helio

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helio
2 Él                                                                                                                                                                                                                                               hidrógeno ← helio → litio
Apariencia
Gas incoloro, sometido a un campo eléctrico, tiene emisiones violetas.
Línea espectral
Generalidad
Nombre, símbolo, número atómico	helio, He, 2
Serie	Gases nobles
Grupo , período , bloque	18 (VIIIA) , 1 , s
Densidad	0,1785 kg / m³
Configuración electrónica
Término espectroscópico	1 S 0
Propiedades atómicas
Peso atomico	4.002602 u
Radio atómico (calc.)	128 pm
Radio covalente	32 p. M.
Radio de Van der Waals	140 pm
Configuración electrónica	1 s 2
y - por nivel de energía	2
Estados de oxidación	0 (desconocido)
Estructura cristalina	hexagonal
Propiedades físicas
Estado de la materia	gaseoso
Punto de fusión	0,95 K (−272.200 ° C ) a 2,5 MPa
Punto de ebullición	4,24 K (-268,91 ° C)
Volumen molar	21,0 × 10 −6 m³ / mol
Entalpía de vaporización	84,5 J / mol
Calor de fusión	5,23 kJ / mol
Velocidad del sonido	970 m / sa 293,15 K
Otras propiedades
número CAS	7440-59-7
Calor especifico	5193 J / (kg K)
Conductividad térmica	0,152 W / (m K)
Energía de primera ionización	24,6 eV (2372 kJ / mol)
Segunda energía de ionización	54,4 eV (5251 kJ / mol)
Isótopos más estables
Para obtener más información, consulte la entrada de isótopos de helio .
Yo asi N / A TD DM Delaware DP 3 Él 1,37 ppm Es estable con 1 neutrón. 4 él 99,999863% Es estable con 2 neutrones. 6 Él sintético 806,7 ms β - 3.508 6 Li
iso: isótopo NA: abundancia en la naturaleza TD: vida media DM: modo de decaimiento DE: energía de desintegración en MeV DP: producto de descomposición

El helio (del griego ἥλιος, hèlios , "sol") es el elemento químico de la tabla periódica que tiene a He como símbolo y número atómico 2. Es un gas noble incoloro, inodoro, insípido, no tóxico e inerte . Se presenta como un gas monoatómico, esto se explica analizando los diagramas de energía OM para la molécula (ficticia) He ₂ , de hecho los dos electrones en el OM antienlazante desestabilizan el enlace hasta tal punto que no se forma.

Después del hidrógeno, es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante en el universo observable , ^[1] estando presente en aproximadamente el 24% de la masa elemental total, que es más de 12 veces la masa de todos los elementos más pesados ​​juntos: su la abundancia es similar a estos datos tanto en el Sol como en Júpiter ; esto se debe a la energía de enlace nuclear muy alta (por nucleón ) del helio-4 ( ⁴ He) con respecto a los tres elementos que siguen al helio; esta energía de enlace también explica por qué es producto tanto de la fusión nuclear como de la desintegración radiactiva . La mayor parte del helio del universo es helio-4 y se cree que se formó durante el Big Bang ; La fusión nuclear de hidrógeno que se produce en las estrellas crea continuamente grandes cantidades de helio nuevo. Lleva el nombre del dios griego del sol, Helios .

Es el elemento con el punto de ebullición más bajo de todos los elementos. Puede solidificarse solo si se somete a presiones muy altas.

En forma líquida se utiliza en criogenia (su mayor uso individual, que utiliza alrededor de una cuarta parte de la producción), en particular en el enfriamiento de imanes superconductores , con la principal aplicación comercial representada por equipos de resonancia magnética nuclear ; otros usos industriales del helio son la presurización y purga de gases, la creación de una atmósfera protectora para la soldadura por arco y para procesos particulares como el crecimiento de cristales de silicio ; un uso menor es el de levantar gas para sondear globos y dirigibles o como gas en mezclas para buceo profundo. ^[2] Al igual que con cualquier gas cuya densidad es diferente a la del aire, la inhalación de un pequeño volumen de helio cambia temporalmente el timbre y la calidad de la voz humana. En la investigación científica, el comportamiento de las dos fases fluidas del helio-4 (helio I y helio II), es importante para los investigadores que estudian la mecánica cuántica (en particular la propiedad de superfluidez) y para quienes experimentan ciertos fenómenos, como la superconductividad, y los productos de la materia cercanos al cero absoluto .

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Láser de helio y neón

En la Tierra es relativamente raro: 5.2 ppm (partes por millón) por volumen en la atmósfera. La mayor parte del helio de la Tierra presente en la actualidad fue creada por la desintegración radiactiva natural de elementos radiactivos pesados ​​( torio y uranio , en particular), ya que las partículas alfa emitidas por estas desintegraciones están compuestas por núcleos de helio-4. Este helio radiogénico está atrapado en gas natural en grandes concentraciones, alrededor del 7% en volumen, del cual se extrae comercialmente mediante un proceso de separación a baja temperatura llamado destilación fraccionada . En el pasado, se pensaba que el helio era un recurso terrestre no renovable porque una vez liberado a la atmósfera escapaba fácilmente al espacio . ^{[3] [4] [5]} Sin embargo, estudios recientes sugieren que el helio producido en las profundidades de la tierra por la desintegración radiactiva puede acumularse en las reservas de gas natural en dosis más altas de lo esperado; ^{[6] [7]} en algunos casos puede ser liberado por la actividad volcánica . ^[8]

Historia

El helio fue descubierto por el francés Jules Janssen y el inglés Norman Lockyer , independientemente el uno del otro, en 1868 . Ambos estaban estudiando la luz solar durante un eclipse y, analizando su espectro , encontraron la línea de emisión de un elemento desconocido. Edward Frankland confirmó el descubrimiento de Janssen y propuso que el nombre del elemento se parecía a Helios, el dios griego del sol, con la adición del sufijo -ium (en inglés), porque se esperaba que el nuevo elemento fuera un metal. En 1881 Luigi Palmieri reveló por primera vez helio en la Tierra desde su línea espectral D ₃ , mientras realizaba la sublimación de un producto de la erupción del Vesubio . ^[9] Fue aislado por Sir William Ramsay en 1895 de cleveita ^[1] y definitivamente clasificado como no metálico. Los químicos suecos Nils Langlet y Per Theodor Cleve , trabajando independientemente de Ramsay, lograron aislar el helio de la cleveítis aproximadamente al mismo tiempo.

En 1907 Ernest Rutherford y Thomas Royds lograron demostrar que las partículas alfa son núcleos de helio. En 1908, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes produjo el primer helio líquido enfriándolo a 0.9 K , una hazaña que le valió el Premio Nobel . En 1926, uno de sus estudiantes, Willem Hendrik Keesom, fue el primero en solidificar el helio.

Características

A temperatura y presión estándar , el helio existe solo como gas monoatómico. Condensados ​​solo en condiciones extremas.

Tiene el punto de ebullición más bajo de todos los elementos y es el único líquido que no puede solidificarse simplemente bajando su temperatura; permanece líquido hasta el cero absoluto a presión estándar (solo puede solidificarse aumentando la presión). De hecho, la temperatura crítica , a la que no hay diferencia entre el estado líquido y gaseoso, es el sol. 5,3 K. El isótopo sólido ³ He y el isótopo ⁴ He son únicos en el sentido de que, al aplicar más presión, cambian su volumen en más de un 30%.

El helio sólido existe solo a una presión de aprox. 100 MPa a 15 K ; aproximadamente a esta temperatura, el helio sufre una transición entre formas de alta y baja temperatura, en la que los átomos apretados adoptan una configuración cúbica o hexagonal , respectivamente. Todos estos arreglos son energéticamente y en densidad iguales, y las razones de la transición radican en la forma en que interactúan los átomos.

Helio en mecánica cuántica

Representación del átomo de helio, la escala de grises decreciente representa la densidad de la nube de electrones, en rosa en el centro está el núcleo. En el inserto superior se agranda el núcleo que, a diferencia de la representación que resalta los dos protones y los dos neutrones, es simétricamente esférico como la nube de electrones.

Desde el punto de vista de la mecánica cuántica , el helio es el segundo átomo más simple que puede modelarse después del átomo de hidrógeno . El helio está compuesto por dos electrones en un orbital atómico alrededor de un núcleo que contiene dos protones y (generalmente) dos neutrones . Como en la mecánica clásica , ningún sistema que consta de más de dos partículas puede resolverse con un enfoque matemático analítico exacto (ver problema de tres cuerpos ) y el helio no es una excepción. Por lo tanto, es necesario utilizar métodos numéricos también para resolver el sistema de un núcleo y dos electrones. Este método de química computacional se ha utilizado para describir en mecánica cuántica el enlace de los electrones con el núcleo con una precisión mejor que el 2% del valor medido experimentalmente. ^[10] Este modelo muestra que cada electrón protege parcialmente el núcleo del otro electrón, de modo que la carga efectiva Z que ve cada electrón es aproximadamente 1,69 e , no 2 e como núcleo aislado.

Los núcleos atómicos de helio-4 son emitidos en forma de partícula α por elementos radiactivos que siguen a esa desintegración. Los experimentos de dispersión de electrones de alta energía muestran que la carga disminuye exponencialmente desde el máximo al centro, al igual que lo hace la densidad de carga de la nube de electrones. Esta simetría refleja un comportamiento físico similar: el par de neutrones y el par de protones del núcleo obedecen la misma regla de la mecánica cuántica que el par de electrones obedece (aunque las partículas nucleares están sujetas a energías de enlace nuclear muy diferentes), en consecuencia, todos estos fermiones ocupan un par de 1 es el orbital atómico , ninguno de estos pares orbital momento angular, ya que cancelan el giro del otro. Agregar otra de cualquiera de estas dos partículas requiere un momento angular y sería inestable (de hecho, no hay núcleos con nucleones estables). Esta configuración de cuatro nucleones es extremadamente estable desde el punto de vista energético, y esta estabilidad explica muchas de las propiedades del helio en la naturaleza.

Desde el punto de vista de la nube de electrones, el átomo de helio es inerte, es decir, no forma moléculas estables. La energía de ionización del helio 25,6 eV es la más alta entre los elementos. La interacción débil entre las nubes de electrones de los átomos de helio da como resultado la temperatura de ebullición más pequeña de todos los elementos. Además, existe la necesidad de alta presión, incluso a una temperatura cercana al cero absoluto , para solidificar el helio debido a la energía del punto cero .

Energía de enlace por nucleón de los isótopos más comunes. La energía de enlace del helio-4 es mucho mayor que la de los núcleos vecinos.

La estabilidad particular del núcleo de helio-4 produce efectos similares en reacciones atómicas en las que intervienen elementos pesados ​​o se producen fusiones de núcleos: generalmente se producen partículas alfa. En la reacción de fusión de átomos de hidrógeno, la producción de átomos de helio-3 es muy rara, aunque es un isótopo estable, la producción de helio-4 es mucho más probable.

La inusual estabilidad del núcleo de helio-4 también es importante en cosmología : explica el hecho de que en los primeros minutos después del Big Bang , de la sopa inicial de protones y neutrones libres que se creó inicialmente en una proporción de 6: 1 cuando se enfrió Dado que era posible formar núcleos, casi todos los primeros núcleos compuestos formados eran núcleos de helio-4. El enlace helio-4 era tan fuerte que la producción de helio-4 consumía casi todos los neutrones libres en minutos, antes de que pudieran tener desintegración β , y también dejaba muy pocos que pudieran formar elementos más pesados ​​como el litio , el berilio y el boro. . De hecho, la energía de enlace por nucleón del helio-4 es mayor que la de todos estos elementos, de hecho una vez que se forma el helio desde el punto de vista energético no es posible formar los elementos 3, 4 y 5. Es Es difícilmente posible desde un punto de vista energético que dos átomos de helio se fusionen en el siguiente elemento con la menor energía por nucleón, el carbono . Sin embargo, este proceso, debido a la falta de elementos intermedios, requiere que tres átomos de helio colisionen entre sí simultáneamente (ver proceso tres alfa ). Pero en realidad, en los pocos minutos posteriores al Big Bang, no se pudo formar una cantidad significativa de carbono, antes de que la expansión del universo lo llevara a una temperatura y presión donde la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto hizo que el universo primitivo tuviera una relación hidrógeno / helio similar a la del universo como se observa actualmente (3 partes de hidrógeno por una parte de helio-4 en masa), con prácticamente todos los neutrones del universo atrapados dentro del helio-4. .

Todos los elementos más pesados ​​(incluidos aquellos en los que se basan los planetas sólidos como la Tierra, pero también simplemente el carbono necesario para la vida) se produjeron después del Big Bang en estrellas lo suficientemente calientes como para fusionar átomos de helio. Todos los elementos, excepto el hidrógeno y el helio, constituyen actualmente solo el 2% de la masa nuclear del universo. El helio-4, por otro lado, representa el 23% de toda la materia ordinaria, sin considerar la materia oscura .

Disponibilidad

En el universo

El helio es el segundo elemento más extendido del universo después del hidrógeno, forma más del 25% en masa en las estrellas y juega un papel importante en las reacciones responsables de la cantidad de energía que producen. La abundancia de helio es demasiado grande para ser explicada solo por las reacciones dentro de las estrellas, pero es consistente con el modelo del Big Bang y se cree que la mayor parte del helio en el universo se formó en los próximos tres minutos. .

En la tierra

Este elemento está presente en la atmósfera terrestre en una proporción de 5 ppm y se encuentra como producto de la desintegración de algunos minerales radiactivos. Específicamente, se encuentra en minerales de uranio y torio , incluyendo cleveita (el primer mineral en el que se descubrió la presencia de helio), pechblenda , carnotita y monacita ; se produce a partir de estos elementos por desintegración radiactiva, en forma de partículas alfa. También se encuentra en algunas aguas minerales (1 parte de helio por mil de agua en algunos manantiales islandeses), en gases volcánicos y en ciertos depósitos de gas natural de los Estados Unidos (de donde deriva la mayor parte del helio producido comercialmente). El helio se puede sintetizar bombardeando átomos de litio o boro con protones a alta velocidad.

Durante una perforación petrolífera en 1903 en Kansas , se obtuvo un géiser gaseoso compuesto por nitrógeno (72%), metano (15%), hidrógeno (1%) y 12% de un gas no identificado. ^[11] Gracias al análisis posterior, Cady y McFarland descubrieron que el 1,84% de esta muestra era helio. ^{[12] [13]} Esto mostró que a pesar de su escasez en la Tierra, el helio se concentraba en grandes cantidades bajo las Grandes Llanuras de los Estados Unidos, disponible para la extracción como un subproducto del gas natural . ^[14] Este descubrimiento permitió a Estados Unidos convertirse en el mayor productor mundial de helio.

Durante muchos años, Estados Unidos ha producido más del 90% del helio comercialmente utilizable del mundo; las cantidades restantes provinieron de plantas en Canadá , Polonia , Rusia y otros países. A mediados de los noventa, una nueva planta de 17 millones de metros cúbicos en Arzew , Argelia , comenzó a operar con producción suficiente para satisfacer toda la demanda europea.

En 2004-2006 se construyeron dos plantas más, una en Ras Laffan en Qatar y la otra en Skikda en Argelia , aunque a principios de 2007 Ras Laffen estaba funcionando al 50% y Skikda aún no había comenzado la producción. Argelia se convirtió rápidamente en el segundo mayor productor de helio. ^[15]

Durante este período aumentaron tanto el consumo como el costo de producción de helio. ^[dieciséis]

Según Robert Coleman Richardson de la Universidad de Cornell en Ithaca , dadas las tasas actuales de consumo de helio y la disponibilidad limitada de este elemento en la Tierra, existe el riesgo de que las reservas de helio se agoten en 2040. ^[17]

Compuestos

El helio es el más inerte de los elementos, pero bajo la influencia de descargas eléctricas o bombardeos de electrones forma compuestos junto con tungsteno , yodo , flúor , azufre y fósforo . También puede dar lugar a excímeros y excímlex si se somete a excitación.

Los compuestos de helio particularmente inestables se denominan " heliuros ". ^[1]

Formas

El mismo tema en detalle: helio-4 superfluido .

El helio líquido ( ⁴ He ) se presenta en dos formas: ⁴ He I y ⁴ He II, que comparten un punto de transición en 2.174 K. ⁴ He I por encima de este punto es un líquido normal, pero ⁴ He II por debajo de esta temperatura es diferente de cualquier otro fluido ordinario.

Cuando se enfría por debajo de 2.189 K a presión normal, el llamado punto lambda , se convierte en un superfluido conocido como helio líquido II. Al contrario que el helio líquido I normal, tiene muchas características inusuales debido a los efectos cuánticos; su comportamiento fue uno de los primeros ejemplos de un efecto cuántico que opera a escala macroscópica que se ha observado. Esta transición ocurre a una temperatura aún más baja en ³ He , ya que el efecto cuenta con la condensación de bosones , pero los núcleos de ³ He son fermiones que no pueden condensarse individualmente sino solo en pares bosónicos. Dado que la transformación es de segundo orden superior, sin calor latente en el punto lambda, las dos formas líquidas nunca coexisten.

El helio II tiene una viscosidad muy baja ^[1] y una conductividad térmica mucho más alta que todas las demás sustancias (aproximadamente 800 veces mayor que la del cobre ^[1] ). Además, el helio II muestra un efecto termomecánico (efecto fuente): si dos recipientes que contienen helio II están conectados por un capilar y uno de los dos recipientes se calienta, se obtiene un flujo de helio hacia el recipiente calentado. Por otro lado, en el efecto mecanocalórico, un flujo forzado de helio II a través de un capilar produce el enfriamiento del helio II que sale del capilar. Los pulsos de calor introducidos en el helio II se propagan a través del líquido de la misma forma que los pulsos de sonido, fenómeno que se ha denominado "segundo sonido". Las superficies sólidas en contacto con el helio II se cubren con una película de espesor de 50 a 100 átomos, esta película produce un flujo del líquido sin fricción; como consecuencia, es imposible contener helio II en un recipiente abierto sin que el líquido salga de él. El transporte de la masa a través de la película de helio II se produce en una cantidad constante que depende de la temperatura. Finalmente, una masa de helio II no gira unitariamente, los intentos de hacerlo producen pequeños remolinos sin fricción a través del líquido.

Isótopos

El mismo tema en detalle: isótopos de helio .

El isótopo más común de helio es ⁴ He , que tiene un núcleo formado por dos protones y dos neutrones . Esta configuración es extraordinariamente estable porque tiene un número mágico de nucleones , es decir, un número para el que están dispuestos a formar una capa completa. Muchos núcleos pesados ​​se desintegran emitiendo núcleos de ⁴ He de acuerdo con un proceso llamado desintegración alfa y, por lo tanto, los núcleos de helio también se denominan partículas alfa ; la mayor parte del helio de la Tierra se genera mediante este proceso. El isótopo ³ He es más ligero que el ⁴ He más común, ya que su núcleo está compuesto por 2 protones y un neutrón (3 nucleones) contra los 2 protones y 2 neutrones (4 nucleones) del ⁴ He. ³ Él no es radiactivo y es prácticamente desconocido en la superficie de la Tierra, ya que las fuentes de helio producen solo ⁴ He como partículas alfa y el helio atmosférico escapa al espacio en tiempos geológicos relativamente cortos. El He-6, un isótopo altamente inestable que se desintegra en Li-6 en 806,7 ms por radiación beta negativa, también se sintetiza en el laboratorio.

Aplicaciones

Actualmente la aplicación donde se utiliza la mayor cantidad de helio líquido son los imanes superconductores para la formación de imágenes por resonancia magnética (MRI)

Aunque el campo de uso más conocido del helio es el inflado de globos, este es, sin embargo, el uso que se beneficia en menor medida del mismo. La principal aplicación es en criogenia: principalmente para enfriar imanes superconductores para espectrómetros de resonancia magnética (MRI) y NMR .

Enumeramos dónde se utiliza principalmente el helio ^[18] (se refiere a las previsiones en los EE. UU. En 2014).

Criogenia		${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">32</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\%</span></span>}}${\ Displaystyle 32 \%}
Atmósfera controlada		${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">18</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\%</span></span>}}${\ Displaystyle 18 \%}
Soldadura		${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">13</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\%</span></span>}}${\ Displaystyle 13 \%}
Medición de fugas de gas		${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">4</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\%</span></span>}}${\ Displaystyle 4 \%}
Mezclas para buceadores		${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">2</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\%</span></span>}}${\ Displaystyle 2 \%}
Otro		${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">13</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\%</span></span>}}${\ Displaystyle 13 \%}

Criogenia

El mismo tema en detalle: Criogenia .

Su punto de ebullición extremadamente bajo hace que el helio líquido sea un refrigerante ideal para muchas aplicaciones de temperaturas extremadamente bajas, como los imanes superconductores y la investigación criogénica , donde se requieren temperaturas cercanas al cero absoluto . Las mezclas de ³ He y ⁴ He se utilizan en enfriadores de dilución .

Atmósfera controlada

El helio se utiliza como gas inerte en el crecimiento de cristales de silicio y germanio y en la producción de titanio y circonio . Al ser un gas inerte ideal con una alta velocidad de sonido y un alto coeficiente de expansión adiabática, también se utiliza en túneles de sonido supersónico . ^[19]

Soldadura de tungsteno con gas inerte

Mismo tema en detalle: soldadura TIG .

El helio se utiliza como gas protector en la soldadura por arco en materiales que están a la temperatura de soldadura o contaminados o debilitados por aire o nitrógeno. Para algunos materiales que tienen una alta conductividad térmica , como el cobre y el aluminio, se prefiere utilizar helio en lugar del argón más barato.

Medición de fugas de gas

Una planta industrial de detección de fugas

El helio se usa comúnmente para localizar fugas en sistemas de vacío. El helio se difunde a través de los sólidos tres veces más rápido que el aire; se utiliza como gas traza para detectar fugas de gas en sistemas de alto vacío. El instrumento utilizado es un espectrómetro de masas cuadrupolo colocado en la cámara de vacío. En el exterior, se rocía helio en las distintas partes y el espectrómetro de masas detecta rápidamente la presencia de helio. Incluso se pueden encontrar agujeros que tienen un caudal de sólo 10 ⁻⁹ mbar · L / s (10 ⁻¹⁰ Pa · m ³ / s). Los espectrómetros de masas para helio son simples porque, al tener una pequeña masa de helio, se desvía fácilmente. En el caso de fugas mucho mayores, la cámara de vacío se presuriza con helio y se busca el orificio con una herramienta manual externa. En los sistemas de vacío, el uso de medidores de fugas es una práctica común: a menudo se les llama detectores de fugas en la jerga o más a menudo con el nombre en inglés detector de fugas . La mayoría de los materiales aislantes de vidrio y plástico son permeables al helio, lo que a veces crea confusión entre defectos reales y aparentes.

Mezclas para buceadores

El helio utilizado en la respiración no provoca narcosis en aguas profundas como el nitrógeno, por ello se utilizan mezclas como trimix , heliar o heliox para bucear a gran profundidad para reducir los efectos de la narcosis, que empeoran con la profundidad. ^{[20] [21]} Un efecto indeseable del helio es el cambio en el tono de la voz, el llamado "efecto pato", que dificulta la comprensión de las comunicaciones con los buzos. Con la profundidad aumenta la presión y también aumenta la densidad del gas respirado, y el uso de helio que tiene un peso atómico bajo reduce considerablemente el esfuerzo respiratorio al disminuir la densidad de la mezcla. Esto reduce el número de Reynolds del flujo, lo que reduce el flujo turbulento y aumenta el flujo laminar, por lo que se requiere menos trabajo para respirar. ^{[22] [23]} A profundidades superiores a 120 m, los buzos que respiran la mezcla de helio y oxígeno comienzan a temblar y tienen una capacidad psicomotora disminuida, síntomas del síndrome del nervio de alta presión . ^[24]

Mosca

Debido a su baja densidad y no inflamabilidad, el helio es una opción ideal para llenar aeronaves.

Dado que el helio es más liviano que el aire, las aeronaves y los globos se inflan con helio para levantarlos. El hidrógeno sería más liviano y, por lo tanto, proporcionaría un mayor empuje hacia arriba y también tendría una menor permeabilidad a través de las membranas, pero el helio no es inflamable ^[1] y es un gas retardante de llama . En los cohetes, el helio se utiliza como medio de separación y movimiento entre el combustible y el comburente. También se utiliza para limpiar los tanques de combustión y combustible antes del lanzamiento y para el preenfriamiento del hidrógeno líquido antes del lanzamiento. Para tener una idea, el Saturn V del programa Apollo necesitaba 370.000 m ³ de helio antes de su lanzamiento.

Usos científicos

• El helio se utiliza como gas inerte en la cromatografía de gases . ^[1]
• El helio se utiliza como gas para mediciones de densidad absoluta, en picnómetros de helio especiales que miden el volumen de los objetos por debajo de la porosidad que puede alcanzar el helio.
• L'uso dell'elio riduce l'effetto distorcente delle variazioni di temperatura tra le lenti in alcuni telescopi , dovuto a estremamente basso indice di rifrazione . Questo metodo è usato specialmente nei telescopi solari in cui un tubo sotto vuoto sarebbe troppo pesante. ^[25]
• L'età delle rocce e dei minerali che contengono uranio e torio possono essere misurate dalla quantità di elio intrappolato, è questa una tecnica recente. ^[26]
• Nei laboratori scientifici si fa largo uso di elio liquido per studiare le proprietà dei solidi a bassa temperatura. Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN usa 96 tonnellate di elio per mantenere a 1,9 K i magneti superconduttori nel tunnel di 27 km che contiene l'acceleratore. ^[27]

Usi vari

• I laser a elio-neon è un piccolo tipo di laser a gas che produce un raggio rosso, è stato molto utilizzato nel passato come lettore di codice a barre e puntatore laser , prima di essere rimpiazzato quasi dappertutto dai più economici diodi laser .
• Essendo un gas inerte con elevata conducibilità termica , trasparente ai neutroni, e che non forma isotopo radioattivi all'interno dei reattori nucleari , l'elio è usato come mezzo di trasporto del calore in alcuni reattori raffreddati a gas. ^[1]
• L'elio mescolato con un gas inerte più pesante come lo xeno , è utilizzato per refrigerazione termoacustica in quanto ha un elevato coefficiente di dilatazione adiabatica e un piccolo numero di Prandtl . ^[28] L'uso di un gas inerte come l'elio ha vantaggi per l'ambiente sui sistemi di refrigerazione tradizionali che contribuiscono alla distruzione dell'ozono e causano il riscaldamento globale. ^[29]
• L'elio è anche usato in alcuni dischi rigidi . ^[30]
• Viene anche utilizzato per gonfiare palloncini in mylar o lattice per usi ludici. Data la sua scarsa densità è un ottimo (ma costoso) sostituto dell'idrogeno. A differenza dell'idrogeno presenta il vantaggio di non essere infiammabile.
• Viene utilizzato in campo medico diluito con l'aria ambientale per effettuare dei test spirometrici per verificare la capacità di riempimento dei polmoni.
• L'elio liquido trova un utilizzo crescente nell' imaging a risonanza magnetica , in quanto l'applicazione medica di questa tecnologia si sta diffondendo nell'ultimo periodo.

Fenomeni acustici

Dal momento che la velocità del suono è inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa molecolare , nell'elio si ha una velocità che è circa tre volte quella nell'aria. L' altezza (o la frequenza fondamentale) di un suono prodotto da una cavità riempita da un gas è proporzionale alla velocità del suono in quel gas. Inalando dell'elio si innalza la frequenza di risonanza della laringe, rendendo la voce acuta e stridula. ^[31] Al contrario, inalando gas dal peso molecolare più elevato come lo xeno o l' esafluoruro di zolfo si ha l'effetto opposto.

Precauzioni

Un ambiente saturo di elio, come di altri gas, è, per converso, povero di ossigeno, tale condizione indipendentemente dalla tossicità del gas anche se assente come in questo caso, può portare all' asfissia . Contenitori riempiti con elio gassoso a 5–10 K devono essere conservati come se contenessero elio liquido a causa dell'alto incremento di pressione che risulta dal riscaldamento del gas a temperatura ambiente . L'elio liquido ha un calore latente di evaporazione molto piccolo per cui è praticamente impossibile ustionarsi con esso, né è facile venirne a contatto: ma oggetti che si sono portati alla temperatura dell'elio liquido ed estratti rapidamente possono causare ustioni.

Note

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico , Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1 .
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi , Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall' url originale il 22 ottobre 2010) .

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Collegamenti esterni

• Elio , su Treccani.it – Enciclopedie on line , Istituto dell'Enciclopedia Italiana .
• Elio , su sapere.it , De Agostini .
• ( EN ) Elio , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

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