidad cinco veces mayor que la de los camiones cisterna que trasportan helio gaseoso.4647En 2008, alrededor de 169 millones de metros cbicos estndar (SCM, por sus siglas en ingls, definidos como un metro cbico a una presin de 1atmy a una temperatura de 15C) de helio se extrajeron a partir del gas natural o de reservas de helio. De estos, aproximadamente el 78% provinieron de losEstados Unidos, el 10% deArgelia, y del resto la mayor parte fueron extrados en Rusia,PoloniayQatar.48En los Estados Unidos, la mayor parte del helio se extrae a partir del gas natural de los campos de Hugoton y otros cercanos enKansas,OklahomayTexas.49En 2000, los EE.UU. Tenan reservas de helio en complejos de pozos, de alrededor de 4,2SCM. Esta cantidad es suficiente para unos 25 aos de uso mundial, o de 35 aos de consumo de EE.UU., aunque se espera que factores en el ahorro y el procesamiento impacten los nmeros efectivos de las reservas. Se estima que las reservas bsicas de helio an no probadas que se pudieran obtener a partir de gas natural en los EE.UU. Son de 3,1 a 5,31013SCM, o aproximadamente cuatro rdenes de magnitud mayor que las reservas probadas.50El helio se debe extraer principalmente del gas natural, debido a que su presencia en el aire es solo una fraccin comparada con la de la delnen, y sin embargo, su demanda es mucho mayor. Se estima que si toda la produccin de nen se reinstrumentara para ahorrar helio, se satisfaran un 0,1% de las demandas mundiales de helio. Igualmente, solamente un 1% de las demandas mundiales de helio se podran satisfacer reinstrumentando todas las plantas de destilacin de aire. El helio puede ser sintetizado por medio del bombardeo delitiooboroutilizando protones de alta velocidad. Sin embargo, este mtodo de produccin es totalmente inviable econmicamente.51

Agotamiento en los suministros de helioLas reservas actuales de helio se estn utilizando mucho ms rpido de lo que este elemento se puede reponer. Dada esta situacin, hay grandes preocupaciones de que el suministro de helio pueda agotarse pronto. En las reservas ms grandes del mundo, enAmarillo,Texas, se espera que este gas se agote en los prximos ocho aos. Esto podra prevenirse si los actuales usuarios capturasen y reciclasen el gas y si las compaas depetrleoy gas natural hiciesen uso de tcnicas de captura de helio al extraerlos.

AplicacionesEl helio es ms ligero que elairey a diferencia delhidrgenono es inflamable, siendo adems su poder ascensional un 8% menor que el de este, por lo que se emplea como gas de relleno en globosyzepelinespublicitarios, de investigacin atmosfrica e incluso para realizar reconocimientos militares.Aun siendo la anterior la principal, el helio tiene ms aplicaciones: Las mezclas de helio-oxgenose emplean en la inmersin a gran profundidad, ya que el helio es inerte, menos soluble en lasangreque elnitrgenoy sedifunde2,5 veces ms deprisa que este, todo lo cual reduce el tiempo requerido para ladescompresin. Sin embargo, esta ltima debe comenzar a mayor profundidad, disminuyendo el riesgo denarcosis("borrachera de las profundidades"). Por su bajo punto de licuefaccin y evaporacin puede utilizarse como refrigerante en aplicaciones a temperatura extremadamente baja, como en imanessuperconductorese investigacin criognicaa temperaturas prximas alcero absoluto. Encromatografa de gasesse usa como gas portador inerte. La atmsfera inerte de helio se emplea en lasoldadura por arcoy en la fabricacin de cristales desilicioygermanio, as como para presurizar combustibles lquidos decohetes. Entneles de vientosupersnicos. Como agente refrigerante enreactores nucleares. El helio lquido encuentra cada vez mayor uso en las aplicaciones mdicas de laimagen por resonancia magntica(RMI). Se utiliza en equiposlsercomo uno de losgasesms comunes, principalmente la mezcla helio-nen.

De la produccin mundial total de helio en 2008, de 32 millones de kg, su mayor uso (alrededor del 22% del total en 2008) fue en aplicaciones criognicas. De estas la mayora fueron en medicina en el enfriamiento de imanes superconductores en escneres deresonancia magntica.54Otros usos importantes (un total de cerca de 78% de su uso en 1996) fueron en los sistemas de presurizacin y saneamiento, el mantenimiento de atmsferas controladas y lasoldadura.55El helio se utiliza para muchos propsitos que requieren algunas de sus propiedades nicas, tales como su bajopunto de ebullicin, bajadensidad, bajasolubilidad, altaconductividad trmica, o su baja reactividad qumica. Asimismo, est disponible comercialmente tanto en forma lquida como gaseosa. Como lquido, puede ser suministrado en recipientes pequeos llamadosfrascos de Dewarque permiten almacenar hasta 1.000 litros de helio, o en los contenedores ISO de gran tamao que tienen una capacidad nominal de hasta 42m. En forma gaseosa, se suministran pequeas cantidades en cilindros de alta presin que pueden contener un volumen equivalente a 8m estndar, mientras que grandes cantidades de gas a alta presin son suministradas en camiones cisterna que tienen una capacidad que equivale 4.860m estndar. Esto es debido a que el volumen del gas se reduce enormemente al ser sometido a altas presiones.Dirigibles, globos y cohetesDebido a que el helio es ms ligero que el aire, los dirigibles y globos son inflados con este gas para elevarlos. Mientras que el hidrgeno experimenta unafuerza de empujeaproximadamente un 7% mayor, el helio tiene la ventaja de no ser inflamable (adems de ser retardante delfuego). En laindustria espacial, se utiliza como un medio de llenado para desplazar a loscombustiblesy oxidantes en los tanques de almacenamiento, y para condensar elhidrgenoy eloxgenoa fin de producir combustible para cohetes. Tambin se utiliza para depurar el combustible y el oxidante de los equipos de apoyo en tierra antes del lanzamiento, as como para pre enfriar el hidrgeno lquido en vehculos espaciales. Por ejemplo, el propulsor delSaturno Vutilizado en elPrograma Apolonecesit cerca de 370.000 m de helio para poner en marcha el cohete.Comercial y recreacionalEl helio es menos denso que el aire atmosfrico, por lo que cambia el timbre (mas no laaltura) de la voz de una persona cuando se inhala.56Sin embargo, la inhalacin proveniente de una fuente comercial tpica, como las utilizadas para rellenar globos, puede ser peligrosa debido al riesgo de asfixia por falta de oxgeno y al nmero de contaminantes que pueden estar presentes. Entre estos pueden estar incluidas trazas de otros gases, adems de aceite lubricante en aerosol.Por su baja solubilidad en eltejido nervioso, las mezclas de helio, comotrimix, heliox y Heliair se utilizan para el buceo de profundidad para reducir los efectos de la narcosis.5758A profundidades por debajo de 150 metros, se agregan pequeas cantidades de hidrgeno a la mezcla de helio-oxgeno para contrarrestar los efectos delsndrome nervioso de alta presin.59A estas profundidades se ha descubierto que la baja densidad del helio reduce considerablemente el esfuerzo en la respiracin.Loslseres de helio-nentienen varias aplicaciones, incluyendo lectores decdigo de barras.Deteccin de fugas industriales

Una de las aplicaciones industriales del helio es la deteccin de fugas. Debido a que se difunde a travs de slidos a una tasa tres veces mayor que la del aire, se utiliza como gas indicador para detectar fugas en el equipo de alto vaco y recipientes a alta presin.60La tasa de fugas en recipientes industriales (generalmente cmaras de vaco y tanques criognicos) se mide haciendo uso del helio, debido a su dimetro molecular pequeo y a su condicin de gas inerte. Todava no se conoce otra sustancia inerte que se pueda filtrar a travs de micro fisuras o micro poros en la pared de un contenedor a un ritmo mayor que el helio. Para encontrar fugas en contenedores se utiliza un detector de fugas de helio (vaseespectrmetro de masas). Las fugas de helio a travs de grietas no deben confundirse con la penetracin de gas a travs de un material masivo. A pesar de que se han documentado constantes de permeabilidad para el helio a travs de vidrios, cermicas y materiales sintticos, los gases inertes como el helio no se pueden permear a travs de la mayora de los metales masivos.61Si se necesita conocer la tasa de fuga total del producto que se est probando (por ejemplo en bombas de calor o sistemas de aire acondicionado), el objeto se coloca en una cmara de prueba, el aire dentro de ella se extrae con bombas de vaco y el producto es rellenado con helio a una presin especfica. El helio que se escapa a travs de las fugas es detectado por un espectrmetro de masas an a tasas de fuga de hasta 10Pam/s. El procedimiento de medicin es normalmente automtico, y se conoce como prueba integral de helio. En una prueba ms sencilla, el producto se llena de helio y un operador busca manualmente la fuga con un dispositivo llamadosniffer(del ingls olfateador).62Uso cientficoPor su ausencia de reactividad y alta conductividad trmica, su transparencia a losneutrones, y debido a que no forma istopos radiactivos en condiciones de reactor, se utiliza como medio de transmisin de calor en algunos reactores nucleares enfriados por gas.60Otra de sus utilidades consiste en usarlo como gas de proteccin en los procesos desoldadura por arcoen materiales que se contaminan con facilidad por va area.Debido a que es inerte, se utiliza como gas protector en el crecimiento de cristales desilicioygermanioen la produccin detitanioycirconio, adems de en lacromatografa de gases. Por esta misma razn, por su conductividad trmica y por la altavelocidad del sonidodentro de l, su naturaleza comogas idealy el alto valor de sucoeficiente de expansin adiabtica, tambin es til en tneles de viento supersnicos y en instalaciones de prueba donde se requiere una liberacin sbita de la energa del gas.6364El helio, mezclado con un gas ms pesado, como elxenn, es til para la refrigeracin termo acstica debido al elevado coeficiente de expansin adiabtica resultante y su bajonmero de Prandtl.65El comportamiento inerte del helio tiene ventajas ambientales con respecto a los sistemas de refrigeracin convencionales, que contribuyen al agotamiento de lacapa de ozonoo al calentamiento.66El uso del helio reduce los efectos de distorsin que provocan las variaciones de temperatura en el espacio en las lentes de algunostelescopios, debido a su bajo ndice de refraccin. Este mtodo es utilizado especialmente en telescopios solares, en los cuales un tubo de vaco fuertemente sellado resultara demasiado pesado.6768Mediante un proceso conocido comodatacin por helio, puede estimarse la edad de las rocas y minerales que contienenUranioyTorio.El helio lquido se utiliza para enfriar ciertos metales por ejemplo, los imanes superconductores utilizados en la tomografa porresonancia magntica a temperaturas extremadamente bajas, las cuales son necesarias para la superconductividad. ElGran Colisionador de Hadronesdel CERN usa 96 toneladas de helio lquido para mantener la temperatura a 1,9K.69El helio a baja temperatura, tambin se usa en criogenia.El helio es un gas portador comnmente utilizado en lacromatografa de gases.Extraccin y uso

Despus de que una operacin de perforacin de petrleo en1903enDexter,Kansas, produjera ungiserde gas que no se poda quemar, el gelogo Erasmus Haworth recogi muestras de los gases que emanaban y se las llev a laUniversidad de KansasenLawrence, donde, con la ayuda de los qumicos Hamilton Cady y David McFarland, descubri que el gas consista, en volumen, de 72% denitrgeno, 15% demetano(un porcentaje que se puede quemar nicamente con suficienteoxgeno), 1% dehidrgeno, y 12% de un gas no identificado.84En un anlisis posterior, Cady y McFarland descubrieron que el 1,84% de la muestra de gas era helio.8586Esto demostr que a pesar de su rareza global en la Tierra, el helio estaba concentrado en grandes cantidades debajo de lasGrandes Llanurasde Estados Unidos, disponible para su extraccin como un subproducto delgas natural.87Las mayores reservas de helio se encontraban en los campos de gas del suroeste de Kansas, deTexasyOklahoma.Esto permiti a los Estados Unidos convertirse en el principal productor de helio en el mundo. Siguiendo una sugerencia de Sir Richard Threlfall, lamarina de este paspatrocin tres pequeas plantas experimentales de produccin de helio durante laPrimera Guerra Mundial. El objetivo era proporcionar a los globos de defensa un gas no inflamable ms ligero que el aire. Con este programa se produjeron un total de 5.700 m de helio al 92%, a pesar de que previamente solo se haba obtenido menos de un metro cbico de gas. Parte de l se utiliz en la primera aeronave inflada con helio de la Marina estadounidense, que hizo su primer viaje deHampton Roads,Virginia, a Bolling Field enWashington D. C., el 1 de diciembre de 1921.88Aunque el proceso de extraccin usando licuefaccin de gas a baja temperatura no se desarroll a tiempo para ser relevante durante la Primera Guerra Mundial, la produccin continu. El helio se utiliz principalmente como un gas de elevacin en aeronaves ms ligeras que el aire. La demanda para este uso, as como para lasoldadura por arcofue mayor durante laSegunda Guerra Mundial. El espectrmetro de masas de helio tambin fue vital en labomba atmicadesarrollada por elProyecto Manhattan.89

El gobierno de los Estados Unidos cre la Reserva Nacional de helio en 1925 enAmarillo, Texas, con el objetivo de suministrrselo a las aeronaves militares en tiempo de guerra, y a las aeronaves comerciales en tiempos de paz. Debido a un embargo militar de EE.UU. contraAlemaniaen el que el suministro de helio qued restringido, elLZ-129Hindenburgse vio obligado a utilizar el hidrgeno como gas elevador. El uso de helio despus de la Segunda Guerra Mundial se redujo, pero las reservas se ampliaron en la dcada de 1950 para garantizar su suministro en forma lquida como refrigerante para crear combustible de hidrgeno y oxgeno (entre otros usos) para los cohetes durante la carrera espacial y laGuerra Fra. El uso de helio en los Estados Unidos en 1965 fue de ms de ocho veces el consumo mximo en tiempo de guerra.90

La Oficina de Minas de EE.UU. Dispuso de cinco plantas privadas para recuperar helio a partir del gas natural. Para este programa de conservacin de helio, la Oficina construy 684km de tuberas desdeBushton, Kansas para conectarlas con las plantas del Gobierno parcialmente agotadas en el campo de gas deCliffside, cerca de Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio y nitrgeno fue inyectada y almacenada en el campo de gas de Cliffside hasta que se necesitara, y hasta que fuera purificada posteriormente.91

Para 1995 se haban almacenado cerca de mil millones de metros cbicos de gas, y las reservas constituan una deuda de 1.400 millones de dlares, lo que en 1996 oblig al Congreso de los Estados Unidos a eliminarlas. El helio producido entre 1930 y 1945 tena aproximadamente un 98,3% de pureza (con un 2% de nitrgeno), lo cual fue suficiente para llenar los dirigibles. En 1945, se us una pequea cantidad de helio a 99,9%, para hacer soldaduras.92Para 1949 haba disponibles cantidades comerciales de helio grado A al 99,9%.Durante muchos aos, los Estados Unidos han producido ms del 90% de helio que puede utilizarse comercialmente en el mundo, mientras que las plantas de extraccin enCanad,Polonia, Rusiay otros pases producen el resto.93A mediados de la dcada de 1990, una nueva planta enArzew,Argeliaentr en funcionamiento y produjo 17 millones de metros cbicos de helio, con una produccin suficiente para cubrir toda la demanda de Europa. Mientras tanto, en 2000, el consumo de helio dentro de los EE.UU. Haba aumentado a ms de 15 millones de kg por ao.94Entre 2004 y 2006, se construyeron dos plantas adicionales, una en Ras laffen,Qatary la otra en Skikda, Argelia. Sin embargo a principios de 2007, Ras laffen estaba funcionando al 50%, y Skikda an no haba sido puesta en marcha. Argelia se convirti rpidamente en el segundo principal productor de helio.46A travs de este tiempo, tanto el consumo de helio, como los costos de produccin de helio aumentaron.95Entre 2002 y 2007 el precio del helio se duplic, y solo en 2008 los principales proveedores aumentaron sus precios en un 50%.96PrecaucionesEl helio neutro en condiciones normales no es txico, no juega ningn papel biolgico y se encuentra en tazas en la sangre humana. Si se inhala suficiente helio de forma tal que remplace al oxgeno necesario para la respiracin, puede generar asfixia. Las precauciones que se deben de tomar para el helio usado en criogenia son similares a las del nitrgeno lquido. Su temperatura extremadamente baja puede causar quemaduras por congelacin y la tasa de expansin de lquido a gas puede causar explosiones si no se utilizan mecanismos de liberacin de presin.Los depsitos de helio gaseoso a temperaturas de 5 a 10Kdeben almacenarse como si contuvieran helio lquido debido al gran incremento de presin y a la significativadilatacin trmicaque se produce al calentar el gas desde una temperatura a menos de 10K hasta temperatura ambiente

Propiedades del helioLos gases nobles como el helio tienen poca tendencia a participar en reacciones qumicas. El helio, como el resto de gases nobles presenta las siguientes propiedades: Es incoloro, inodoro y muestra una reactividad qumica muy baja en condiciones normales.El estado del helio en su forma natural es gaseoso. El helio es un elmento qumico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los gases nobles. El nmero atmico del helio es 2. El smbolo qumico del helio es He. El punto de fusin del helio es de 0 grados Kelvin o de -272,2 grados celsius o grados centgrados. El punto de ebullicin del helio es de 4,22 grados Kelvin o de -268,93 grados celsius o grados centgrados.

Uso del helioEl helio es un gas noble con el smbolo qumico He. Si alguna vez te has preguntadopara qu sirve el helio, a continuacin tienes una lista de sus posibles usos: El helio se utiliza para enfriar los imanes superconductores en los escneres utilizados para hacer resonancias magnticas. Como el helio es ms ligero que el aire, se utiliza para llenar los dirigibles y los globos aerostticos. El helio se utiliza para condensar elhidrgenoy eloxgenopara producir combustible para cohetes. El helio se puede aadir a los tanques de oxgeno de los buzos para que puedan respirar ms fcilmente. Esto es especialmente importante para las personas que bucean a grandes profundidades (ms de 140 metros bajo el nivel del mar). Se usa en lseres de helio-nen. Estos lseres se utilizan para leer cdigos de barras. El helio se puede utilizar para detectar fugas en equipos de vaco y alta presin. Para materiales fcilmente contaminados por aire, el helio se usa como un gas de proteccin en el proceso de soldadura por arco. El helio se utiliza como gas protector para la creacin de cristales desilicioygermanioy para la produccin detitanioyzirconio. Es un gas protector excepcional, ya que es inerte (no reactivo). La edad de las rocas que contienenuranioy eltoriose puede estimar utilizando helio. El helio se utiliza a menudo como un gas portador en cromatografa de gases. El helio se puede utilizar para detectar fugas (pequeas fracturas) en algunos vasos.Propiedades atmicas del helioLa masa atmica de un elemento est determinada por la masa total de neutrones y protones que se puede encontrar en un solo tomo perteneciente a este elemento. En cuanto a la posicin donde encontrar el helio dentro de la tabla peridica de los elementos, el helio se encuentra en el grupo 18 y periodo 1. El helio tiene una masa atmica de 4,0026 u.La configuracin electrnica del helio es 1ss. La configuracin electrnica de los elementos, determina la forma el la cual los electrones estn estructurados en los tomos de un elemento. El radio de Van der Waals del helio es de 1,0 pm. El helio tiene un total de 2 electrones cuya distribucin es la siguiente: En la primera capa tiene 2 electrones.

Caractersticas del helioA continuacin puedes ver una tabla donde se muestra las principales caractersticas que tiene el helio.Helio

Smbolo qumicoHe

Nmero atmico2

Grupo18

Periodo1

Aspectoincoloro

Bloquep

Densidad0.1785 kg/m3

Masa atmica4.0026 u

Radio atmico31

Radio covalente32 pm

Radio de van der Waals140 pm

Configuracin electrnica1ss

Electrones por capa2

Estados de oxidacin0 (desconocido)

Estructura cristalinahexagonal

Estadogaseoso

Punto de fusin0.95 K

Punto de ebullicin4.22 K

Calor de fusin5.23 kJ/mol

Calor especfico5193 J/(Kkg)

Conductividad trmica0,152 W/(Km)

GASES NOBLESNmero atmico: 2Grupo: 18Periodo: 1Configuracin electrnica: 1s2Estados de oxidacin: 0Electronegatividad:-Radio atmico / pm: 128Masa atmica relativa: 4.002602 0.000002El astrnomo francs Pierre Janssen descubri el helio en el espectro de la corona solar durante un eclipse en 1868. Su nombre proviene del griego 'helios', sol. El helio es un gas incoloro, inodoro e inspido. Tiene menor solubilidad en agua que cualquier otro gas. Las atmsferas helio-oxgeno se emplean en la inmersin a gran profundidad. En condiciones normales de presin y temperatura el helio es un gas monoatmico, pudindose licuar slo en condiciones extremas (de alta presin y baja temperatura). El ms ligero de los gases nobles se obtiene principalmente por destilacin de gas natural americano a bajas temperaturas. Por ser ms ligero que el aire se usa en globos y dirigibles. En la tcnica frigorfica se utiliza helio lquido para producir temperaturas ultra bajas.

PROPIEDADES FISICASDensidad / g dm-3:~1760(slido, 6.9 MPa)124.8 (lquido, m.p.)0.1785 (gaseoso, 273 K)Volumen molar / cm3mol-1:~2.27 (slido, 6,9 MPa)32.07 (lquido, m.p.)22423.54 (gaseoso, 273 K)Resistencia elctrica / cm:-(20 C)PROPIEDADES TRMICASConductividad trmica / W m-1K-1:0.155Punto de fusin / C:-272.2Punto de ebullicin / C:-268.93Calor de fusin / kJ mol-1:0.021Calor de vaporizacin / kJ mol-1:0.082Calor de atomizacin / kJ mol-1:0ENERGA DE IONIZACINPrimera energa de ionizacin / kJ mol-1:2372.34Segunda energa de ionizacin / kJ mol-1:5250.56Tercera energa de ionizacin / kJ mol-1:-ABUNDANCIA DE ELEMENTOSEn la atmsfera / ppm: 5.2En la corteza terrestre / ppm: 0.008En los ocanos / ppm: 0.0000072DATOS CRISTALOGRFICOS

Estructura cristalina:Hexagonal

Dimensiones de la celda unidad / pm:a=353.1, c=569.3

Grupo espacial:P63/mmc

ISTOPOSIstopo Masa atmica relativo Porcentaje por masa(%)

3He3.016029310 (1)0.000137 (3)

4He4.002603250 (1)99.999863 (3)POTENCIALES ESTNDAR DE REDUCCINSemirreaccinEo/ V1 Hidrgeno3 Litio