¿Qué es el helio?
El helio es un elemento químico, de símbolo He. Es el primer gas noble de la tabla periódica, y suele ubicarse en el extremo derecho de la misma. Bajo condiciones normales, es un gas inerte, pues ninguno de sus pocos compuestos es estable. Se expande con mucha rapidez y es la sustancia con el menor punto de ebullición de todas.
A nivel popular es un gas bastante conocido, pues se utiliza para rellenar globos en fiestas y eventos. Cuando los globos estallan o desinflan, los átomos de helio se liberan y se escapan hacia los rincones del sistema solar.
De hecho, hay quienes, y con mucha razón, consideran que los globos de helio representan una práctica inapropiada para este gas. Por suerte, tiene usos más importantes e interesantes, gracias a sus propiedades físicas y químicas, que lo separan de otros elementos.
Por ejemplo, el helio líquido es tan frío que puede congelar cualquier cosa, como una aleación metálica, convirtiéndola en un material superconductor. Asimismo, es un líquido que manifiesta superfluidez, capaz de trepar por las paredes de un recipiente de vidrio.
Su nombre se debe a que fue identificado primero en el Sol y no en la Tierra. Es el segundo elemento más abundante de todo el Universo y, aunque su concentración sea irrisoria en la corteza terrestre, puede obtenerse a partir de las reservas de gas natural y minerales radiactivos de uranio y torio.
El helio demuestra otro hecho curioso: abunda muchísimo más en el subsuelo que en la atmósfera, donde termina por escapar de la Tierra y de su campo gravitatorio.
Historia del helio
El helio no fue descubierto en la Tierra sino en el Sol. De hecho, su nombre proviene de la palabra griega helios, que significa sol. La existencia del elemento por sí sola contrastaba la tabla periódica de Dmitri Mendeléyev, pues no había en ella sitio para un nuevo gas. Entonces, no se sospechaba nada sobre los gases nobles.
El nombre helio, escrito helium en inglés, terminaba con el sufijo -ium refiriéndose a él como un metal, precisamente porque no podía admitirse la existencia de otro gas aparte del oxígeno, hidrógeno, flúor, cloro y nitrógeno.
Este nombre fue designado por el astrónomo inglés Norman Lockyer, quien estudió desde Inglaterra lo observado por el astrónomo francés Jules Janssen en la India, durante un eclipse solar en 1868.
Se trataba de una línea espectral amarilla de un elemento desconocido hasta entonces. Lockyer afirmó que se debía a la presencia de un nuevo elemento químico hallado en el Sol.
En 1895, casi 20 años después, el químico escocés sir William Ramsay reconoció el mismo espectro proveniente de un gas remanente al estudiar un mineral radiactivo: la cleveíta. Había, pues, helio también en la Tierra.
Propiedades físicas y químicas del helio
- Apariencia física. Gas incoloro, inodoro, sin sabor e inerte. No obstante, cuando se le aplica una descarga eléctrica, y dependiendo de la diferencia de voltaje, comienza a brillar como una neblina grisácea-morada (imagen superior), para resplandecer luego con un fulgor anaranjado. Por lo tanto, las luces de helio son anaranjadas.
- Número atómico (Z). 2.
- Masa molar. 4,002 g/mol.
- Punto de fusión. -272,2 ºC.
- Punto de ebullición. -268,92 ºC.
- Densidad. 0,1786 g/L, en condiciones normales (fase gaseosa). 0,145 g/mL, en el punto de fusión (helio líquido). 0,125 g/mL, justo cuando el helio empieza a hervir. 0,187 g/mL, a 0 K y 25 atm (helio sólido a esas condiciones específicas de presión y temperatura).
- Punto triple. 2,177 K y 5,043 kPa (0,04935 atm).
- Punto crítico. 5,1953 K y 0,22746 MPa (2,2448 atm).
- Calor de fusión. 0,0138 kJ/mol.
- Calor de vaporización. 0,0829 kJ/mol.
- Capacidad calorífica molar. 20,78 J/(mol·K).
- Presión de vapor. 0,9869 atm a 4,21 K. Este valor sirve para darse una idea de lo fugaz que puede ser el helio y la facilidad con que puede escaparse a temperatura ambiente (cercano a los 298 K).
- Energías de ionización. Primera: 2.372,3 kJ/mol (He+ gaseoso). Segunda: 5.250,5 kJ/mol (He2+ gaseoso). Las energías de ionización para el helio son especialmente altas porque el átomo gaseoso debe perder un electrón, que experimenta una fuerte carga nuclear efectiva. También puede entenderse si se considera el pequeño tamaño del átomo y qué tan “cercanos” están los dos electrones respecto al núcleo (con sus dos protones y dos neutrones).
- Solubilidad. En el agua, se disuelven 0,97 mL por cada 100 mL de agua a 0 ºC, es decir, es poco soluble.
- Reactividad. Es el segundo elemento químico menos reactivo en la naturaleza. En condiciones normales, se trata de un gas inerte. Jamás (por lo que parece) podrá manipularse un compuesto de helio en una habitación o laboratorio sin que haya enormes presiones actuando sobre el mismo, o tal vez, temperaturas dramáticamente altas o bajas. Un ejemplo es el compuesto Na2He, estable solamente bajo una presión de 300 GPa, reproducida en una celda de yunque de diamante. Si bien los enlaces químicos en el Na2He son “extraños” por tener sus electrones bien localizados en los cristales, distan de ser simples interacciones de Van der Walls y, por lo tanto, no consiste simplemente en átomos de helio atrapados por agregados moleculares. Aquí surge la disyuntiva entre cuáles compuestos de helio son reales y cuáles no. Por ejemplo, las moléculas de nitrógeno a altas presiones pueden aprisionar un átomo de helio para originar una especie de clatrato, He(N2)11. Asimismo, están los complejos endoédricos de cationes de fullerenos, C60+n y C70+n, cuyas cavidades pueden alojar átomos de helio. Y el catión molecular HeH+ (He-H+), encontrado en nebulosas muy lejanas.
- Número de oxidación. El número de oxidación para el helio es igual a 0. En el Na2He, por ejemplo, podría pensarse que su fórmula corresponde a hipotéticos iones Na2+He2-; pero sería asumir que posee un carácter iónico puro, cuando en realidad sus enlaces distan mucho de serlo. Además, el helio no gana electrones porque no puede acomodarlos en el orbital 2s, indisponible energéticamente; y tampoco es posible que los pierda, debido al reducido tamaño de su átomo y la gran carga nuclear efectiva de su núcleo. Por eso, el helio participa siempre (en teoría) como un átomo He0 en sus compuestos derivados.
Estructura y configuración electrónica del helio
El helio, como todos los gases observados en una macroescala, ocupa el volumen de los recipientes que lo almacena, teniendo por tanto forma indefinida. No obstante, cuando la temperatura desciende y comienza a enfriarse por debajo de los -269 ºC, el gas condensa en un líquido incoloro, el helio I, la primera de las dos fases líquidas para este elemento.
La razón de por qué el helio condensa a una temperatura tan baja se debe a las escasas fuerzas de dispersión que mantienen unidos sus átomos, cualquiera sea la fase considerada. Esto puede explicarse a partir de su configuración electrónica, 1s2, en la cual dos electrones ocupan el orbital atómico 1s. El átomo de helio puede visualizarse como una esfera casi perfecta, cuya homogénea periferia electrónica es poco propensa a polarizarse por la carga nuclear efectiva de los dos protones en el núcleo.
Así pues, los momentos dipolares espontáneos e inducidos son infrecuentes y muy débiles, por lo que la temperatura debe aproximarse al cero absoluto para que los átomos He se acerquen con la lentitud suficiente y logren que sus fuerzas dispersivas definan un líquido, o aún mejor, un cristal de helio.
- Dímeros. En la fase gaseosa, el espacio que separa los átomos He es tal que puede asumirse que están siempre separados unos de otros. Tanto así que en una ampolla, de poco volumen, el helio luce incoloro hasta que se le somete a una descarga eléctrica, que ioniza sus átomos en una neblina grisácea y poco brillante. No obstante, en la fase líquida, los átomos He, aun con sus débiles interacciones, ya no pueden “ignorarse” por más tiempo. Ahora la fuerza de dispersión les permite unirse momentáneamente para formar dímeros: He-He o He2. Por lo tanto, se puede pensar en el helio I como cúmulos vastos de He2 en equilibrio con sus átomos en fase de vapor. Por eso, el helio I es tan difícil de diferenciar de sus vapores. Si se derrama este líquido fuera de su hermético contenedor, escapa como una llamarada blanquecina.
- Helio II. Cuando la temperatura desciende todavía más, tocando los 2.178 K (-270,972 ºC), ocurre una transición de fase: el helio I se transforma en helio II. Desde este punto, el fascinante líquido de helio se convierte en un superfluido o fluido cuántico, es decir, sus propiedades macroscópicas se manifiestan como si los dímeros He2 fueran átomos individuales (y quizás lo sean). Carece de completa viscosidad, pues no hay superficie que pueda frenar un átomo durante su deslizamiento o “trepada”. Por ello, el helio II puede subirse por las paredes de un recipiente de vidrio venciendo la fuerza de gravedad, sin importar qué tan altas sean, siempre y cuando la superficie permanezca a la misma temperatura y, por ende, no se volatilice. Debido a esto, el helio líquido no puede almacenarse en contenedores de vidrio, ya que escaparía ante la menor fisura o resquicio, muy parecido a como sucedería con un gas. En su lugar, se utiliza acero inoxidable para diseñar tales recipientes (tanques Dewars).
- Cristales. Aunque la temperatura descendiera hasta los 0 K (cero absoluto), la fuerza de dispersión entre los átomos He no sería lo suficientemente fuerte para ordenarlos en una estructura cristalina. Para que ocurra la solidificación, la presión debe aumentar hasta aproximadamente unas 25 atm, y entonces aparecen cristales hexagonales compactos de helio (hcp). Estudios geofísicos demuestran que esta estructura hcp permanece inalterada, aunque se incremente la presión (hasta el orden de los giga pascales, GPa). No obstante, existe una región estrecha en su diagrama de presión-temperatura donde dichos cristales hcp sufren una transición a una fase cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
Dónde se encuentra y obtención del helio
- Cosmos. El helio es el segundo elemento más abundante en todo el Universo, superado únicamente por el hidrógeno. Las estrellas producen constantemente inconmensurables cantidades de átomos de helio mediante la fusión de dos núcleos de hidrógeno durante el proceso de nucleosíntesis. Asimismo, cualquier proceso radiactivo que emita partículas α es una fuente de producción de átomos de helio si estas interaccionan con los electrones del entorno.
- Rocas. Por ejemplo, interacción con los de un cuerpo rocoso en depósitos de minerales radiactivos de uranio y torio. Estos dos elementos sufren decaimiento radiactivo, empezando por el uranio (imagen superior). Por lo tanto, en las rocas donde estén concentrados estos minerales radiactivos quedarán atrapados los átomos de helio, que se liberarán una vez sean digeridas en medios ácidos. Algunos de estos minerales son cleveíta, carnotita y uraninita, todos compuestos por óxidos de uranio (UO2 o U3O8) e impurezas de torio, metales pesados y tierras raras. El helio, irrigado a través de canales subterráneos, puede acumularse en reservorios de gas natural, manantiales minerales o en hierros meteóricos. Se calcula que en la litosfera se produce anualmente una masa de helio equivalente a 3.000 toneladas, a partir del decaimiento radiactivo del uranio y torio.
- Aire y mares. Es poco soluble en el agua, por lo que más temprano que tarde termina ascendiendo desde las profundidades (donde se halle su origen), hasta franquear las capas de la atmósfera y llegar al espacio sideral. Sus átomos son tan pequeños y ligeros que el campo gravitacional de la Tierra no puede retenerlos en la atmósfera. Debido a esto, la concentración del helio tanto en el aire (5,2 ppm) como en los mares (4 ppt) es muy baja. Si se quisiera extraerlo de cualquiera de esos dos medios, la “mejor” opción sería el aire, al cual primero habría que someter a una licuefacción para condensar todos sus gases componentes, mientras el helio permanece en estado gaseoso. No obstante, la obtención del helio a partir del aire no es práctica, sino de las rocas enriquecidas con los minerales radiactivos. O mejor aún, de las reservas de gas natural, donde el helio puede representar hasta el 7% de su masa total.
- Licuefacción y destilación del gas natural. En lugar de someter el aire a licuación, es más fácil y rentable utilizar el gas natural, cuya composición en helio es indudablemente mucho más grande. Así pues, la materia prima por excelencia (comercial) para la obtención del helio es el gas natural, que también puede someterse a destilación fraccionada. El producto final de la destilación se termina de purificar con carbón activado, por donde pasa un helio de gran pureza. Y finalmente, el helio se separa del neón mediante un proceso criogénico donde se emplea helio líquido.
Isótopos de helio
El helio se presenta en la naturaleza predominantemente como el isótopo 4He, cuyo núcleo desnudo es la famosa partícula α. Este átomo de 4He tiene dos neutrones y dos protones. En menor abundancia se halla el isótopo 3He, el cual tiene solo un neutrón. El primero es más pesado (tiene mayor masa atómica) que el segundo.
Así pues, la pareja de isótopos 3He y 4He definen las propiedades mesurables y lo que entendemos del helio como elemento químico. Dado que el 3He es más liviano, es de suponer que sus átomos cuentan con mayor energía cinética y que, por lo tanto, necesitan de una temperatura aún más baja para cohesionar en un superfluido.
El 3He se considera una especie muy rara en la Tierra. Sin embargo, en suelos lunares es más abundante (2.000 veces más, aproximadamente). Es por eso que la Luna ha sido objeto de proyectos e historias como posible fuente de 3He, que pudiera destinarse como combustible nuclear para las naves espaciales del futuro.
Entre otros isótopos del helio pueden mencionarse, con sus respectivos tiempos de vida media: 5He (t1/2= 7,6·10−22 s), 6He (t1/2= 0,8 s) y 8He (t1/2= 0,119 s).
Riesgos del helio
El helio es un gas inerte y, por lo tanto, no participa en ninguna de las reacciones que ocurren dentro de nuestros cuerpos.
Sus átomos prácticamente entran y salen exhalados sin que sus interacciones con las biomoléculas produzcan un efecto ulterior, excepto en el sonido emitido por las cuerdas vocales, que se vuelven más agudos y tienen mayor frecuencia.
Las personas que inhalan helio de un globo (con moderación), hablan con una voz aguda, parecida a la de una ardilla (o pato).
El problema reside en que si dicha persona inhala una cantidad inapropiada de helio, corre el riesgo de asfixiarse, pues sus átomos desplazan las moléculas de oxígeno, y por lo tanto, no podrá respirar hasta que exhale todo ese helio, que a su vez debido a su presión puede desgarrar el tejido pulmonar o causar barotraumas. Se han reportado casos de personas que han fallecido por inhalar helio a causa de eso.
Por otro lado, aunque no represente un riesgo de incendio dada su falta de reactividad hacia el oxígeno (u otra sustancia), si está almacenado bajo altas presiones y se escapa, su fuga puede ser físicamente peligrosa.
Usos del helio
Las propiedades físicas y químicas del helio no solo hacen de él un gas especial, sino una sustancia muy útil para aplicaciones que ameriten temperaturas en extremo bajas, como:
- Sistemas de presión y purga. En algunos sistemas es necesario presurizar, y para ello se debe inyectar o suministrar un gas que no interaccione con ninguno de sus componentes, como con reactivos o superficies sensibles a reacciones indeseables. Así, la presión puede incrementarse con volúmenes de helio, cuya inercia química lo vuelve ideal para este propósito. La atmósfera inerte que facilita supera en ciertos casos la del nitrógeno. Para el proceso inverso, es decir, la purga, el helio también se utiliza por su capacidad para arrastrar todo el oxígeno, vapores de agua o cualquier otro gas, cuya presencia desea eliminarse. De esta manera, la presión del sistema se reduce una vez se haya vaciado el helio.
- Detecciones de fugas. El helio puede filtrarse a través de la más mínima fisura, por lo que sirve también para detectar fugas en tuberías, contenedores de alto vacío o tanques criogénicos. En ocasiones, la detección puede hacerse visualmente o mediante el tacto.
- Gas de arrastre. Los átomos de helio, como se mencionó para los sistemas de purga, pueden arrastrar consigo, dependiendo de su presión, moléculas más pesadas. Por ejemplo, este principio se utiliza cotidianamente en análisis de cromatografía de gases, ya que puede arrastrar la muestra atomizada a lo largo de la columna donde interacciona con la fase estacionaria.
- Globos y dirigibles. Debido a su baja densidad comparado con el aire y, nuevamente, a su falta de reactividad con el oxígeno, se utiliza para inflar globos en fiestas infantiles (mezclado con oxígeno para que nadie se asfixie por respirarlo), y dirigibles (imagen superior), sin que represente un riesgo de incendio.
- Buceo. Cuando los buzos descienden a mayores profundidades se les dificulta respirar por la gran presión ejercida por el agua. Por eso, en sus tanques de oxígeno se agrega helio para disminuir la densidad del gas que respiran y exhalan los buzos, y pueda exhalarse con menor trabajo.
- Soldaduras por arco. En el proceso de soldadura, el arco eléctrico aporta el calor suficiente para que los dos metales se unan. Si se realiza bajo una atmósfera de helio, el metal incandescente no reaccionará con el oxígeno del aire para convertirse en su óxido respectivo. Por lo tanto, el helio impide que esto ocurra.
- Superconductores. El helio líquido es tan frío que puede congelar los metales hasta transformarlos en superconductores. Gracias a esto, se han podido fabricar imanes muy poderosos, los cuales, refrigerados con helio líquido, se utilizan en escáneres de imágenes o espectrómetros de resonancia magnética nuclear.
Referencias
- Shiver & Atkins. Química Inorgánica (Cuarta edición). McGraw Hill.
- Helium hydride ion detected in space for the first time: evidence found for elusive chemistry from the universe’s first minutes. Recuperado de chemistryworld.com.
- Helium. Chemistry in its Element. Recuperado de chemistryworld.com.
- Helium. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Helium. Recuperado de chemistryexplained.com.