Helio (He)


El helio es un elemento químico de número atómico 2, símbolo He y peso atómico estándar de 4,0026. Pertenece al grupo 18 de la tabla periódica de los elementos, ya que al tener el nivel de energía completo presenta las propiedades de un gas noble. Es decir, es inerte (no reacciona) y al igual que estos, es un gas monoatómico incoloro e inodoro que cuenta con el menor punto de ebullición de todos los elementos químicos y solo puede ser licuado bajo presiones muy grandes y no puede ser congelado.

El helio es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante en el universo observable, constituyendo el 24 % de la masa de los elementos presentes en nuestra galaxia. Esta abundancia se encuentra en proporciones similares en el Sol y en Júpiter. Por masa se encuentra en una proporción doce veces mayor a la de todos los elementos más pesados juntos. La presencia tan frecuente de helio es debida a elevada energía de enlace por nucleón del helio-4 con respecto a los tres elementos que le siguen en la tabla periódica (litio, berilio y boro). Esta energía da como resultado la producción frecuente de helio tanto en la fusión nuclear como en la desintegración radioactiva. La mayor parte del helio en el universo se encuentra presente en la forma del isótopo helio-4 (4He), el cual se cree que se formó unos 15 minutos después del Big Bang. Gracias a la fusión de hidrógeno en las estrellas activas, se forma una pequeña cantidad de helio nuevo, excepto en las de mayor masa, debido a que durante las etapas finales de su vida generan su energía convirtiendo el helio en elementos más pesados. En la atmósfera de la Tierra se encuentran trazas de helio debido a la desintegración radioactiva de algunos elementos. En algunos depósitos naturales el gas se encuentra en cantidad suficiente para la explotación.

Características principales

A pesar de que la configuración electrónica del helio es 1s², no figura en el grupo 2 de la tabla periódica de los elementos, junto al hidrógeno en el bloque s, sino que se coloca en el grupo 18 del bloque p, ya que al tener el nivel de energía completo presenta las propiedades de un gas noble.

En condiciones normales de presión y temperatura es un gas monoatómico no inflamable, pudiéndose licuar solamente en condiciones extremas (de alta presión y baja temperatura).

Tiene el punto de solidificación más bajo de todos los elementos químicos, siendo el único líquido que no puede solidificarse bajando la temperatura, ya que permanece en estado líquido en el cero absoluto a presión normal. De hecho, su temperatura crítica es de tan solo 5,20 K ó −267,96 grados Celsius. Los sólidos compuestos por ³He y 4He son los únicos en los que es posible, incrementando la presión, reducir el volumen más del 30 %. El calor específico del gas helio es muy elevado y el helio vapor muy denso, expandiéndose rápidamente cuando se calienta a temperatura ambiente.

El helio sólido solamente existe a presiones del orden de 100 MPa a 15 K (−258,15 °C). Aproximadamente a esa temperatura, sufre una transformación cristalina, de una estructura cúbica centrada en las caras a una estructura hexagonal compacta. En condiciones más extremas (3 K, aunque presiones de 3 MPa) se produce un nuevo cambio, empaquetándose los átomos en una estructura cúbica centrada en el cuerpo. Todos estos empaquetamientos tienen energías y densidades similares, debiéndose los cambios a la forma en la que los átomos interactúan.

Isótopos

Existen ocho isótopos conocidos del helio, pero tan solo el 3He y el 4He son estables. En la atmósfera terrestre hay un átomo de ³He por cada millón de átomos de 4He. A diferencia de otros elementos, la abundancia isotópica del helio varía mucho por su origen, debido a los diferentes procesos de formación. El isótopo más común, el 4He, se produce en la Tierra mediante la desintegración alfa de elementos radiactivos más pesados; las partículas alfa que aparecen son átomos de 4He completamente ionizado. 

Abundancia natural

El helio es el segundo elemento más abundante del universo conocido tras el hidrógeno y constituye alrededor del 23 % de la masa bariónica del universo. La mayor parte del helio se formó durante la nucleosíntesis del Big Bang, en los tres primeros minutos después de este. De esta forma, la medición de su abundancia contribuye a los modelos cosmológicos. En las estrellas, el helio se forma por la fusión nuclear del hidrógeno en reacciones en cadena protón-protón y en el ciclo CNO, los cuales forman parte de la nucleosíntesis estelar.

En la atmósfera terrestre la concentración de helio por volumen es de tan solo 5,2 partes por millón. La concentración es baja y prácticamente constante a pesar de la continua producción de nuevo helio, debido a que la mayor parte del helio en la atmósfera se escapa al espacio debido a distintos procesos. En la heterosfera terrestre, una parte de la atmósfera superior, el helio y otros gases ligeros son los elementos más abundantes.

Aplicaciones

El helio es más ligero que el aire y a diferencia del hidrógeno no es inflamable, siendo además su poder ascensional un 8 % menor que el de este, por lo que se emplea como gas de relleno en globos y zepelines publicitarios, de investigación atmosférica e incluso para realizar reconocimientos militares.

Aún siendo la anterior la principal, el helio tiene más aplicaciones:

  • Las mezclas de helio-oxígeno se emplean en la inmersión a gran profundidad, ya que el helio es inerte, menos soluble en la sangre que el nitrógeno y se difunde 2,5 veces más deprisa que este, todo lo cual reduce el tiempo requerido para la descompresión. Sin embargo, esta última debe comenzar a mayor profundidad, disminuyendo el riesgo de narcosis ("borrachera de las profundidades").
  • Por su bajo punto de licuefacción y evaporación puede utilizarse como refrigerante en aplicaciones a temperatura extremadamente baja, como en imanes superconductores e investigación criogénica a temperaturas próximas al cero absoluto.
  • En cromatografía de gases se usa como gas portador inerte.
  • La atmósfera inerte de helio se emplea en la soldadura por arco y en la fabricación de cristales de silicio y germanio, así como para presurizar combustibles líquidos de cohetes.
  • En túneles de viento supersónicos.
  • Como agente refrigerante en reactores nucleares.
  • El helio líquido encuentra cada vez mayor uso en las aplicaciones médicas de la imagen por resonancia magnética (RMI).
  • Se utiliza en equipos láser como uno de los gases más comunes, principalmente la mezcla helio-neón.

Precauciones

El helio neutro en condiciones normales no es tóxico, no juega ningún papel biológico y se encuentra en trazas en la sangre humana. Si se inhala suficiente helio de forma tal que remplace al oxígeno necesario para la respiración, puede generar asfixia. Las precauciones que se deben de tomar para el helio usado en criogenia son similares a las del nitrógeno líquido. Su temperatura extremadamente baja puede causar quemaduras por congelación y la tasa de expansión de líquido a gas puede causar explosiones si no se utilizan mecanismos de liberación de presión.

Los depósitos de helio gaseoso a temperaturas de 5 a 10 K deben almacenarse como si contuvieran helio líquido debido al gran incremento de presión y a la significativa dilatación térmica que se produce al calentar el gas desde una temperatura a menos de 10 K hasta temperatura ambiente




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