HELIUM: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, RISCURI, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Heliul este un element chimic cu simbolul El. Este primul gaz nobil din tabelul periodic și este de obicei situat în extrema dreaptă a acestuia. În condiții normale, este un gaz inert, deoarece niciunul dintre puținii săi compuși nu este stabil; De asemenea, se extinde foarte repede și este substanța cu cel mai mic punct de fierbere dintre toate.

La nivel popular, este un gaz binecunoscut, deoarece în nenumărate evenimente sau petreceri pentru copii este obișnuit să asistăm la cum se ridică un balon până se pierde pe cer. Totuși, ceea ce se pierde cu adevărat și pentru totdeauna în colțurile sistemului solar și nu numai, sunt atomii de heliu care sunt eliberați odată ce balonul explodează sau se dezumflă.

Baloane umflate cu heliu, cel mai apropiat puteți ajunge la acest element în situații de zi cu zi. Sursa: Pixabay.

De fapt, există cei care consideră că, cu un motiv întemeiat, baloanele cu heliu reprezintă o practică necorespunzătoare pentru acest gaz. Din fericire, are utilizări mai importante și mai interesante, datorită proprietăților sale fizice și chimice care îl separă de alte elemente chimice.

De exemplu, heliul lichid este atât de rece încât poate îngheța orice, precum un aliaj metalic, transformându-l într-un material supraconductor. La fel, este un lichid care manifestă superfluiditate, capabil să urce pe pereții unui recipient de sticlă.

Numele său se datorează faptului că a fost identificat pentru prima dată pe Soare și nu pe Pământ. Este al doilea element cel mai abundent din întregul Univers și, deși concentrația sa este neglijabilă în scoarța terestră, poate fi obținută din rezervele de gaze naturale și minerale radioactive din uraniu și toriu.

Aici heliul demonstrează un alt fapt curios: este un gaz care este mult mai abundent în subsol decât în ​​atmosferă, unde ajunge să scape de pe Pământ și de câmpul său gravitațional.

Istorie

Helium nu a fost descoperit pe Pământ, ci pe Soare. De fapt, numele său vine de la cuvântul grecesc „helios” care înseamnă soare. Existența elementului contrastează de la sine tabelul periodic al lui Dmitri Mendeleev, întrucât nu exista niciun loc în el pentru un nou gaz; Cu alte cuvinte, până atunci nu se bănuia absolut nimic despre gazele nobile.

Denumirea „heliu”, scrisă „helium” în engleză, s-a încheiat cu sufixul -ium referindu-se la el ca metal; tocmai pentru că nu a putut fi admisă existența unui alt gaz decât oxigen, hidrogen, fluor, clor și azot.

Acest nume a fost desemnat de astronomul englez Norman Lockyer, care a studiat din Anglia ce a fost observat de astronomul francez Jules Janssen în India, în timpul unei eclipse solare din 1868.

Era o linie spectrală galbenă dintr-un element până acum necunoscut. Lockyer a susținut că acest lucru s-a datorat prezenței unui nou element chimic găsit la Soare.

În 1895, aproape douăzeci de ani mai târziu, chimistul scoțian Sir William Ramsay a recunoscut același spectru dintr-un gaz rămas când a studiat un mineral radioactiv: cleveitul. Deci, aici a existat și heliu pe Pământ.

Proprietati fizice si chimice

Aspect

Ampulează cu o probă de heliu strălucitoare după o șoc electrică. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

Heliul este un gaz incolor, inodor, care nu are gust și este de asemenea inert. Cu toate acestea, atunci când se aplică o șoc electrică și în funcție de diferența de tensiune, începe să strălucească ca o nuanță cenușie-purpurie (imaginea de mai sus), apoi strălucește cu o strălucire portocalie. Prin urmare, luminile de heliu sunt portocalii.

Număr atomic (Z)

Două

Masă molară

4.002 g / mol

Punct de topire

-272,2 ºC

Punct de fierbere

-268.92 ºC

Densitate

-0,1786 g / L, în condiții normale, adică în faza de gaz.

-0,145 g / ml, la punctul de topire, heliu lichid.

-0,125 g / ml, la fel cum heliul începe să fiarbă.

-0,187 g / ml, la 0 K și 25 atm, adică heliu solid în acele condiții specifice de presiune și temperatură.

Punct triplu

2,177 K și 5,043 kPa (0,04935 atm)

Punct critic

5.1953 K și 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Căldură de fuziune

0,0138 kJ / mol

Căldură de vaporizare

0,0829 kJ / mol

Capacitate termică molară

20,78 J / (mol K)

Presiunea de vapori

0,9869 atm la 4,21 K. Această valoare vă oferă o idee despre cât de ușor poate fi heliul și cât de ușor poate scăpa la temperatura camerei (aproape de 298 K).

Energii de ionizare

-Primul: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gazos)

-A doua: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gazos)

Energiile de ionizare pentru heliu sunt deosebit de mari, deoarece atomul gazos trebuie să piardă un electron, care prezintă o puternică încărcare nucleară eficientă. Se poate înțelege, de asemenea, luând în considerare dimensiunea mică a atomului și cât de „aproape” sunt cei doi electroni de nucleu (cu cei doi protoni și doi neutroni).

Solubilitate

În apă, 0,97 ml se dizolvă pentru fiecare 100 ml de apă la 0 ºC, ceea ce înseamnă că este slab solubil.

reactivitatea

Heliul este al doilea element chimic cel mai puțin reactiv din natură. În condiții normale este corect să spunem că este un gaz inert; Niciodată (se pare) un compus de heliu nu poate fi manipulat într-o cameră sau laborator, fără presiuni enorme care acționează asupra lui; sau poate, temperaturi dramatic ridicate sau scăzute.

Un exemplu este văzut în compusul Na ₂ El, care este stabil numai sub o presiune de 300 GPa, reprodusă într - o celulă de diamant nicovală.

Deși legăturile chimice din Na ₂ He sunt „ciudate”, deoarece au electronii lor bine situați în cristale, acestea sunt departe de a fi simple interacțiuni Van der Walls și, prin urmare, nu constau pur și simplu din atomi de heliu prinși de agregate moleculare. . Aici apare dilema între care compușii cu heliu sunt reali și care nu.

De exemplu, moleculele de azot la presiuni ridicate pot prinde un atom de heliu pentru a forma un fel de clatrat, He (N ₂ ) ₁₁ .

La fel, există complexele endoedrice ale cationilor fullereni, C ₆₀ ^{+ n} și C ₇₀ ^{+ n} , în cavitățile cărora pot găzdui atomi de heliu; și cationul molecular HeH ⁺ (He-H ⁺ ), găsit în nebuloase foarte îndepărtate.

Numărul de oxidare

Curiozitatea care încearcă să calculeze numărul de oxidare pentru heliu în oricare dintre compușii se vor găsi că acest lucru este egal cu 0. În Na ₂ au, de exemplu, s - ar putea crede că formula corespunde ipotetic Na ₂ ⁺ I ^2- ; dar așa ar fi să presupunem că are un caracter ionic pur, când în realitate legăturile sale sunt departe de a fi așa.

În plus, heliul nu câștigă electroni, deoarece nu îi poate găzdui în orbitalul 2s, indisponibil energetic; Nici nu este posibil să le piardă, din cauza dimensiunilor mici ale atomului său și a marii încărcări nucleare efective a nucleului său. De aceea, heliul participă întotdeauna (în teorie) ca atom de He ⁰ la compușii săi derivați.

Structura și configurația electronică

Heliul, ca toate gazele observate pe o scară macro, ocupă volumul recipientelor care îl depozitează, având astfel o formă nedeterminată. Cu toate acestea, când temperatura scade și începe să se răcească sub -269 ºC, gazul se condensează într-un lichid incolor; heliu I, prima dintre cele două faze lichide pentru acest element.

Motivul pentru care heliul se condensează la o temperatură atât de scăzută se datorează forțelor scăzute de împrăștiere care își mențin atomii împreună; indiferent de faza luată în considerare. Acest lucru poate fi explicat prin configurația sa electronică:

1s ²

În care doi electroni ocupă orbitalul atomic de 1s. Atomul de heliu poate fi vizualizat ca o sferă aproape perfectă, a cărei periferie electronică omogenă este puțin probabil să fie polarizată de încărcarea nucleară efectivă a celor doi protoni din nucleu.

Astfel, momentele dipolice spontane și induse sunt rare și foarte slabe; deci temperatura trebuie să se apropie de zero absolut, astfel încât atomii He să se apropie destul de lent și să obțină ca forțele lor dispersive să definească un lichid; sau chiar mai bine, un cristal de heliu.

Dimerii

În faza gazoasă, spațiul care separă atomii He este astfel încât se poate presupune că ei sunt întotdeauna separați unul de celălalt. Atât de mult, încât într-un flacon cu volum mic, heliul apare incolor până când este supus unei descărcări electrice, care ionizează atomii săi într-o ceață cenușie și slab luminată.

Cu toate acestea, în faza lichidă, atomii He, chiar și cu interacțiunile lor slabe, nu mai pot fi „ignorați”. Acum forța de dispersie le permite să se unească momentan pentru a forma dimeri: He-He sau He ₂ . Prin urmare, heliul I poate fi gândit ca niște grupări vaste de He ₂ în echilibru cu atomii săi în faza de vapori.

De aceea heliul I este atât de dificil de diferențiat de vaporii săi. Dacă acest lichid este vărsat din recipientul său etanș, acesta scapă sub forma unei flăcări albicioase.

Helium II

Când temperatura scade și mai mult, atingând 2,178 K (-270,972 ºC), are loc o tranziție de fază: heliul I este transformat în heliu II.

Din acest punct, deja fascinantul lichid de heliu devine un superfluid sau un fluid cuantic; adică proprietățile lor macroscopice se manifestă ca și cum dimerii He ₂ ar fi atomi individuali (și poate sunt). Îi lipsește vâscozitatea completă, deoarece nu există nicio suprafață care să poată opri un atom în timpul alunecării sau „urcării” sale.

De aceea, heliul II poate urca pe pereții unui recipient de sticlă depășind forța gravitației; oricât de înalte ar fi, atât timp cât suprafața rămâne la aceeași temperatură și, prin urmare, nu se volatilizează.

Din această cauză, heliul lichid nu poate fi păstrat în recipiente de sticlă, deoarece ar scăpa la cea mai mică fisură sau gol; foarte asemănător cu cum s-ar întâmpla cu un gaz. În schimb, oțelul inoxidabil este utilizat pentru proiectarea unor astfel de vase (rezervoarele Dewars).

cristale

Chiar dacă temperatura ar scădea la 0 K (zero absolut), forța de împrăștiere între atomii He nu ar fi suficient de puternică pentru a le ordona într-o structură cristalină. Pentru ca solidificarea să apară, presiunea trebuie să crească la aproximativ 25 atm; apoi apar cristale hexagonale compacte cu helium (hcp).

Studiile geofizice arată că această structură de hcp rămâne neschimbată, indiferent de creșterea presiunii (până la ordinea gigapascalelor, GPa). Cu toate acestea, există o regiune îngustă în diagrama lor de temperatură presiune-temperatură în care aceste cristale de hcp suferă o tranziție către o fază cubică centrată pe corp (cc).

Unde să găsești și să obții

Cosmos și roci

Heliul reprezintă al doilea element cel mai abundent din Univers și 24% din masa sa. Sursa: Pxhere.

Heliul este al doilea element cel mai abundent din întregul Univers, al doilea doar la hidrogen. Stelele produc constant cantități incomensurabile de atomi de heliu prin fuzionarea a doi nuclei de hidrogen în timpul procesului de nucleosinteză.

De asemenea, orice proces radioactiv care emite particule α este o sursă de producere a atomilor de heliu dacă interacționează cu electronii din mediul înconjurător; de exemplu, cu cele ale unui corp stâncos în depozite de minerale radioactive de uraniu și toriu. Aceste două elemente suferă de descompunere radioactivă, începând cu uraniul:

Cariunea radioactivă a uraniului în formarea particulelor alfa, care ulterior sunt transformate într-un atom de heliu în depozite subterane. Sursa: Gabriel Bolívar.

Prin urmare, în rocile unde sunt concentrate aceste minerale radioactive, atomii de heliu vor fi prinși, care vor fi eliberați după ce vor fi digerați în medii acide.

Printre unele dintre aceste minerale se numără cleveita, carnotitul și uraninita, toate compuse din oxizi de uraniu (UO ₂ sau U ₃ O ₈ ) și impurități de toriu, metale grele și pământuri rare. Heliul, irigat prin canalele subterane, poate ajunge să se acumuleze în rezervoarele de gaze naturale, izvoarele minerale sau în fierul meteoric.

Se estimează că în litosferă se produce anual o masă de heliu echivalentă a 3000 de tone, din descompunerea radioactivă a uraniului și a torului.

Aer și mări

Heliul nu este foarte solubil în apă, deci mai devreme decât mai târziu ajunge să se ridice din adâncuri (oriunde este originea sa), până când traversează straturile atmosferei și ajunge în sfârșit în spațiul exterior. Atomii săi sunt atât de mici și de ușori încât câmpul gravitațional al Pământului nu îi poate reține în atmosferă.

Datorită celor de mai sus, concentrația de heliu atât în ​​aer (5,2 ppm) cât și în mări (4 ppt) este foarte mică.

Dacă s-ar dori apoi să se extragă din oricare dintre aceste două medii, opțiunea „cea mai bună” ar fi aerul, care ar trebui mai întâi să fie lichefiat pentru a condensa toate gazele sale componente, în timp ce heliul rămâne în stare gazoasă.

Cu toate acestea, nu este practic să se obțină heliu din aer, ci din roci îmbogățite cu minerale radioactive; sau mai bine, tot din rezervele de gaze naturale, unde heliul poate reprezenta până la 7% din masa totală.

Lichefierea și distilarea gazelor naturale

În loc să lichefieze aerul, este mai ușor și mai profitabil să folosești gaz natural, a cărui compoziție de heliu este, fără îndoială, mult mai mare. Astfel, materia primă prin excelență (comercială) pentru obținerea heliului este gazul natural, care poate fi, de asemenea, supus distilării fracționate.

Produsul final al distilării este terminat de purificare cu carbon activat, prin care trece un heliu foarte pur. Și în final, heliul este separat de neon printr-un proces criogen în care se folosește heliu lichid.

izotopi

Heliul apare predominant în natură ca izotopul ⁴ He, al cărui nucleu gol este celebra particulă α. Acest atom de ⁴ He are doi neutroni și doi protoni. În mai puțină abundență se află izotopul ³ He, care are un singur neutron. Primul este mai greu (are o masă atomică mai mare) decât al doilea.

Astfel, perechea de izotopi ³ He și ⁴ He sunt cele care definesc proprietățile măsurabile și ceea ce înțelegem despre heliu ca element chimic. Deoarece ³ El este mai ușor, se presupune că atomii săi au o energie cinetică mai mare și, prin urmare, au nevoie de o temperatură și mai scăzută pentru a se îngreuna într-un superfluid.

Cei ³ El este considerat o specie foarte rară aici pe Pământ; cu toate acestea, pe solurile lunare este mai abundent (de aproximativ 2000 de ori mai mult). De aceea, Luna a făcut obiectul unor proiecte și povești ca o posibilă sursă de ³ He, care ar putea fi folosit ca combustibil nuclear pentru nava spațială a viitorului.

Printre alți izotopi ai heliului pot fi menționați, cu timpul lor de înjumătățire respectiv: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) și ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

riscuri

Heliul este un gaz inert și, prin urmare, nu participă la niciuna dintre reacțiile care apar în corpul nostru.

Atomii săi practic intră și ies exhalat fără interacțiunile lor cu biomoleculele care produc un efect ulterior; cu excepția sunetului emis din corzile vocale, care devin mai înalte și mai frecvente.

Oamenii care inspiră heliu dintr-un balon (cu moderație) vorbesc cu o voce înaltă, similară cu cea a veveriței (sau a raței).

Problema este că, dacă o astfel de persoană inhalează o cantitate necorespunzătoare de heliu, acestea prezintă riscul de sufocare, deoarece atomii săi înlocuiesc moleculele de oxigen; și, prin urmare, nu veți putea respira până nu expirați tot acel heliu, care, la rândul său, datorită presiunii sale, poate rupe țesutul pulmonar sau poate provoca barotrauma.

Au fost raportate cazuri de persoane care au murit în urma inhalării de heliu din cauza a ceea ce tocmai a fost explicat.

Pe de altă parte, deși nu reprezintă un risc de incendiu, având în vedere lipsa de reactivitate față de oxigen (sau o altă substanță), dacă este păstrat sub presiune ridicată și scapă, scurgerea sa poate fi fizică periculoasă.

Aplicații

Proprietățile fizice și chimice ale heliului nu numai că îl fac un gaz special, ci și o substanță foarte utilă pentru aplicații care necesită temperaturi extrem de scăzute. În această secțiune vor fi abordate unele dintre aceste aplicații sau utilizări.

Sisteme de presiune și sângerare

În unele sisteme este necesară creșterea presiunii (sub presiune), iar pentru aceasta trebuie injectat sau furnizat un gaz care nu interacționează cu niciuna din componentele sale; de exemplu, cu reactivi sau suprafețe sensibile la reacții nedorite.

Astfel, presiunea poate fi crescută cu volume de heliu, a căror inerție chimică o face ideală în acest scop. Atmosfera inertă pe care o furnizează o depășește în anumite cazuri pe cea a azotului.

Pentru procesul invers, adică purjarea, heliul este, de asemenea, utilizat datorită capacității sale de a antrena tot oxigenul, vaporii de apă sau orice alt gaz, a cărui prezență doriți să o eliminați. În acest fel, presiunea sistemului este redusă odată ce heliul a fost golit.

Detectări de scurgeri

Heliul se poate scurge prin cea mai mică fisură, astfel că servește și la detectarea scurgerilor în conducte, containere cu vid mare sau rezervoare criogenice.

Uneori, detectarea se poate face vizual sau prin atingere; cu toate acestea, este în mare parte un detector care „semnalizează” unde și cât de mult scapă heliu din sistemul supus inspecției.

Gaz purtător

Atomii de heliu, așa cum s-a menționat pentru sistemele de purjare, pot transporta cu ei, în funcție de presiune, molecule mai grele. De exemplu, acest principiu este utilizat zilnic în analiza cromatografiei de gaz, deoarece poate trage proba atomizată de-a lungul coloanei, unde interacționează cu faza staționară.

Baloane și dirijabile

Heliul este folosit pentru a umfla aeronavele și este mult mai sigur decât hidrogenul, deoarece nu este un gaz inflamabil. Sursa: Pixabay.

Datorită densității scăzute în comparație cu aerul și, din nou, a reactivității sale cu oxigenul, a fost folosit pentru a umfla baloane la petrecerile copiilor (amestecat cu oxigen, astfel încât nimeni nu sufocă să-l respire), și aeronave (imaginea superioară) , fără a reprezenta risc de incendiu.

scufundare

Heliul este unul dintre componentele principale ale rezervoarelor de oxigen cu care respiră scafandrii. Sursa: Pxhere.

Atunci când scafandrii coboară la adâncimi mai mari, le este greu să respire din cauza presiunii mari exercitate de apă. De aceea, în rezervoarele lor de oxigen se adaugă heliu pentru a scădea densitatea gazului pe care scafandrii respiră și îl expiră și, astfel, poate fi expirat cu mai puțin de lucru.

Suduri cu arc

În procesul de sudare, arcul electric oferă suficientă căldură pentru ca cele două metale să se unească. Dacă este efectuat în atmosferă de heliu, metalul incandescent nu va reacționa cu oxigenul din aer pentru a deveni oxidul respectiv; prin urmare, heliul împiedică acest lucru să se întâmple.

supraconductori

Heliul lichid este utilizat pentru răcirea magneților folosiți în scanerele de rezonanță magnetică nucleară. Sursa: Jan Ainali

Heliul lichid este atât de rece încât poate îngheța metalele în supraconductori. Datorită acestui fapt, a fost posibilă fabricarea magneților foarte puternici, care, răciți cu heliu lichid, au fost folosiți în scanere de imagini sau spectrometre cu rezonanță magnetică nucleară.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Extensia Andy. (17 aprilie 2019). Ion de hidrură de heliu detectat pentru prima dată în spațiu: dovezi găsite pentru chimia evazivă din primele minute ale universului. Recuperat de la: chemistryworld.com
3. Peter Woot (19 august 2009). Heliu. Chimia în elementul său. Recuperat de la: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Heliu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Structura cristalină și densitatea heliului până la 232 Kbar. Recuperat din: articles.adsabs.harvard.edu
6. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Heliu. Baza de date PubChem. CID = 23987. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 februarie 2017). Sus, sus și departe: Chimiștii spun „da”, heliul poate forma compuși. Universitatea de Stat din Utah Recuperat de la: phys.org
8. Steve Gagnon. (Sf). Izotopii elementului Helium. Jefferson Lab. Recuperat de la: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Heliu. Recuperat de la: chemistryexplained.com