Helio

Helio
2 Él
- ↑ Él ↓ Nebraska Tabla periódica hidrógeno helio ← → litio
Apariencia
gas incoloro, exhibiendo un resplandor rojo-naranja cuando se coloca en un campo eléctrico de alta tensión Las líneas espectrales de helio
Propiedades generales
Nombre, símbolo, número	helio, He, 2
Pronunciación	/ h yo l yo ə m / HEE -lee-əm
Categoría metálico	gases nobles
Grupo, período, bloque	18 (gases nobles) , 1, s
Peso atómico estándar	4.002602 (2)
Configuración electrónica	1s 2 2
Historia
Descubrimiento	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
Primer aislamiento	William Ramsay, Per Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Propiedades físicas
Fase	gas
Densidad	(0 ° C, 101,325 kPa) 0,1786 g / L
Líquido densidad en mp	0,145 g · cm -3
Líquido densidad en pb	0,125 g · cm -3
Punto de fusion	(A 2.5 MPa) 0.95 K , -272.20 ° C, -457.96 ° F
Punto de ebullicion	4.22 K, -268.93 ° C, -452.07 ° F
Punto crítico	5.19 K, 0.227 MPa
Calor de fusión	0.0138 kJ · mol -1
El calor de vaporización	0,0829 kJ · mol -1
Capacidad calorífica molar	5 R / 2 = 20.786 J · mol -1 · K -1
Presión de vapor (definido por SU-90)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k en T (K) 1.23 1.67 2.48 4.21
Propiedades atómicas
Estados de oxidación	0
Electronegatividad	sin datos (escala de Pauling)
Energías de ionización	Primero: 2372,3 kJ · mol -1
	Segundo: 5250,5 kJ · mol -1
Radio covalente	28 pm
Van der Waals radio	140 pm
Miscelánea
Estructura cristalina	hexagonal compacta
Ordenamiento magnético	diamagnético
Conductividad térmica	0,1513 W · m -1 · K -1
Velocidad del sonido	972 m · s -1
Número de registro del CAS	7440-59-7
La mayoría de los isótopos estables
Artículo principal: Los isótopos de helio
iso N / A media vida DM DE ( MeV) DP 3 Él 0.000137% * 3 Él es estable con 1 neutrón 4 Él 99.999863% * 4 El es estable con 2 neutrones * Valor atmosférica, la abundancia puede ser diferente en otros lugares.

Helio (He) es un gas incoloro, inodoro, insípido, no tóxico, inerte monoatómico elemento químico que dirige el gas noble serie en la tabla periódica y cuyo número atómico es 2. Su punto de ebullición y de fusión puntos son los más bajos entre los elementos y sólo existe como un gas , excepto en condiciones extremas. También son necesarias condiciones extremas para crear el pequeño puñado de helio compuestos , que son todos inestables a temperatura y presión estándar. En su forma más común, helio-4, tiene dos neutrones en su núcleo, mientras que un segundo más raro,, isótopos estables llama helio-3 contiene sólo un neutrón. El comportamiento de dos fases fluidas de 4 de helio líquido, helio I y helio II, es importante para los investigadores que estudian la mecánica cuántica (en particular, el fenómeno de la superfluidez) y para aquellos que buscan en los efectos que las temperaturas cercanas al cero absoluto tienen sobre la materia (como la superconductividad ).

En 1868 el astrónomo francés Pierre Janssen primero detectado helio como un amarillo desconocido línea espectral firma a la luz de un eclipse solar . Desde entonces grandes reservas de helio se han encontrado en el campos de gas natural de la de Estados Unidos , que es con mucho el mayor proveedor de gas. Se utiliza en criogenia, en los sistemas de respiración de aguas profundas, para enfriar imanes superconductores, en helio citas, para inflar globos, para la prestación de ascensor en los dirigibles y como gas protector para muchos usos industriales (por ejemplo, soldadura por arco y crecientes silicio obleas). Un uso mucho menos grave es cambiar temporalmente el timbre y la calidad de la voz de uno por la inhalación de un pequeño volumen de gas (ver sección precauciones a continuación).

El helio es el segundo más abundante y segundo elemento más ligero en el universo conocido, y es uno de los elementos que se cree que se han creado en el Big Bang . En el universo moderna se crea casi todos los nuevos helio como resultado de la la fusión nuclear del hidrógeno en estrellas . En la Tierra de helio es raro, y casi la totalidad de lo que existe fue creado por el la desintegración radiactiva de elementos mucho más pesados ( las partículas alfa son núcleos de helio). Después de su creación, parte de ella fue atrapado con gas natural en concentraciones de hasta el 7% en volumen, de la que se extrae comercialmente por destilación fraccionada. Grandes reservas de helio se han encontrado en el campos de gas natural de los Estados Unidos (el mayor proveedor), pero el helio se conoce en las reservas de gas de algunos otros países.

Características notables

Fases de gas y plasma

El helio es el miembro menos reactiva de los gases nobles elementos, y por tanto también el menos reactivo de todos los elementos; es inerte y monoatómico en prácticamente todas las condiciones. Debido a la relativamente baja molar de helio (molecular) de masa, en la fase de gas que tiene una conductividad térmica, calor específico, y sonar la velocidad de conducción que son todos mayores que cualquier gas, excepto el hidrógeno . Por razones similares, y también debido al pequeño tamaño de sus moléculas, helio de velocidad de difusión a través de los sólidos es tres veces la del aire y alrededor de 65% de la del hidrógeno.

El helio es menos agua soluble que cualquier otro gas conocido, y el helio de índice de refracción está más cerca de la unidad que la de cualquier otro gas. El helio tiene un negativo Joule-Thomson coeficiente a temperaturas ambiente normales, lo que significa que se calienta cuando se permite que se expanda libremente. Sólo por debajo de su Joule-Thomson temperatura de inversión (de alrededor de 40 K a 1 atmósfera) hace que se enfríe en la expansión libre. Una vez enfriado previamente por debajo de esta temperatura, el helio puede licuarse mediante enfriamiento de expansión.

Tubo de descarga de helio con forma símbolo atómico del elemento

En todo el universo, el helio se encuentra sobre todo en un plasma estado cuyas propiedades son muy diferentes de helio atómico. En un plasma, los electrones y los protones de helio no están unidos entre sí, dando lugar a muy alta conductividad eléctrica, incluso cuando el gas se ioniza sólo parcialmente. Las partículas cargadas son altamente influenciados por los campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar junto con hidrógeno ionizado, que interactúan con la de la Tierra magnetosfera dando lugar a Corrientes y la Birkeland aurora.

Las fases sólidas y líquidas

El helio se solidifica sólo con gran fuerza. La resultante incoloro, casi invisible sólido es altamente compresible; la aplicación de presión en un laboratorio puede disminuir su volumen en más de un 30%. Con un módulo de volumen del orden de 5 × 10 ⁷ Pa es 50 veces más compresible que el agua. A diferencia de cualquier otro elemento, helio fallará para solidificar y seguir siendo un líquido hasta el cero absoluto a presiones normales. Este es un efecto directo de la mecánica cuántica: específicamente, la La energía de punto cero del sistema es demasiado elevado para permitir la congelación. Helio sólido requiere una temperatura de 1-1,5 K (aproximadamente -272 ° C o -457 ° F) y aproximadamente 25 bar (2,5 MPa) de presión. A menudo es difícil distinguir sólida de helio líquido ya que el índice de refracción de las dos fases son casi la misma. El sólido tiene un fuerte punto de fusión y tiene una cristalina estructura.

Helio sólido tiene una densidad de 0,214 ± 0,006 g / ml (1,15 K, 66 atm), con una media de compresibilidad isotérmica del sólido a 1,15 K entre el solidus y 66 atm de 0,0031 ± 0,0008 / atm. Además, no hay diferencia en la densidad se observó proyectos entre 1,8 y 1,5 K K. Esta datos que T = 0 helio sólido bajo 25 bar de presión (el mínimo requerido para congelar helio) tiene una densidad de 0,187 ± 0,009 g / ml.

Estado Helio I

Por debajo de su punto de ebullición de 4,22 kelvin y por encima de la punto de 2.1768 kelvin lambda, el isótopo helio-4 existe en un incoloro normal de líquido Estado, llamado helio yo. Al igual que otros líquidos criogénicos, helio I hierve cuando se calienta. También se contrae cuando su temperatura se baja hasta que alcanza la punto lambda, cuando deja de ebullición y de repente se expande. La tasa de expansión disminuye por debajo del punto lambda hasta que se alcanza alrededor de 1 K; en el que la expansión punto se detiene por completo y el helio que comienza a contraerse de nuevo.

Helio I tiene un gas similar índice de refracción de 1,026 lo que hace que su superficie tan difícil ver que flota de espuma de poliestireno se utiliza a menudo para mostrar donde la superficie es. Este líquido incoloro tiene un muy bajo viscosidad y una densidad de un octavo de la del agua, que es sólo un cuarto del valor esperado de la física clásica. La mecánica cuántica es necesaria para explicar esta propiedad y por lo tanto se llaman los dos tipos de helio líquido líquidos cuánticos, lo que significa que presentan propiedades atómicas en una escala macroscópica. Esto es probablemente debido a su punto de ebullición estar tan cerca de cero absoluto, lo que impide el movimiento molecular aleatorio ( calor ) a partir de enmascarar las propiedades atómicas.

Estado Helio II

El helio líquido por debajo de su punto de lambda comienza a exhibir características muy inusuales, en un estado llamado helio II. De ebullición del helio II no es posible debido a su alto conductividad térmica; entrada de calor en vez provoca la evaporación del líquido directamente a gas. El isótopo helio-3 también tiene una fase de superfluido, pero sólo a temperaturas mucho más bajas; Como resultado, se sabe menos sobre tales propiedades en el isótopo helio-3.

El helio II se arrastrará a lo largo de las superficies con el fin de encontrar su propio nivel; después de un corto periodo de tiempo, los niveles en los dos contenedores igualar. La Rollin película también cubre el interior del recipiente más grande; si no se sella, el helio II se desprendería y escapar.

El helio II es una superfluido, un estado de la mecánica cuántica de la materia con propiedades extrañas. Por ejemplo, cuando se circula a través de incluso los capilares de 10 ^-7 a 10 ^-8 m de ancho que no tiene medible viscosidad. Sin embargo, cuando las mediciones se realizaron entre dos discos en movimiento, se observó una viscosidad comparable a la de helio gaseoso. La teoría actual explica esto usando el modelo de dos fluidos para el helio II. En este modelo, el helio líquido por debajo del punto lambda es visto como que contiene una proporción de átomos de helio en una estado fundamental, que son superfluido y fluir con exactamente la viscosidad cero, y una proporción de átomos de helio en un estado excitado, que se comportan más como un fluido ordinario.

Helio II también presenta un efecto rastrero. Cuando una superficie se extiende más allá del nivel de helio II, las helio II se mueve a lo largo de la superficie, aparentemente contra la fuerza de la gravedad . El helio II se escapará de un recipiente que no esté sellado por arrastrándose a lo largo de los lados hasta que llega a una región más caliente donde se evapora. Se mueve en un 30 película-nm de espesor cualquiera de material de la superficie. Esta película se llama Película Rollin y lleva el nombre del primer hombre que caracteriza este rasgo, Bernard V. Rollin. Como resultado de este comportamiento se arrastra y la capacidad de helio II a gotear rápidamente a través de pequeñas aberturas, que es muy difícil de confinar helio líquido. A menos que el recipiente se construye con cuidado, el helio II se arrastrará a lo largo de las superficies y a través de válvulas hasta que llega a algún lugar más caliente, donde se evapora. Las ondas que se propagan a través de una película de Rollin se rigen por la misma ecuación que ondas de gravedad en aguas poco profundas, pero en lugar de la gravedad, la fuerza de restauración es la fuerza de Van der Waals . Estas ondas se conocen como tercer sonido.

En el efecto fuente, una cámara está construida que está conectado a un depósito de helio II por una disco sinterizado a través de los cuales las fugas de helio superfluido fácilmente, pero a través de la cual el helio no superfluido no pueden pasar. Si el interior del recipiente se calienta, los cambios de helio superfluido a helio superfluido no. A fin de mantener la fracción de equilibrio de helio superfluido, fugas de helio superfluido a través y aumenta la presión, haciendo que el líquido a fuente fuera del recipiente.

La conductividad térmica del helio II es mayor que la de cualquier otra sustancia conocida, un millón de veces la de helio I y varios cientos de veces mayor que la de cobre . Esto se debe a la conducción de calor se produce por un mecanismo mecánico-cuántico excepcional. La mayoría de los materiales que conducen bien el calor tienen una banda de valencia de electrones libres que sirven para transferir el calor. El helio II no tiene dicha banda de valencia, pero sin embargo conduce bien el calor. La flujo de calor se rige por las ecuaciones que son similares a la ecuación de onda utilizado para caracterizar la propagación del sonido en el aire. Así que cuando se introduce calor, se moverá a 20 metros por segundo a 1,8 K a través helio II como ondas en un fenómeno llamado segundo sonido.

Aplicaciones

Debido a su baja densidad y incombustibilidad, el helio es el gas de elección para llenar los dirigibles como el Goodyear dirigible, a diferencia de Hidrógeno

El helio se utiliza para muchos propósitos que requieren algunas de sus propiedades únicas, tales como su bajo punto de ebullición , de baja densidad , baja solubilidad , alto conductividad térmica, o inercia. El helio es comercialmente disponible, ya sea en forma líquida o gaseosa. Como un líquido, se puede suministrar en pequeños recipientes llamados termos que mantienen hasta 1.000 litros de helio, o en contenedores ISO grandes que tienen capacidades nominales tan grandes como 11.000 galones (41.637 litros). En forma gaseosa, pequeñas cantidades de helio se suministran en cilindros de alta presión con capacidad de hasta 300 pies cúbicos estándar, mientras que las grandes cantidades de gas de alta presión se suministran en remolques de tubos que tienen capacidades de hasta 180.000 pies cúbicos estándar.

• Porque es más ligero que el aire, dirigibles y globos son inflados con helio para ascensor. En dirigibles, se prefiere helio sobre hidrógeno porque no es inflamable y tiene 92.64% de la flotabilidad (o potencia de elevación) de la alternativa de hidrógeno (véase cálculo.)

• Por su baja solubilidad en agua, la mayor parte de los humanos de sangre , mezclas de helio con oxígeno y nitrógeno ( trimix), con sólo oxígeno ( heliox), con aire común ( Heliair), y con hidrógeno y oxígeno ( hydreliox), se utilizan en sistemas de respiración de aguas profundas para reducir el riesgo de alta presión de narcosis de nitrógeno.

• A temperaturas extremadamente bajas, helio líquido se utiliza para enfriar ciertos metales para producir la superconductividad , como en imanes superconductores utilizados en imagen de resonancia magnética. El helio a bajas temperaturas también se utiliza en criogenia.

• Para su inercia y de alta conductividad térmica, de neutrones transparencia, y debido a que no forma isótopos radiactivos en condiciones de reactor, el helio se utiliza como refrigerante en algunos reactores nucleares, tales como reactores de lecho de bolas.

• El helio se utiliza como una gas de protección en arco procesos de soldadura en materiales que están contaminados fácilmente por vía aérea. Es especialmente útil en soldadura por encima, porque es más ligero que el aire y por lo tanto flota, mientras que otros gases de protección se hunden.

• Debido a que es inerte, el helio se utiliza como gas de protección en el crecimiento de silicio y germanio cristales, en titanio y de circonio producción, en cromatografía de gases, y como una atmósfera para la protección de documentos históricos. Esta propiedad también lo hace útil en supersónico túneles de viento.

• En cohetes, el helio se utiliza como una medio espacio vacío para desplazar combustible y oxidantes en tanques de almacenamiento y se condense de hidrógeno y oxígeno para hacer combustible para cohetes. También se utiliza para purgar el combustible y oxidante de los equipos de apoyo en tierra antes del lanzamiento y pre-cool de hidrógeno líquido en vehículos espaciales. Por ejemplo, el Saturno V de refuerzo utilizado en el Programa Apolo necesitó cerca de 13 millones de pies cúbicos (370.000 m³) de helio para lanzar.

• La de ganancia media de la láser de helio-neón es una mezcla de helio y neón .

• Porque difunde a través de los sólidos a una velocidad tres veces la del aire, helio se utiliza como gas trazador para detectar fugas en los equipos de alto vacío y recipientes de alta presión, así como en otras aplicaciones con requisitos menos estrictos, tales como intercambiadores de calor, válvulas, paneles de gas, etc.

• Debido a su extremadamente baja índice de refracción, el uso de helio reduce los efectos distorsionadores de las variaciones de temperatura en el espacio entre lentes en algunos telescopios .

• La edad de las rocas y los minerales que contienen uranio y torio , elementos radiactivos que emiten llamados núcleos de helio partículas alfa, pueden ser descubiertos mediante la medición del nivel de helio con un proceso conocido como helio citas.

• La alta conductividad térmica y la velocidad del sonido del helio es también deseable en refrigeración termoacústico. La inercia del helio se suma a la ventaja ambiental de esta tecnología sobre los sistemas de refrigeración convencionales que pueden contribuir al agotamiento del ozono y los efectos del calentamiento global.

• Debido a que el helio solo es menos denso que el aire atmosférico, que va a cambiar la timbre (no tono) de la voz de una persona cuando se inhala. Sin embargo, la inhalación de una fuente comercial típico, tal como el utilizado para llenar globos, puede ser peligroso debido al riesgo de asfixia por falta de oxígeno, y el número de contaminantes que pueden estar presentes. Estos podrían incluir pequeñas cantidades de otros gases, además de aerosol de aceite lubricante.

Historia

Los descubrimientos científicos

Evidencia de helio se detectó por primera vez en 18 de agosto de 1868 como una línea de color amarillo brillante con un longitud de onda de 587,49 nanómetros de la espectro de la cromosfera del Sol , por el astrónomo francés Pierre Janssen durante un total eclipse solar en Guntur, India . Esta línea se supuso inicialmente que de sodio . El 20 de octubre del mismo año, el astrónomo Inglés Norman Lockyer observó una línea amarilla en el espectro solar, que llamó la D ₃ línea, porque estaba cerca de las conocidas D ₁ y D ₂ líneas de sodio, y concluyó que no fue causada por un elemento de lo desconocido Sol en la Tierra. Él y el químico Inglés Edward Frankland nombrado el elemento con la palabra griega para el Sol, ἥλιος (helios)

En 26 de marzo de 1895 el químico británico William Ramsay aisló el helio en la Tierra mediante el tratamiento del mineral cleveite con minerales ácidos . Ramsay estaba buscando argón pero, después de la separación de nitrógeno y de oxígeno del gas liberado por el ácido sulfúrico , notado una línea de color amarillo brillante que coincidió con la línea D ₃ observado en el espectro de la dom Estas muestras fueron identificadas como el helio por Lockyer y físico británico William Crookes. Fue aislado independientemente de cleveite el mismo año por los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet en Uppsala, Suecia, que recogió suficiente del gas para determinar con precisión su peso atomico. Helio también fue aislado por el geoquímico estadounidense William Francis Hillebrand antes del descubrimiento de Ramsay cuando notó las líneas espectrales inusuales mientras prueba una muestra del mineral uraninita. Hillebrand, sin embargo, atribuyó las líneas de nitrógeno. Su carta de felicitación a Ramsay ofrece un interesante caso de descubrimiento y casi descubrimiento en la ciencia.

En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que Las partículas alfa son helio núcleos , por lo que les permite penetrar la pared de vidrio delgada de un tubo de vacío, entonces la creación de una descarga en el tubo para estudiar los espectros del nuevo gas en el interior. En 1908, el helio se licuó por primera vez por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes por el enfriamiento del gas a menos de un kelvin . El tratado de solidificar al reducir aún más la temperatura pero no, porque el helio no tiene una la temperatura del punto triple donde los, líquido, gas y fases sólidas están en equilibrio. Se consolidó por primera vez en 1926 por su alumno Willem Hendrik Keesom sometiendo helio a 25 atmósferas de presión.

En 1938, el físico ruso Pyotr Leonidovich Kapitsa descubrió que helio-4 (un bosón) casi no tiene viscosidad a temperaturas cercanas al cero absoluto , un fenómeno que ahora se llama superfluidez. Este fenómeno está relacionado con La condensación de Bose-Einstein. En 1972, el mismo fenómeno se observó en helio-3, pero a temperaturas mucho más cerca de cero absoluto , por los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee, y Robert C. Richardson. El fenómeno en el helio-3 se cree que está relacionada con emparejamiento de helio-3 fermiones hacer bosones, en analogía con Pares de Cooper de electrones que producen la superconductividad .

Extracción y usos

Después de una operación de perforación de petróleo en 1903 en Dexter, Kansas, Estados Unidos produjo un géiser de gas que no se queme, geólogo del estado de Kansas Erasmus Haworth recogió muestras de gases de escape y los llevó de vuelta a la Universidad de Kansas en Lawrence, donde, con la ayuda de los químicos Hamilton Cady y David McFarland, descubrió que contenía el gas, en volumen, 72% de nitrógeno, 15% de metano-insuficiente para hacer que el gas combustible, 1% de hidrógeno y 12% de un gas no identificable. Con más análisis, Cady y McFarland descubrieron que 1,84% de la muestra de gas era helio. Lejos de ser un elemento raro, helio estaba presente en grandes cantidades en virtud de los americanos Grandes Llanuras, disponible para la extracción de gas natural.

Esto puso a la de Estados Unidos en una excelente posición para convertirse en el principal proveedor del mundo de helio. Tras una sugerencia de Sir Richard Threlfall, la Marina de Estados Unidos patrocinó tres pequeñas plantas de producción de helio experimentales durante la Primera Guerra Mundial . El objetivo era suministrar globos de barrera con el gas de elevación no inflamable. Un total de 200.000 pies cúbicos (5.700 m³) de 92% de helio se produce en el programa a pesar de que se habían obtenido previamente sólo unos pocos pies cúbicos (menos de 100 litros) de gas. Parte de este gas se utilizó en primera lleno de helio del mundo dirigible , C-7 de la Armada estadounidense, que voló su viaje inaugural desde Hampton Roads, Virginia Bolling Field de Washington, DC en 01 de diciembre 1921 .

Aunque el proceso de extracción, el uso de licuefacción de gas a baja temperatura, no se ha desarrollado en el tiempo para ser significativo durante la Primera Guerra Mundial, continuó la producción. El helio se utiliza principalmente como un gas de elevación en más ligero que el aire de artesanía. Este uso creciente demanda durante la Segunda Guerra Mundial, así como las demandas de arco blindado de soldadura . Helio también fue vital en la bomba atómica Proyecto Manhattan.

La gobierno de los Estados Unidos creó la Reserva Nacional de helio en 1925 en Amarillo, Texas, con el objetivo de suministrar militares aeronaves en tiempo de guerra y aeronaves comerciales en tiempos de paz. Debido a un embargo militar de Estados Unidos contra Alemania, que restringe los suministros de helio, los Hindenburg se vio obligado a utilizar el hidrógeno como gas de elevación. El uso de helio tras la Segunda Guerra Mundial estaba deprimido, pero la reserva se amplió en la década de 1950 para asegurar un suministro de helio líquido como refrigerante para crear oxígeno / hidrógeno combustible para cohetes (entre otros usos) durante la carrera espacial y la Guerra Fría . El uso de helio en los Estados Unidos en 1965 era más de ocho veces el consumo en tiempos de guerra pico.

Después de los "Actos de helio Enmiendas de 1960" (Ley 86-777 Pública), la EE.UU. Oficina de Minas organizó cinco plantas privadas para recuperar helio a partir de gas natural. Para este programa de conservación de helio, la Oficina construyó una de 425 millas (684 km) de tuberías de Bushton, Kansas para conectar esas plantas con campo de gas de Cliffside parcialmente empobrecido del gobierno, cerca de Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio y nitrógeno se inyecta y se almacena en el campo de gas Cliffside hasta que sea necesario, cuando a continuación se purificó adicionalmente.

En 1995, mil millones de metros cúbicos de gas se habían recogido y la reserva fue de US $ 1,4 mil millones en deuda, lo que provocó el Congreso de los Estados Unidos en 1996 para eliminar la reserva. La "Ley de helio Privatización de 1996" resultante (Ley Pública 104-273) dirigió la Departamento del Interior de los Estados Unidos para iniciar la liquidación de la reserva para el año 2005.

El helio producida antes de 1945 era aproximadamente 98% puro (2% de nitrógeno ), que era adecuada para aeronaves. En 1945 se produjo una pequeña cantidad de 99.9% de helio para la soldadura de uso. Por 1949 cantidades comerciales de grado A helio 99,995% estaban disponibles.

Durante muchos años los Estados Unidos produjo más de 90% de helio comercialmente utilizable en el mundo. Plantas de extracción creadas en Canadá , Polonia , Rusia y otros países produjeron el helio restante. A mediados de 1990, una nueva planta de Arzew, Argelia 600mmcf producir entró en funcionamiento, con suficiente producción para cubrir la totalidad de la demanda de Europa. Posteriormente, en 2004-2006 dos plantas adicionales, una en Ras Laffen, Qatar y el otro en Skikda, Argelia fueron construidos, pero a principios de 2007, Ras Laffen está funcionando al 50%, y Skikda aún no ha sido puesta en marcha. Argelia se convirtió rápidamente en el segundo productor líder de helio. A través de este tiempo, tanto el consumo de helio y los costos de producción de helio y se incrementaron durante el año 2007 los principales proveedores, Air Liquide, Airgas y Praxair todos levantaron los precios de 10 a 30%.

Ocurrencia y producción

Abundancia natural

El helio es el segundo elemento más abundante en el Universo conocido después de hidrógeno y constituye el 23% de lo elemental de masa del universo. Se concentra en estrellas, donde se forma a partir de hidrógeno por el la fusión nuclear de la protón-protón reacción en cadena y Ciclo CNO. De acuerdo con el Big Bang modelo de principios del desarrollo del universo, se formó la gran mayoría de helio durante Gran nucleosíntesis Bang, de uno a tres minutos después del Big Bang. Como tal, las mediciones de su abundancia contribuyen a modelos cosmológicos.

En la atmósfera de la Tierra , la concentración de helio en volumen es de sólo 5.2 partes por millón. La concentración es baja y bastante constante a pesar de la continua producción de nuevo helio porque la mayoría de helio en la atmósfera de la Tierra escapa al espacio por varios procesos. En terrestre heterosfera , una parte de la atmósfera superior, helio y otros gases más ligeros son los elementos más abundantes.

Casi todo el helio en la Tierra es el resultado de la desintegración radiactiva. La producto de la desintegración se encuentra principalmente en minerales de uranio y torio , incluyendo cleveites, pechblenda, carnotita y monacita, porque emiten partículas alfa, que consisten en núcleos de helio (He ²⁺⁾ a la que los electrones se combinan fácilmente. De esta manera se estima que 3,4 litros de helio al año se generan por kilómetro cúbico de la corteza terrestre. En la corteza terrestre, la concentración de helio es de 8 partes por billón. En el agua de mar, la concentración es de sólo 4 partes por billón. También hay pequeñas cantidades de minerales manantiales, volcánica de gas, y de hierro meteórico. Las mayores concentraciones en el planeta están en gas natural , del que se deriva la mayoría de helio comercial.

Suministro de helio del mundo puede estar en peligro, según Universidad de Washington en St. Louis químico Lee Sobotka. La mayor reserva es en Texas y se acabaría en ocho años si se consume al ritmo actual. El helio es no renovable e insustituible por métodos convencionales.

Extracción Moderno

Para el uso a gran escala, el helio se extrae por destilación fraccionada a partir de gas natural , que contiene hasta 7% de helio. Puesto que el helio tiene un punto de ebullición más bajo que cualquier otro elemento, baja temperatura y alta presión se utilizan para licuar casi todos los otros gases (principalmente nitrógeno y metano ). El gas helio crudo resultante se purifica por exposiciones sucesivas a temperaturas de bajada, en la que casi todo el nitrógeno restante y otros gases se precipitan fuera de la mezcla gaseosa. El carbón activado se utiliza como una etapa de purificación final, por lo general resulta en 99,995% de pureza, grado-A, de helio. La impureza principal en Grado-A helio es de neón . En una etapa de producción final, la mayor parte del helio que se produce es licuado a través de una proceso criogénico. Esto es necesario para aplicaciones que requieren helio líquido y también permite que los proveedores de helio para reducir el costo del transporte de larga distancia, como los recipientes más grandes de helio líquido tienen más de cinco veces la capacidad de las mayores remolques tubo de helio gaseoso.

En 2005, aproximadamente ciento sesenta millones de metros cúbicos de helio se extrajeron a partir de gas natural o retiradas de las reservas de helio, con aproximadamente el 83% de Estados Unidos, el 11% de Argelia, y la mayoría del resto de Rusia y Polonia. En los Estados Unidos, la mayoría de helio se extrae del gas natural en Kansas y Texas.

Difusión de gas natural crudo a través especial membranas semipermeables y otras barreras es otro método para recuperar y purificar el helio. El helio puede ser sintetizado por bombardeo de litio o boro con alta velocidad protones , pero esto no es un método económicamente viable de producción.

Isótopos

Aunque hay ocho conocidos isótopos de helio, sólo helio-3 y helio-4 son estables . En la atmósfera de la Tierra, no es uno de He-3 átomo por cada millón de He-4 átomos. Sin embargo, el helio es inusual, ya que su abundancia isotópica varía mucho dependiendo de su origen. En el medio interestelar, la proporción de He-3 es de alrededor de un centenar de veces mayor. Las rocas de la corteza terrestre tienen proporciones de isótopos varía hasta en un factor de diez; este se utiliza en la geología para estudiar el origen de tales rocas.

El isótopo más común, el helio-4, se produce en la Tierra por desintegración alfa de elementos radiactivos más pesados; la las partículas alfa que emergen se ionizan completamente helio-4 núcleos. Helio-4 es un núcleo inusualmente estable debido a su nucleones se organizan en conchas completas. También se formó en enormes cantidades durante Nucleosíntesis del Big Bang.

El enfriamiento por evaporación de helio-4 líquido, en una llamada 1-K olla, se enfría el líquido a alrededor de 1 kelvin . En un helio-3 refrigerador, el enfriamiento similar de helio-3, que tiene un punto de ebullición más bajo, alcanza una temperatura de alrededor de 0,2 kelvin. Mezclas iguales de helio-3 líquido y helio-4 por debajo de 0,8 K se separará en dos fases inmiscibles, debido a su diferencia (que siguen diferentes estadística cuántica: helio-4 átomos son bosones mientras helio-3 átomos son fermiones). Refrigeradores de dilución se aprovechan de la inmiscibilidad de estos dos isótopos para lograr temperaturas de unos pocos millikelvins.

Sólo hay una pequeña cantidad de helio-3 en la Tierra, principalmente presente desde la formación de la Tierra, aunque algunas caídas a la Tierra atrapados en el polvo cósmico. Cantidades traza también son producidos por el desintegración beta de tritio. En estrellas , sin embargo, el helio-3 es más abundante, un producto de fusión nuclear. Material de extraplanetario, como lunar y asteroides regolito, tienen pequeñas cantidades de helio-3 de ser bombardeado por vientos solares. La Luna superficie 's contiene helio-3 en concentraciones del orden de 0,01 ppm. Un número de personas, empezando por Gerald Kulcinski en 1986, han propuesto explorar la luna, el regolito lunar mina y utilizar el helio-3 para de fusión.

Los diferentes procesos de formación de los dos isótopos estables de helio producen las abundancias isotópicas diferentes. Estas abundancias isotópicas diferentes se pueden utilizar para investigar el origen de las rocas y la composición de la Tierra manto.

Es posible producir isótopos de helio exóticas, que se desintegran rápidamente en otras sustancias. El isótopo helio pesada corto vivido es el helio-5 con una vida media de 7,6 × 10 ^-22 segundos. Helio-6 desintegra emitiendo una partícula beta y tiene una vida media de 0,8 segundos. Helio-7 también emite una partícula beta, así como una rayos gamma. Hyperfragments helio-7 y de helio-8 se que se crean en cierta reacciones nucleares.

Se desconocen las exóticas helio-6 y el helio-8 para exhibir una de halo nuclear. Helio-2 (dos protones, neutrones no) es un radioisótopo de helio que se desintegra emisión de protón en protium (hidrógeno) con una vida media de 3x10 ^-27 segundos.

Efectos biológicos

La voz de una persona que ha inhalado helio temporalmente sonidos agudos. Esto es porque el velocidad del sonido en el helio es casi tres veces la velocidad del sonido en el aire. Porque el frecuencia fundamental de una cavidad llena de gas es proporcional a la velocidad del sonido en el gas, cuando se inhala helio hay un aumento correspondiente en el frecuencias de resonancia de la tracto vocal. (El efecto opuesto, la reducción de frecuencias, se puede obtener por la inhalación hexafluoruro de azufre)

La inhalación de helio, por ejemplo, para producir el efecto vocal, puede ser peligroso si se hace en exceso ya que el helio es un simple asfixiante, por lo que desplaza el oxígeno necesario para el normal la respiración. Muerte por asfixia resultará en cuestión de minutos si helio puro se respira continuamente. En los mamíferos (con la notable excepción de sellos y muchos animales de madriguera) el reflejo de la respiración se activa por el exceso de dióxido de carbono en lugar de la falta de oxígeno, por lo que la asfixia por el helio progresa sin que la víctima experimenta falta de aire. La inhalación de helio directamente desde cilindros presurizados es extremadamente peligroso ya que la alta velocidad de flujo puede dar lugar a barotrauma, fatalmente ruptura tejido pulmonar.

Helio neutro en condiciones normales no es tóxico, no juega ningún papel biológico y se encuentra en pequeñas cantidades en la sangre humana. A presiones altas (más de aproximadamente 20 atm o dos MPa), una mezcla de helio y oxígeno ( heliox) puede llevar a síndrome nervioso de alta presión, una especie de efecto anestésico-inversa; adición de una pequeña cantidad de nitrógeno a la mezcla puede aliviar el problema.

Los contenedores de gas helio en 5 a 10 K deben manipularse como si contienen helio líquido debido a la rápida y significativa la expansión térmica que se produce cuando el gas de helio a menos de 10 K se calienta a temperatura ambiente.

Compuestos

El helio es químicamente no reactivo bajo todas las condiciones normales debido a su valencia de cero. Es un aislante eléctrico a menos ionizado . Como con los otros gases nobles, el helio tiene metaestable los niveles de energía que permiten que permanezca ionizado en una descarga eléctrica con una tensión por debajo de su potencial de ionización. El helio puede formar inestables compuestos con tungsteno , yodo , flúor , azufre y fósforo cuando se somete a una descarga luminiscente eléctrica, a través de bombardeo de electrones o de otra manera es un plasma . He-Ne, HgHe _10, Whe ₂ y los iones moleculares Heb ₂ ^+, El ₂ ^2+, HeH ⁺ y Hed ⁺ haber sido creado de esta manera. Esta técnica también ha permitido la producción de la molécula neutra Él ₂ , que tiene un gran número de sistemas de banda, y HgHe, que está aparentemente sólo mantienen unidos por fuerzas de polarización. Teóricamente, otros compuestos también pueden ser posibles, tales como fluorohydride helio (HHeF), que sería análoga a Harf, descubierto en 2000.

El helio se ha puesto el interior de los huecos moléculas de jaula de carbono (los fullerenos) por calentamiento a alta presión del gas. Las moléculas neutras formadas son estables a altas temperaturas. Cuando se forman derivados químicos de estos fulerenos, el helio permanece en el interior. Si Se utiliza helio-3, se puede observar fácilmente por espectroscopía de RMN helio. Se han reportado muchos fulerenos que contienen helio-3. Aunque los átomos de helio no están unidos por enlaces covalentes o iónicos, estas sustancias se ajustan a la definición de los compuestos en el Handbook of Chemistry and Physics . Ellos son los primeros compuestos de helio neutro estables que se formaron.