Hélio: história, propriedades, estrutura, riscos, usos - Ciência - 2023

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o hélio é um elemento químico cujo símbolo é ele. É o primeiro gás nobre da tabela periódica e geralmente está localizado na extremidade direita dela. Em condições normais é um gás inerte, pois nenhum de seus poucos compostos é estável; Ele também se expande muito rapidamente e é a substância com o ponto de ebulição mais baixo de todas.

No nível popular, é um gás bastante conhecido, pois em inúmeros eventos ou festas infantis é comum presenciar-se um balão subir até se perder no céu. No entanto, o que está realmente e para sempre perdido nos cantos do sistema solar, e além, são os átomos de hélio que são liberados quando o balão explode ou esvazia.

Na verdade, há quem, e com razão, considere que os balões de hélio representam uma prática inadequada para esse gás. Felizmente, ele tem usos mais importantes e interessantes, graças às suas propriedades físicas e químicas que o separam de outros elementos químicos.

Por exemplo, o hélio líquido é tão frio que pode congelar qualquer coisa, como uma liga metálica, transformando-o em um material supercondutor. Da mesma forma, é um líquido que manifesta superfluidez, capaz de subir pelas paredes de um recipiente de vidro.

Seu nome se deve ao fato de ter sido identificado pela primeira vez no Sol e não na Terra. É o segundo elemento mais abundante em todo o Universo e, embora sua concentração seja desprezível na crosta terrestre, pode ser obtido a partir das reservas de gás natural e de minerais radioativos de urânio e tório.

Aqui o hélio demonstra outro fato curioso: é um gás muito mais abundante no subsolo do que na atmosfera, onde acaba escapando da Terra e de seu campo gravitacional.

História

O hélio não foi descoberto na Terra, mas no Sol. Na verdade, seu nome vem da palavra grega 'helios', que significa sol. A existência do elemento por si só contrastava com a tabela periódica de Dmitri Mendeleev, uma vez que não havia lugar nela para um novo gás; isto é, a essa altura, absolutamente nada se suspeitava sobre gases nobres.

O nome 'hélio', escrito como 'hélio' em inglês, terminava com o sufixo -ium referindo-se a ele como um metal; justamente porque não se admitia a existência de outro gás que não oxigênio, hidrogênio, flúor, cloro e nitrogênio.

Esse nome foi designado pelo astrônomo inglês Norman Lockyer, que estudou da Inglaterra o que foi observado pelo astrônomo francês Jules Janssen na Índia, durante um eclipse solar em 1868.

Era uma linha espectral amarela de um elemento até então desconhecido. Lockyer afirmou que isso se devia à presença de um novo elemento químico encontrado no sol.

Em 1895, quase vinte anos depois, o químico escocês Sir William Ramsay reconheceu o mesmo espectro de um gás remanescente quando estudou um mineral radioativo: cleveita. Portanto, havia hélio aqui na Terra também.

Propriedades físicas e químicas

Aparência

O hélio é um gás incolor e inodoro, sem sabor e inerte. No entanto, quando um choque elétrico é aplicado, e dependendo da diferença de voltagem, ele começa a brilhar como uma névoa púrpura acinzentada (imagem acima), depois brilhar com um brilho laranja. Portanto, as luzes de hélio são laranja.

Número atômico (Z)

Massa molar

4,002 g / mol

Ponto de fusão

-272,2 ºC

Ponto de ebulição

-268,92 ºC

Densidade

-0,1786 g / L, em condições normais, ou seja, na fase gasosa.

-0,145 g / mL, no ponto de fusão, hélio líquido.

-0,125 g / mL, assim que o hélio começa a ferver.

-0,187 g / mL, a 0 K e 25 atm, ou seja, hélio sólido nessas condições específicas de pressão e temperatura.

Ponto Triplo

2,177 K e 5,043 kPa (0,04935 atm)

Ponto crítico

5,1953 K e 0,22746 MPa (2,2448 atm)

Calor de fusão

0,0138 kJ / mol

Calor da vaporização

0,0829 kJ / mol

Capacidade de calor molar

20,78 J / (mol K)

Pressão de vapor

0,9869 atm a 4,21 K. Este valor dá uma ideia de quão fugaz o hélio pode ser e quão facilmente ele pode escapar à temperatura ambiente (perto de 298 K).

Energias de ionização

-Primeiro: 2372,3 kJ / mol (He⁺ gasoso)

-Segundo: 5250,5 kJ / mol (He²⁺ gasoso)

As energias de ionização do hélio são especialmente altas porque o átomo gasoso deve perder um elétron, que sofre uma forte carga nuclear efetiva. Também pode ser entendido considerando o pequeno tamanho do átomo e o quão "próximos" os dois elétrons estão do núcleo (com seus dois prótons e dois nêutrons).

Solubilidade

Na água, 0,97 mL é dissolvido para cada 100 mL de água a 0 ºC, o que significa que é pouco solúvel.

Reatividade

O hélio é o segundo elemento químico menos reativo da natureza. Em condições normais, é correto dizer que é um gás inerte; Nunca (ao que parece) um composto de hélio pode ser manipulado em uma sala ou laboratório sem enormes pressões agindo sobre ele; ou talvez, temperaturas dramaticamente altas ou baixas.

Um exemplo é visto no composto Na₂Ele, que é estável apenas sob uma pressão de 300 GPa, reproduziu-se em uma célula de bigorna de diamante.

Enquanto as ligações químicas no Na₂São "estranhos" porque têm seus elétrons bem localizados nos cristais, estão longe de ser simples interações de Van der Walls e, portanto, não consistem simplesmente em átomos de hélio aprisionados por agregados moleculares. É aqui que surge o dilema entre quais compostos de hélio são reais e quais não são.

Por exemplo, as moléculas de nitrogênio em altas pressões podem prender um átomo de hélio para produzir uma espécie de clatrato, He (N₂)₁₁.

Da mesma forma, existem os complexos endoédricos de cátions fulerenos, C₆₀^{+ n} e C₇₀^{+ n}, em cujas cavidades podem acomodar átomos de hélio; e o cátion molecular HeH⁺ (He-H⁺), encontrado em nebulosas muito distantes.

Número de oxidação

Qualquer um que tentar calcular o número de oxidação do hélio em qualquer um de seus compostos por curiosidade descobrirá que ele é igual a 0. Em Na₂Ele, por exemplo, poderia ser pensado que sua fórmula corresponde a hipotéticos íons Na₂⁺eu tenho^2-; mas tal seria supor que tem um caráter iônico puro, quando na realidade suas ligações estão longe de sê-lo.

Além disso, o hélio não ganha elétrons porque não pode acomodá-los no orbital 2s, energeticamente indisponível; Também não é possível perdê-los, devido ao pequeno tamanho de seu átomo e à grande carga nuclear efetiva de seu núcleo. É por isso que o hélio sempre participa (em teoria) como um átomo de He⁰ em seus compostos derivados.

Estrutura e configuração eletrônica

O hélio, como todos os gases observados em macroescala, ocupa o volume dos recipientes que o armazenam, tendo, portanto, formato indefinido.No entanto, quando a temperatura cai e começa a esfriar abaixo de -269 ºC, o gás se condensa em um líquido incolor; hélio I, a primeira das duas fases líquidas desse elemento.

A razão pela qual o hélio se condensa em uma temperatura tão baixa é devido às baixas forças de espalhamento que mantêm seus átomos unidos; qualquer que seja a fase considerada. Isso pode ser explicado por sua configuração eletrônica:

1s²

Em que dois elétrons ocupam o orbital atômico 1s. O átomo de hélio pode ser visualizado como uma esfera quase perfeita, cuja periferia eletrônica homogênea dificilmente será polarizada pela carga nuclear efetiva dos dois prótons no núcleo.

Assim, os momentos dipolares espontâneos e induzidos são raros e muito fracos; então a temperatura deve se aproximar do zero absoluto para que os átomos de He se aproximem devagar o suficiente e consigam que suas forças dispersivas definam um líquido; ou melhor ainda, um cristal de hélio.

Dímeros

Na fase gasosa, o espaço que separa os átomos de He é tal que pode-se supor que eles estão sempre separados uns dos outros. Tanto que, em um frasco de pequeno volume, o hélio parece incolor até ser submetido a uma descarga elétrica, que ioniza seus átomos em uma névoa acinzentada e pouco brilhante.

Porém, na fase líquida os átomos de He, mesmo com suas interações fracas, não podem mais ser "ignorados". Agora, a força de dispersão permite que eles se juntem momentaneamente para formar dímeros: He-He ou He₂. Portanto, o hélio I pode ser considerado como vastos aglomerados de He₂ em equilíbrio com seus átomos na fase de vapor.

É por isso que o hélio I é tão difícil de diferenciar de seus vapores. Se esse líquido for derramado de seu recipiente hermético, ele escapa como uma chama esbranquiçada.

Helium II

Quando a temperatura cai ainda mais, chegando a 2.178 K (-270.972 ºC), ocorre uma transição de fase: o hélio I se transforma em hélio II.

A partir deste ponto, o já fascinante líquido de hélio se torna um superfluido ou fluido quântico; isto é, suas propriedades macroscópicas se manifestam como se os dímeros He₂ eles eram átomos individuais (e talvez sejam). Ele carece de viscosidade completa, pois não há superfície que possa parar um átomo durante seu deslizamento ou "escalada".

É por isso que o hélio II pode escalar as paredes de um recipiente de vidro vencendo a força da gravidade; por mais altas que sejam, desde que a superfície permaneça na mesma temperatura e, portanto, não volatilize.

Devido a isso, o hélio líquido não pode ser armazenado em recipientes de vidro, pois escaparia à menor rachadura ou lacuna; muito semelhante a como aconteceria com um gás. Em vez disso, o aço inoxidável é usado para projetar tais recipientes (tanques Dewars).

Cristais

Mesmo se a temperatura caísse para 0 K (zero absoluto), a força de espalhamento entre os átomos de He não seria forte o suficiente para ordená-los em uma estrutura cristalina. Para que ocorra a solidificação, a pressão deve aumentar para aproximadamente 25 atm; e então aparecem cristais de hélio hexagonal compactos (hcp).

Estudos geofísicos mostram que essa estrutura hcp permanece inalterada, não importa o quanto a pressão aumente (da ordem de gigapascais, GPa). No entanto, há uma região estreita em seu diagrama de pressão-temperatura onde esses cristais hcp passam por uma transição para uma fase cúbica centrada no corpo (bcc).

Onde encontrar e obter

Cosmos e rochas

O hélio é o segundo elemento mais abundante em todo o Universo, perdendo apenas para o hidrogênio. As estrelas produzem constantemente quantidades incomensuráveis de átomos de hélio ao fundir dois núcleos de hidrogênio durante o processo de nucleossíntese.

Da mesma forma, qualquer processo radioativo que emita partículas α é uma fonte de produção de átomos de hélio se eles interagirem com os elétrons do ambiente; por exemplo, com os de um corpo rochoso em depósitos de minerais radioativos de urânio e tório. Esses dois elementos sofrem decaimento radioativo, começando com o urânio:

Portanto, nas rochas onde se concentram esses minerais radioativos, os átomos de hélio ficarão presos, que serão liberados assim que forem digeridos em meio ácido.

Entre alguns desses minerais estão cleveita, carnotita e uraninita, todos compostos de óxidos de urânio (UO₂ ou você₃OU₈) e impurezas de tório, metais pesados e terras raras. O hélio, irrigado por canais subterrâneos, pode acabar se acumulando em reservatórios de gás natural, fontes minerais ou ferros meteóricos.

Estima-se que uma massa de hélio equivalente a 3.000 toneladas seja produzida anualmente na litosfera, a partir da decomposição radioativa do urânio e do tório.

Ar e mares

O hélio é pouco solúvel em água, portanto, mais cedo ou mais tarde, acaba subindo das profundezas (seja qual for sua origem), até cruzar as camadas da atmosfera e finalmente chegar ao espaço sideral. Seus átomos são tão pequenos e leves que o campo gravitacional da Terra não consegue retê-los na atmosfera.

Devido ao exposto, a concentração de hélio no ar (5,2 ppm) e nos mares (4 ppt) é muito baixa.

Se alguém quisesse extraí-lo de qualquer um desses dois meios, a "melhor" opção seria o ar, que primeiro teria que ser submetido à liquefação para condensar todos os seus gases componentes, enquanto o hélio permanece em estado gasoso.

No entanto, não é prático obter hélio do ar, mas de rochas enriquecidas com minerais radioativos; ou melhor, das reservas de gás natural, onde o hélio pode representar até 7% de sua massa total.

Liquefação e destilação de gás natural

Em vez de liquefazer o ar, é mais fácil e lucrativo usar o gás natural, cuja composição de hélio é, sem dúvida, muito maior. Assim, a matéria-prima por excelência (comercial) para a obtenção do hélio é o gás natural, que também pode ser submetido à destilação fracionada.

O produto final da destilação é purificado com carvão ativado, por onde passa um hélio muito puro. E, finalmente, o hélio é separado do neônio por um processo criogênico em que o hélio líquido é usado.

Isótopos

O hélio ocorre predominantemente na natureza como o isótopo ⁴Ele, cujo núcleo nu é a famosa partícula α. Este átomo de ⁴Ele tem dois nêutrons e dois prótons. Em menos abundância está o isótopo ³Ele, que tem apenas um nêutron. O primeiro é mais pesado (tem uma massa atômica maior) do que o segundo.

Assim, o par de isótopos ³Eu tenho e ⁴São eles que definem as propriedades mensuráveis e o que entendemos do hélio como elemento químico. Desde o ³Ele é mais leve, presume-se que seus átomos tenham maior energia cinética e que, portanto, precisam de uma temperatura ainda menor para coalescer em um superfluido.

o ³Ele é considerado uma espécie muito rara aqui na Terra; entretanto, em solos lunares é mais abundante (aproximadamente 2.000 vezes mais). É por isso que a Lua tem sido objeto de projetos e histórias como uma possível fonte de ³Ele, que poderia ser usado como combustível nuclear para a espaçonave do futuro.

Entre outros isótopos de hélio podem ser citados, com suas respectivas meias-vidas: ⁵Eu tenho (t_1/2= 7,6·10⁻²² s), ⁶Eu tenho (t_1/2= 0,8 s) e ⁸Eu tenho (t_1/2= 0,119 s).

Riscos

O hélio é um gás inerte e, portanto, não participa de nenhuma das reações que ocorrem em nosso corpo.

Seus átomos praticamente entram e saem exalados sem que suas interações com as biomoléculas produzam qualquer efeito posterior; exceto no som emitido pelas cordas vocais, que se tornam mais altas e mais frequentes.

Pessoas que inalam hélio de um balão (com moderação) falam com uma voz estridente, semelhante à de um esquilo (ou pato).

O problema é que se essa pessoa inalar uma quantidade inadequada de hélio, ela corre o risco de sufocar, pois seus átomos deslocam as moléculas de oxigênio; e, portanto, você não será capaz de respirar até que exale todo aquele hélio, que por sua vez, devido à sua pressão, pode rasgar o tecido pulmonar ou causar barotrauma.

Casos de pessoas que morreram por inalação de hélio foram relatados devido ao que acabou de ser explicado.

Por outro lado, embora não represente um risco de incêndio devido à sua falta de reatividade ao oxigênio (ou outra substância), se for armazenado sob alta pressão e escapar, seu vazamento pode ser fisicamente perigoso.

Formulários

As propriedades físicas e químicas do hélio não apenas o tornam um gás especial, mas também uma substância muito útil para aplicações que requerem temperaturas extremamente baixas. Nesta seção, alguns desses aplicativos ou usos serão abordados.

Sistemas de pressão e sangria

Em alguns sistemas é necessário aumentar a pressão (pressurizar), e para isso deve ser injetado ou fornecido um gás que não interaja com nenhum de seus componentes; por exemplo, com reagentes ou superfícies sensíveis a reações indesejáveis.

Assim, a pressão pode ser aumentada com volumes de hélio, cuja inércia química o torna ideal para esse fim. A atmosfera inerte que fornece excede em certos casos a do nitrogênio.

Para o processo reverso, ou seja, a purga, o hélio também é utilizado devido à sua capacidade de arrastar todo oxigênio, vapores de água ou qualquer outro gás cuja presença se queira remover. Desta forma, a pressão do sistema é reduzida uma vez que o hélio foi esvaziado.

Detecções de vazamento

O hélio pode vazar pela menor rachadura, por isso também é usado para detectar vazamentos em tubos, recipientes de alto vácuo ou tanques criogênicos.

Às vezes, a detecção pode ser feita visualmente ou por toque; no entanto, é principalmente um detector que "sinaliza" onde e quanto hélio está escapando do sistema sob inspeção.

Gás portador

Os átomos de hélio, como mencionado para sistemas de purga, podem carregar com eles, dependendo de sua pressão, moléculas mais pesadas. Por exemplo, esse princípio é usado diariamente na análise de cromatografia gasosa, pois pode arrastar a amostra atomizada ao longo da coluna, onde interage com a fase estacionária.

Balões e dirigíveis

Devido à sua baixa densidade em relação ao ar e, novamente, à sua falta de reatividade com o oxigênio, tem sido usado para encher balões em festas infantis (misturado com oxigênio para que ninguém sufoque ao respirar), e dirigíveis (imagem superior) , sem representar risco de incêndio.

Mergulho

Quando os mergulhadores descem a profundidades maiores, têm dificuldade em respirar devido à grande pressão exercida pela água. É por isso que o hélio é adicionado aos seus tanques de oxigênio para diminuir a densidade do gás que os mergulhadores respiram e expiram, e assim, pode ser expirado com menos trabalho.

Soldas de arco

No processo de soldagem, o arco elétrico fornece calor suficiente para os dois metais se unirem. Se feito sob uma atmosfera de hélio, o metal incandescente não reagirá com o oxigênio do ar para se tornar seu respectivo óxido; portanto, o hélio impede que isso aconteça.

Supercondutores

O hélio líquido é tão frio que pode congelar metais em supercondutores. Graças a isso, tem sido possível fabricar ímãs muito poderosos, que, resfriados com hélio líquido, têm sido usados em scanners de imagem ou espectrômetros de ressonância magnética nuclear.

Referências

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