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Helio

helio - Wikilingue - Encydia

Helio
HidrógenoHelioLitio
-
  Hexagonal.svg
 
2
Tenho
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tenho
Neón
Tabela completaTabela estendida
Informação geral
Nome, símbolo, número Helio, Tenho, 2
Série química Gases nobres
Grupo, período, bloco 18, 1, p
Densidade 0,1785 kg/m3
Dureza Mohs {{{dureza}}}
Aparência Incoloro
He,2.jpg
N° CAS {{{CAS}}}
N° EINECS {{{EINECS}}}
Propriedades atómicas
Massa atómica 4,0026 ou
Rádio médio pm
Rádio atómico (calc) 31 pm (Rádio de Bohr)
Rádio iónico {{{rádio_iónico}}}
Rádio covalente 32 pm
Rádio de vão der Waals 140 pm
Configuração electrónica 1ss
Elétrons por nível de energia 2
Estado(s) de oxidación 0 (desconhecido)
Óxido {{{óxido}}}
Estrutura cristalina hexagonal
Propriedades físicas
Estado ordinário Gás
Ponto de fusão 0,95 K
Ponto de ebullición 4,22 K
Ponto de inflamabilidad {{{P_inflamabilidad}}} K
Entalpía de vaporización 0,0845 kJ/mol
Entalpía de fusão 5,23 kJ/mol
Pressão de vapor {{{pressão_vapor}}}
Temperatura crítica {{{T_crítico}}} K
Pressão crítica {{{P_crítico}}} Pa
Volume molar {{{volume_molar}}} m3/mol
Velocidade do som 970 m/s a 293.15 K (20 °C)
Vários
Electronegatividad (Pauling) Sem dados
Calor específico 5193 J/(K·kg)
Conductividad eléctrica Sem dados S/m
Conductividad térmica 0,152 W/(K·m)
1.ª Energia de ionización 2372,3 kJ/mol
2.ª Energia de ionización 5250,5 kJ/mol
3.ª Energia de ionización {{{E_ionización3}}} kJ/mol
4.ª Energia de ionización {{{E_ionización4}}} kJ/mol
5.ª Energia de ionización {{{E_ionización5}}} kJ/mol
6.ª Energia de ionización {{{E_ionización6}}} kJ/mol
7.ª Energia de ionización {{{E_ionización7}}} kJ/mol
8.ª Energia de ionización {{{E_ionización8}}} kJ/mol
9.ª Energia de ionización {{{E_ionización9}}} kJ/mol
10.ª Energia de ionización {{{E_ionización10}}} kJ/mol
Isótopos mais estáveis
iso AN Período MD Ed PD
MeV
3Tenho0,000137Estável com 1 neutrón
4Tenho99,999863Estável com 2 neutrones
6TenhoSintético806,7 msβ-3,5086Li
Nota: unidades segundo o SE e em CNPT, salvo indicação contrária.

O helio é um elemento químico de número atómico 2, símbolo Tenho e peso atómico regular de 4,0026. Situa-se-lhe no grupo 18 da tabela periódica dos elementos, já que ao ter o nível de energia completo apresenta as propriedades de um gás nobre. Isto é, é inerte (não reage) e ao igual que estes, é um gás monoatómico incoloro e inodoro. O helio tem o menor ponto de ebullición de todos os elementos químicos e só pode ser solidificado baixo pressões muito grandes.

Durante um eclipse solar em 1868, o astrónomo francês Pierre Janssen observou uma linha espectral amarela na luz solar que até esse momento era desconhecida. Norman Lockyer observou o mesmo eclipse e propôs que dita linha era produzida por um novo elemento, ao qual chamou helio, com o qual, tanto a Lockyer como a Janssen se lhes adjudicó a descoberta deste elemento. Em 1903 encontraram-se grandes reservas de helio em campos de gás natural nos Estados Unidos, país com a maior produção de helio no mundo.

Industrialmente o helio usa-se em criogenia (sendo seu principal uso, o que representa ao redor de 28% da produção mundial), na referigeração de ímans superconductores. Entre estes usos, a aplicação mais importante é nos escáneres de ressonância magnética. Também se utiliza como protecção para a solda por arco e outros processos, como o crescimento de cristais de silício, os quais representam o 20% de seu uso para o primeiro caso e o 26% para o segundo. Outros usos menos frequentes, ainda que popularmente conhecidos, são o enchido de balões e dirigibles, ou seu emprego como componente das misturas de ar usadas no mergulho a grande profundidade.[1] O inhalar uma pequena quantidade de helio gera uma mudança na qualidade e o timbre da voz humana. Na investigação científica, o comportamento do helio-4 em forma líquida em suas duas fases, helio I e helio II, é importante para os cientistas que estudam a mecânica cuántica (em especial, o fenómeno da superfluidez), bem como para aqueles que desejam conhecer os efeitos ocorridos na matéria a temperaturas próximas ao zero absoluto (como o caso da superconductividad).

O helio é o segundo elemento mais ligeiro e o segundo mais abundante no universo observable, constituindo o 24% da massa dos elementos presentes em nossa galaxia. Esta abundância encontra-se em proporções similares no Sol e em Júpiter. Por massa encontra-se em uma proporção doze vezes maior à de todos os elementos mais pesados juntos. A presença tão frequente do helio é devida a elevada energia de enlace por nucleón do helio-4 com respeito aos três elementos que lhe seguem na tabela periódica (litio, berilio e boro). Esta energia dá como resultado a produção frequente de helio tanto na fusão nuclear como na desintegração radioactiva. A maior parte do helio no universo encontra-se presente à forma do isótopo helio-4 (4Tenho), o qual se acha que se formou uns 15 minutos após o Big Bang. Graças à fusão de hidrógeno nas estrelas activas, forma-se uma pequena quantidade de helio novo, excepto nas de maior massa, como durante as etapas finais de sua vida geram sua energia convertendo o helio em elementos mais pesados. Na atmosfera da Terra encontram-se traças de helio devido à desintegração radioactiva de alguns elementos. Em alguns depósitos naturais o gás encontra-se em quantidade suficiente para a exploração.

Na Terra, a ligereza de helio tem provocado sua evaporación da nuvem de gás e pó a partir da qual se formou o planeta, pelo que é relativamente pouco frequente —com uma fracção de 0,00052 por volume— na atmosfera terrestre. O helio presente à Terra hoje em dia tem sido criado em sua maior parte pela desintegração radiactiva natural dos elementos radioactivos pesados (torio e urânio), como as partículas alfa emitidas em ditos processos constam de núcleos de helio-4. Este helio radiogénico é atrapado junto com o gás natural em concentrações de até o 7% por volume, do que se extrai comercialmente por um processo de separação a baixa temperatura chamado destilación fraccionada.

Conteúdo

Características principais

Apesar de que a configuração electrónica do helio é 1s2, não figura no grupo 2 da tabela periódica dos elementos, junto ao hidrógeno no bloco s, senão que se coloca no grupo 18 do bloco p, já que ao ter o nível de energia completo apresenta as propriedades de um gás nobre.

Em condições normais de pressão e temperatura o helio é um gás monoatómico não inflamável, se podendo licuar só em condições extremas (de alta pressão e baixa temperatura).

Tem o ponto de solidificación mais baixo de todos os elementos químicos, sendo o único líquido que não pode solidificarse baixando a temperatura, já que permanece em estado líquido no zero absoluto a pressão normal. De facto, sua temperatura crítica é de tão só 5,19K ou -267,96 graus centígrados. Os sólidos compostos por 3 Tenho e 4Tenho são os únicos nos que é possível, incrementando a pressão, reduzir o volume mais de 30%. O calor específico do gás helio é muito elevado e o helio vapor muito denso, expandindo-se rapidamente quando se aquece a temperatura ambiente.

O helio sólido só existe a pressões da ordem de 100 MPa a 15 K (-258,15 °C). Aproximadamente a essa temperatura, o helio sofre uma transformação cristalina, de uma estrutura cúbica centrada nas caras a uma estrutura hexagonal compacta. Em condições mais extremas (3 K, ainda que pressões de 3 MPa) produz-se uma nova mudança, empacotando-se os átomos em uma estrutura cúbica centrada no corpo. Todos estes empaquetamientos têm energias e densidades similares, se devendo as mudanças à forma na que os átomos interactúan.[2]

O átomo de helio

O helio na mecânica cuántica

O helio é um elemento químico cujo átomo é o mais simples de resolver utilizando as regras da mecânica cuántica após o átomo de hidrógeno. O helio compõe-se de dois elétrons em órbita ao redor de um núcleo que contém dois protones junto com um ou dois neutrones, dependendo do isótopo. No entanto, como na mecânica newtoniana, nenhum sistema que consista a mais de duas partículas se pode resolver com um enfoque de análise matemático exacto (se veja problema dos três corpos) e o helio não é a excepção. Assim, os métodos matemáticos são necessários, inclusive para resolver o sistema de um núcleo e dois elétrons. No entanto, tais métodos da química computacional utilizaram-se para criar uma imagem mecânico cuántica das uniões dos elétrons de helio com uma precisão dentro de 2% do valor correcto, com uns poucos passos de cálculo computacional.[3] Nestes modelos observa-se que a cada elétron evita parcialmente que o outro senta a interacção com o núcleo, de tal maneira que o ónus nuclear efectiva Z é de aproximadamente 1,69 unidades, e não as 2 ónus de um "núcleo nu" clássico de helio.

O átomo de hidrógeno utiliza-se amplamente para ajudar a resolver o átomo de helio. O modelo atómico de Bohr deu uma explicação muito precisa do espectro do átomo de hidrógeno, mas quando se tentou utilizar no helio o modelo falhou. Werner Heisenberg desenvolveu uma modificação da análise de Bohr, no que utilizou valores semiintegrados dos números cuánticos. A teoria do funcional da densidade utiliza-se para obter os níveis de energia em seu estado baseie do átomo de helio, junto com o método de Hartree-Fock.

A relativa estabilidade do núcleo do helio-4 e sua capa de elétrons

O núcleo do átomo de helio-4, que é exactamente igual a uma partícula alfa,[4] é particularmente interessante. A razão disto se deve a que experimentos de dispersión de elétrons de alta energia têm mostrado que seu ónus decrece de forma exponencial a partir de um máximo em seu ponto central, exactamente da mesma maneira em que decrece a densidade de ónus em sua própria nuvem de elétrons. Esta simetría reflete princípios físicos similares: o par de neutrones e de protones no núcleo do helio obedecem as mesmas regras mecânico-cuánticas que os dois elétrons que o orbitam —ainda que a união das partículas no núcleo se deve a um potencial diferente ao que mantém aos elétrons na nuvem ao redor do átomo—. Desta maneira, estes fermiones (isto é, tanto protones como elétrons e neutrones) ocupam completamente os orbitais 1s em pares, nenhum deles possui momento angular orbital e a cada um deles cancela o espín intrínseco do outro. O acrescentar outra de qualquer destas partículas requereria momento angular e libertaria substancialmente menos energia (de facto, nenhum núcleo com cinco nucleones é estável). Por esta razão, este arranjo para estas partículas é extremamente estável energeticamente, e dita estabilidade dá lugar a muitos fenómenos cruciais inherentes ao helio na natureza.

Erro ao criar miniatura:
Energia de enlace por nucleón para isótopos comuns. No helio esta energia é significativamente maior que nos núclidos adjacentes.

Como exemplo destes factos devidos à alta estabilidade da configuração electrónica do helio está a baixa reactividad química deste elemento (a mais baixa de toda a tabela periódica), bem como a falta de interacção de suas átomos entre eles mesmos. Isto produz os pontos de fusão e de ebullición mais baixos de todos os elementos. Da mesma maneira, a estabilidade energética do núcleo de helio-4 dá lugar a uma fácil produção destes em reacções atómicas que envolvem tanto emissão de partículas pesadas como fusão nuclear. Certa quantidade de helio-3 estável produz-se em reacções de fusão a partir do hidrógeno, mas é uma fracção muito menor comparada com o helio-4. A estabilidade do helio-4 é a razão pela qual o hidrógeno se converte nesta forma de helio no Sol, em vez de helio-3, deuterio ou outros elementos mais pesados. Assim mesmo é parcialmente responsável pelo facto de que a partícula alfa é por muito o tipo de partícula bariónica mais comummente expelida pelos núcleos atómicos. Dito de outra maneira, a desintegração alfa é bem mais comum que a desintegração em núcleos mais pesados.[5]

A incomum estabilidade do helio-4 é importante também em cosmología . Nos primeiros minutos após o Big Bang, o universo estava composto por uma mistura de nucleones (protones e neutrones) livres. Esta «sopa» tinha originalmente uma proporção de seis protones pela cada neutrón, e após um tempo arrefeceu-se no ponto tal que se pôde dar a fusão nuclear.[6] A estabilidade do helio provocou que quase todas as agregaciones de nucleones formadas nesse momento fossem núcleos de helio-4. A união de protones e neutrones para formar helio-4 tem tanta força que, de facto, a produção deste elemento consumiu quase todos os neutrones livres em matéria de minutos, dantes de que ditos núcleos pudessem decaer por desintegração beta. Isto deixou uma quantidade muito pequena destas partículas para que se pudesse formar litio, berilio ou boro. O enlace nuclear pela cada nucleón no helio-4 é mais forte que em qualquer destes três elementos (se veja nucleogénesis e energia de enlace). Portanto, não tinha nenhum mecanismo energético disponível, uma vez que se teve formado o helio, para criar os elementos de número atómico 3, 4 e 5. Em termos de energia, também era favorável a fusão do helio para formar o seguinte elemento na tabela periódica com menor energia por nucleón: o carbono. Não obstante, devido à falta de elementos intermediários, este processo requeria a colisão quase simultânea de três núcleos de helio-4 (veja-se processo triplo-alfa), pelo que não teve suficiente tempo para que o carbono se formasse no Big Bang: em matéria de minutos, o universo cedo arrefeceu-se a uma temperatura e pressão nas quais a fusão de helio a carbono já não foi possível. Isto ocasionou que o universo cedo possuísse um cociente hidrógeno/helio muito similar ao observado actualmente (em massa, três partes de hidrógeno por uma de helio-4), com quase todos os neutrones do universo —como é o caso hoje em dia— atrapados dentro dos núcleos de helio-4.

Todos os elementos mais pesados —incluindo aqueles que se precisam para formar planetas rocosos como a Terra e para a existência de vida baseada no carbono— tiveram que se criar posteriormente, em estrelas o suficientemente quentes para queimar não só hidrógeno —dado que isto somente produz mais helio— senão o mesmo helio. Ditas estrelas são em massa e, portanto, raras. O anterior dá lugar ao facto de que todos os elementos químicos, aparte do hidrógeno e o helio, componham somente o 2% da massa em forma de átomos do universo. O helio-4, por sua vez, constitui cerca do 23% de toda a matéria ordinária do universo, isto é, praticamente toda a matéria ordinária que não é hidrógeno.[7]

Fases de gás e de plasma

Cano de descarga cheio de helio puro.

O helio é o gás nobre menos reactivo após o neón e por tanto, o segundo elemento menos reactivo de todos eles. É inerte e monoatómico em condições normais. Devido a sua baixa massa atómica, na fase gasosa, a conductividad térmica, o calor específico, e a velocidade do som são maiores que em qualquer outro gás, excepto o hidrógeno. Por razões similares, e também devido ao pequeno tamanho de seus átomos, a taxa de difusão do helio através dos sólidos é três vezes maior que a do ar, e ao redor de 65% da do hidrógeno.[8]

Cano de descarga cheio de helio, adoptando o símbolo deste elemento.

O helio é menos soluble em água que qualquer outro gás conhecido,[9] e seu índice de refração é o mais próximo à unidade de todos os gases.[10] Este elemento tem um coeficiente Joule-Thomson negativo a temperatura ambiente normal, o que significa que se aquece quando se lhe permite se expandir livremente. Só por embaixo de sua temperatura de investimento de Joule-Thomson (de 32 a 50 K a 1 atmosfera) se enfría na expansão livre.[8] Uma vez preenfriado embaixo desta temperatura, o helio pode licuarse mediante o enfriamiento devido a sua expansão.

A maior parte do helio extraterrestre encontra-se em um estado de plasma, com propriedades muito diferentes às do helio atómico. No plasma, os elétrons do helio não estão unidos ao núcleo, o que faz que seu conductividad eléctrica seja muito alta, ainda que o gás só está parcialmente ionizado. As partículas carregadas são altamente influenciadas pelos campos magnéticos e eléctricos. Por exemplo, no vento solar, junto com o hidrógeno ionizado, as partículas interactúan com a magnetosfera da Terra, dando lugar à corrente de Birkeland e às auroras.[11]

Fases líquida e sólida

A diferença de qualquer outro elemento, o helio líquido manter-se-á assim até o zero absoluto a pressões normais. Este é um efeito directo da mecânica cuántica: em concreto, a energia do ponto zero do sistema é demasiado alta para permitir a congelación. O helio sólido requer uma temperatura de 1 a 1,5 K (ao redor de -272 °C ou -457 °F) e ao redor de 25 bar (2,5 MPa) de pressão.[12] Com frequência é difícil distinguir o helio sólido do líquido já que o índice de refração das duas fases é quase o mesmo. O sólido tem um marcado ponto de fusão e estrutura cristalina, mas é muito compresible. Aplicar pressão em um laboratório pode reduzir seu volume em mais de 30%.[13] Com um módulo de compresibilidad da ordem de 50 MPa,[14] é 50 vezes mais compresible que a água. O helio sólido tem uma densidade de 0,214 ± 0,006 g/ml a 1,15 K e 66 atm, a densidade projectada a 0 K e 25 bar (2,5 MPa) é 0,187 ± 0,009 g/ml.[15]

Helio I

Por embaixo de seu ponto de ebullición de 4,22 K, e acima do ponto lambda de 2,1768 K, o isótopo helio-4 existe em um estado normal de líquido incoloro, chamado helio I.[8] Ao igual que outros líquidos criogénicos, o helio I ferve quando se aquece e se contrai quando baixa sua temperatura. Por embaixo do ponto lambda, no entanto, esta fase não ferve e se expande à medida que a temperatura desce ainda mais.

O helio tem um índice de refração similar ao de um gás, de 1,026, o que faz que sua superfície seja muito difícil de ver, de tal forma que se costumam utilizar flotadores de poliestireno extruido para ver em onde se encontra a superfície.[8] Este líquido incoloro, tem uma viscosidade muito baixa e uma densidade de 0,145 g/ml, que é só uma quarta parte do valor predito pela física clássica.[8] É necessário fazer uso da mecânica cuántica para explicar esta propriedade e, por tanto, ambos tipos de helio líquido se chamam fluídos cuánticos, o que significa que mostram propriedades atómicas a escala macroscópica. Isto pode ser um efeito do facto de que seu ponto de ebullición está bem perto do zero absoluto, o que impede que o movimento molecular aleatório (energia térmica) oculte suas propriedades atómicas.[8]

Helio II

Representação gráfica da capacidade do Helio II para reptar pela superfície dos corpos com os que está em contacto.

O helio líquido por embaixo de seu ponto lambda mostra características sumamente incomuns, em um estado chamado helio II. A ebullición do helio II não é possível devido a sua alta conductividad térmica; a entrada de calor causa a evaporación do líquido directamente a gás. O isótopo helio-3 também tem uma fase de superfluido , mas só a temperaturas bem mais baixas. Como resultado, se sabe menos sobre as propriedades desta fase em dito isótopo.[8]

O helio II é um superfluido, um estado cuántico da matéria com propriedades estranhas. Por exemplo, quando flui através de capilares tão delgados como de 10-7 a 10-8 m, não tem viscosidade mensurável. No entanto, quando se realizam medidas entre dois discos em movimento, se observa uma viscosidade comparável à do helio gasoso. A teoria actual explica este fenómeno utilizando um modelo de dois fluídos para o helio II. Neste modelo, o helio líquido por embaixo do ponto lambda considera-se que contém uma proporção de átomos de helio em estado baseie, que compõem o superfluido, e que fluem com uma viscosidade exactamente igual a zero; e uma proporção de átomos de helio em um estado excitado, que se comportam mais como um fluído ordinário.[16]

No efeito fonte, constrói-se uma câmara que está ligada a um depósito de helio II por médio de um disco sinterizado através do qual o helio superfluido passa facilmente, mas aqueles líquidos que não são superfluidos não podem. Se aquece-se o interior do contêiner, o helio deixa de ser superfluido. A fim de manter fracção de equilíbrio de helio superfluido, este se fuga através do disco e aumenta a pressão, fazendo que o líquido saia brotando do recipiente.[17]

A conductividad térmica do helio II é maior que a de qualquer outra substância conhecida. É um milhão de vezes maior que a do helio I e vários centos de vezes a do cobre.[8] Isto se deve a que a condução de calor se produz por um mecanismo cuántico excepcional. A maioria dos materiais que são bons condutores térmicos têm uma banda de elétrons de valencia livres que servem para transferir o calor. O helio II não tem banda de valencia, mas conduz bem o calor. O fluxo de calor rege-se por equações similares à equação de onda utilizada para caracterizar a propagación do som no ar. Quando se introduz calor, este se move através de helio II em forma de ondas a 20 metros por segundo a uma temperatura de 1,8 K. Este fenómeno é conhecido como segundo som.[8]

O helio II também apresenta um efeito de ascensión. Quando uma superfície se estende para além do nível de helio II, este se move ao longo da superfície, contra a força de gravidade. O líquido escapar-se-á de um contêiner que não esteja sellado reptando pelas paredes do mesmo até que encontre uma região com maior temperatura onde se evaporará. Esta ascensão realiza-o em um filme de 30 nm de espessura, independentemente do material de superfície. Este filme chama-se filme de Rollin e leva o nome da primeira pessoa que caracterizou este rasgo, Bernard V. Rollin.[8] [18] [19] Como resultado deste comportamento e da habilidade do helio II de escapar através de aberturas pequenas, é muito difícil manter a este fluído confinado. As ondas que se propagam através de um filme de Rollin se regem pela mesma equação de ondas de gravidade em águas pouco profundas, mas em lugar da gravidade, a força de restauração é a força de vão der Waals.[20] Estas ondas são conhecidas como terceiro som.[21]

Compostos

Veja-se também: Composto de gás nobre

Dado que o helio é um gás nobre, na prática não participa nas reacções químicas, ainda que baixo a influência de descargas eléctricas ou bombardeado com elétrons forma compostos.

O helio tem uma valencia zero e não é quimicamente reactivo baixo condições normais.[22] É um aislante eléctrico a não ser que esteja ionizado. Ao igual que os demais gases nobres, tem níveis de energia metaestables, o que lhe permite seguir ionizado em uma descarga eléctrica com um voltaje por embaixo de seu potencial de ionización.[8] O helio pode formar compostos instáveis, conhecidos como excímeros, com o wolframio, yodo, flúor e fósforo, quando se submete a uma descarga eléctrica luminiscente, a um bombardeio de elétrons, ou bem é um plasma por outra razão. Os compostos moleculares HeNe, HgHe10 e WHe2, e os iones moleculares Tenho+2, Tenho2+2, HeH+, e HeD+ podem-se criar desta maneira.[23] Esta técnica também tem permitido a produção da molécula neutra Tenho2, que tem um grande número de sistemas de bandas espectrales, e da molécula HgHe, que aparentemente só se mantém unida por forças de polarización.[8] Em teoria, outros compostos reais também são possíveis, como o fluorohidruro de helio (HHeF), que seria análogo ao fluorohidruro de argón, descoberto em 2000.[24] Os cálculos indicam que dois novos compostos que contêm um enlace de helio-oxigénio poderiam ser estáveis.[25] Duas novas espécies moleculares, preditas teoricamente, CsFHeO e N(CH3)4FHeO, são derivados de um anión metaestable [F-HeO], antecipado em 2005 em forma teórica por um grupo de Taiwán . De confirmar-se experimentalmente, estes compostos acabariam com a inércia química do helio, e o único elemento completamente inerte seria o neón.[26]

O helio tem sido colocado em jaulas moleculares de carbono (os fullerenos) por médio de aquecimento a alta pressão. As moléculas de fullereno endohédrico formadas são estáveis até temperaturas altas. Quando se formam os derivados químicos destes fullerenos, o helio permanece dentro deles.[27] Se utiliza-se helio-3, pode-se observar facilmente por espectroscopia de ressonância magnética nuclear.[28] Reportaram-se uma grande quantidade de fullerenos que contêm helio-3. Ainda que os ditos átomos não se encontram unidos por médio de enlaces covalentes ou iónicos, estas substâncias têm propriedades diferentes e uma composição definida, ao igual que todos os compostos químicos estequiométricos.

Isótopos

Artigo principal: Anexo:Isótopos de helio
Representação esquemática de um átomo de 4 Tenho.

Existem oito isótopos conhecidos do helio, mas tão só o 3Tenho e o 4Tenho são estáveis. Na atmosfera terrestre há um átomo de 3 Tenho pela cada milhão de átomos de 4 Tenho.[29] A diferença de outros elementos, a abundância isotópica do helio varia muito por sua origem, devido aos diferentes processos de formação. O isótopo mais comum, o 4Tenho, produz-se na Terra mediante a desintegração alfa de elementos radiactivos mais pesados; as partículas alfa que aparecem são átomos de 4 Tenho completamente ionizado. O 4Tenho tem um núcleo inusualmente estável como seus nucleones estão ordenados em capas completas. Ademais, este isótopo formou-se em grandes quantidades durante a nucleosíntesis primordial no Big Bang.[30]

O 3Tenho está presente hoje em dia na terra tão só em traças (a maioria data desde a formação da Terra), ainda que algo deste cai à Terra ao ser atrapado no pó cósmico.[31] Alguns rastros também são produzidos mediante a desintegração beta do tritio.[32] Algumas rochas da corteza terrestre têm diferentes proporções de isótopos que variam até um factor de dez. Estas proporções podem usar-se para pesquisar a origem das rochas bem como a composição do manto terrestre.[31] O 3Tenho é bem mais abundante nas estrelas como produto da fusão nuclear. Portanto, no médio interestelar, a proporção de 3 Tenho e 4Tenho é ao redor de 100 vezes maior que a que há na Terra.[33] O material extraplanetario, como regolitos de asteróides e lunares, tem traças de 3 Tenho produto do bombardeio dos ventos solares contra eles. A superfície da Lua tem concentrações de 3 Tenho de ao redor de de 0,01 ppm.[34] [35] Algumas pessoas, principalmente Gerald Kulcinski em 1986,[36] têm proposto explorar a Lua, escavar os regolitos lunares, e utilizar o 3Tenho para fusão nuclear.

O 4Tenho líquido pode ser arrefecido até 1 kelvin utilizando enfriamiento por evaporación em recipientes nos que se pode atingir e manter estas temperaturas. Um enfriamiento similar para o helio-3, que tem um ponto de ebullición mais baixo, se pode atingir ao redor dos 0,2 K em um refrigerador de helio-3. As misturas que contêm a mesma proporção de helio-3 e helio-4 a uma temperatura por embaixo de 0,8 K se separam em duas fases não miscibles devido a sua incompatibilidad (a cada uma obedece a uma estatística cuántica diferente: os átomos de helio-4 são bosones enquanto os átomos de helio-3 são fermiones).[8] Os refrigeradores de dilución usam esta imposibilidad de misturado para atingir temperaturas de uns poucos milikelvin.

É possível produzir isótopos exóticos de helio, os quais rapidamente se decompõem em outras substâncias. O isótopo pesado de menor duração é o 5Tenho, com um período de semidesintegración de 7.6×10–22 segundos. O 6Tenho decompõe-se emitindo uma partícula beta e seu período de desintegração é de 0,8 segundos. O 7Tenho também emite partículas beta bem como raios gama. Tanto o 7Tenho e o 8Tenho criam-se mediante algumas reacções nucleares.[8] O 6Tenho e o 8Tenho são conhecidos por ter um halo nuclear. O 2Tenho (que consiste em dois protones e nenhum neutrón) é um radioisótopo que se desintegra em protio (hidrógeno) por médio de emissão de protones, com um período de desintegração de 3×10–27 segundos.[8]

Abundância e obtenção

Abundância natural

O helio é o segundo elemento mais abundante do universo conhecido depois do hidrógeno e constitui ao redor de 23% da massa bariónica do universo.[29] A maior parte do helio formou-se durante a nucleosíntesis do Big Bang, nos três primeiros minutos após este. Desta forma, a medida de sua abundância contribui aos modelos cosmológicos. Nas estrelas, o helio forma-se pela fusão nuclear do hidrógeno em reacções em corrente protón-protón e no ciclo CNO, os quais fazem parte da nucleosíntesis estelar.[30]

Na atmosfera terrestre a concentração de helio por volume é de tão só 5,2 partes por milhão.[37] [38] A concentração é baixa e praticamente constante apesar da contínua produção de novo helio, como a maior parte do helio na atmosfera escapa-se ao espaço devido a diferentes processos.[39] [40] Na heterosfera terrestre, uma parte da atmosfera superior, o helio e outros gases ligeiros são os elementos mais abundantes.

Quase todo o helio presente à Terra é o resultado da desintegração radiactiva, e por tanto, um balão de helio terrestre é, em esencia, uma carteira de partículas alfa expelidas por este processo. O helio encontra-se em grandes quantidades em minerales de urânio e torio, incluindo cleveita, pechblenda, carnotita e monacita, já que estes emitem partículas alfa (núcleos de helio, Tenho2+) e os elétrons se combinam de imediato com elas, tão cedo como as partículas são detida pela rocha. Desta maneira, estima-se que umas 3.000 toneladas de helio se geram ao ano em toda a litosfera.[41] [42] [43] Na cortezaterrestre , a concentração de helio é de 8 partes por mil milhões. No mar, a concentração é de só 4 partes por bilião. Também há pequenas quantidades em mananciais de águas minerales, gás vulcânico, e ferro meteórico. Como o helio é atrapado de maneira similar ao gás natural por uma capa impermeable de rocha, as maiores concentrações deste elemento no planeta encontram-se no gás natural, de onde se extrai a maior parte do helio comercial. A concentração varia em uma ampla faixa de umas poucas ppm até mais de 7% em um pequeno campo de gás no condado de San Juan, Novo México.[44] [45]

Extracção moderna

Para o uso em grande escala, o helio extrai-se por destilación fraccionada a partir do gás natural, que contém até um 7% de helio.[46] Como o helio tem um ponto de ebullición mais baixo que qualquer outro elemento, se utilizam baixas temperaturas e altas pressões para licuar quase todos os demais gases (principalmente nitrógeno e metano). O helio cru resultante apura-se por médio de exposições sucessivas a temperaturas baixas, na que quase todo o nitrógeno e os outros gases restantes se precipitam fora da mistura gasosa.[8] Como uma fase de purificación final, se utiliza carvão activado, o que dá como resultado helio grau A, com uma pureza de 99,995%.[8] . A principal impureza no helio grau A é o neón. Na fase final da produção, a maioria do helio que se produz é licuado por médio de um processo criogénico. Isto é necessário para aplicações que requerem helio líquido e também permite aos provedores de helio reduzir o custo no transporte a longa distância, dado que a maioria dos contêiners de helio líquido têm uma capacidade cinco vezes maior que a dos camiões cisterna que transportam helio gasoso.[47] [48]

Em 2008, ao redor de 169 milhões de metros cúbicos regulares (SCM, por suas siglas em inglês, definidos como um metro cúbico a uma pressão de 1 atm e a uma temperatura de 15° C) de helio se extraíram a partir do gás natural ou de reservas de helio. Destes, aproximadamente o 78% proviram dos Estados Unidos, o 10% de Argélia , e do resto a maior parte foram extraídos na Rússia, Polónia e Qatar.[49] Nos Estados Unidos, a maior parte do helio extrai-se a partir do gás natural dos campos de Hugoton e outros próximos em Kansas , Oklahoma e Texas.[50] Em 2000, os EE. UU. tinham reservas de helio em complexos de poços, de ao redor de 4,2×10^9 SCM. Esta quantidade é suficiente para uns 25 anos de uso mundial, ou de 35 anos de consumo de EE. UU., ainda que espera-se que factores na poupança e o processamento impacten os números efectivos das reservas. Estima-se que as reservas básicas de helio ainda não provadas que se pudessem obter a partir de gás natural nos EE. UU. são de 3,1 a 5,3×1013 SCM, ou aproximadamente quatro ordens de magnitude maior que as reservas provadas.[51]

O helio deve-se extrair principalmente do gás natural, como sua presença no ar é só uma fracção comparada com a da do neón, e no entanto, sua demanda é muito maior. Estima-se que se toda a produção de neón se reinstrumentara para poupar helio, satisfá-se-iam um 0,1% das demandas mundiais de helio. Igualmente, somente um 1% das demandas mundiais de helio poder-se-iam satisfazer reinstrumentando todas as plantas de destilación de ar. O helio pode ser sintetizado por médio do bombardeio de litio ou boro utilizando protones de alta velocidade. No entanto, este método de produção é totalmente inviable economicamente.[52]

Agotamiento nos fornecimentos de helio

As reservas actuais de helio estão a utilizar-se bem mais rápido do que este elemento se pode repor. Dada esta situação, há grandes preocupações de que o fornecimento de helio possa se esgotar cedo. Nas reservas maiores do mundo, em Amarelo , Texas, espera-se que este gás se esgote nos próximos oito anos. Isto poderia se prevenir se os actuais utentes capturassem e reciclassem o gás e se as companhias de petróleo e gás natural fizessem uso de técnicas de captura de helio ao os extrair.[53] [54]

Aplicações

O helio é mais ligeiro que o ar e a diferença do hidrógeno não é inflamável, sendo ademais seu poder ascensional um 8% menor que o deste, pelo que se emprega como gás de recheado em balões e zepelines publicitários, de investigação atmosférica e inclusive para realizar reconhecimentos militares.

Ainda sendo a anterior a principal, o helio tem mais aplicações:

Da produção mundial total de helio em 2008, de 32 milhões de kg, seu maior uso (ao redor de 22% do total em 2008) foi em aplicações criogénicas. Destas a maioria foram em medicina no enfriamiento de ímans superconductores em escáneres de ressonância magnética.[55] Outros usos importantes (um total de cerca de 78% de seu uso em 1996) foram nos sistemas de presurización e saneamiento, a manutenção de atmosferas controladas e a solda.[56]

O helio utiliza-se para muitos propósitos que requerem algumas de suas propriedades únicas, tais como seu baixo ponto de ebullición, baixa densidade, baixa solubilidad, alta conductividad térmica, ou sua baixa reactividad química. Assim mesmo, está disponível comercialmente tanto em forma líquida como gasosa. Como líquido, pode ser fornecido em recipientes pequenos chamados frascos de Dewar que permitem armazenar até 1.000 litros de helio, ou nos contêiners ISO de grande tamanho que têm uma capacidade nominal de até 42 m³. Em forma gasosa, fornecem-se pequenas quantidades em cilindros de alta pressão que podem conter um volume equivalente a 8 m³ regular, enquanto grandes quantidades de gás a alta pressão são fornecidas em camiões cisterna que têm uma capacidade que equivale 4.860 m³ regular. Isto é como o volume do gás se reduz enormemente ao ser submetido a altas pressões.

Dirigibles, balões e foguetes

Como o helio é mais ligeiro que o ar, os dirigibles e balões são inflados com este gás para os elevar. Enquanto o hidrógeno experimenta uma força de empurre aproximadamente um 7% maior, o helio tem a vantagem de não ser inflamável (além de ser retardante do fogo). Na indústria espacial, utiliza-se como um médio de enchido para deslocar aos combustíveis e oxidantes nos tanques de armazenamento, e para condensar o hidrógeno e o oxigénio a fim de produzir combustível para foguetes. Também se utiliza para depurar o combustível e o oxidante das equipas de apoio em terra dantes do lançamento, bem como para preenfriar o hidrógeno líquido em veículos espaciais. Por exemplo, o propulsor do Saturno V utilizado no Programa Apolo precisou cerca de 370.000 m³ de helio para pôr em marcha o foguete.

Comercial e recreacional

O helio é menos denso que o ar atmosférico, pelo que muda o timbre (mas não a altura) da voz de uma pessoa quando se inhala.[57] No entanto, a inalação proveniente de uma fonte comercial típica, como as utilizadas para rechear balões, pode ser perigosa devido ao risco de asfixia por falta de oxigénio e ao número de contaminantes que podem estar presentes. Entre estes podem estar incluídas traças de outros gases, além de azeite lubrificante em aerosol.

Por sua baixa solubilidad no tecido nervoso, as misturas de helio, como trimix, heliox e Heliair se utilizam para o mergulho de profundidade para reduzir os efeitos da narcosis.[58] [59] A profundidades por embaixo de 150 metros, agregam-se pequenas quantidades de hidrógeno à mistura de helio-oxigénio para contrarrestar os efeitos da síndrome nervosa de alta pressão.[60] A estas profundidades descobriu-se que a baixa densidade do helio reduz consideravelmente o esforço na respiração.

Os lasers de helio-neón têm várias aplicações, incluindo leitores de código de barras.

Detecção de fugas industriais
Uma máquina em uma câmara de provas para a detecção de fugas.

Uma das aplicações industriais do helio é a detecção de fugas. Como difunde-se através de sólidos a uma taxa três vezes maior que a do ar, se utiliza como gás indicador para detectar fugas na equipa de alto vazio e recipientes a alta pressão.[61]

A taxa de fugas em recipientes industriais (geralmente câmaras de vazio e tanques criogénicos) mede-se fazendo uso do helio, devido a seu diâmetro molecular pequeno e a sua condição de gás inerte. Não existe outra substância inerte que se possa filtrar através de microfisuras ou microporos na parede de um contêiner a um ritmo maior que o helio. Para encontrar fugas em contêiners utiliza-se um detector de fugas de helio (veja-se espectrómetro de massas). As fugas de helio através de grietas não devem se confundir com a penetración de gás através de um material em massa. Apesar de que se documentaram constantes de permeabilidad para o helio através de vidros, cerâmicas e materiais sintéticos, os gases inertes como o helio não se podem permear através da maioria dos metais em massa.[62] Se precisa-se conhecer a taxa de fuga total do produto que se está a provar (por exemplo em bombas de calor ou sistemas de ar acondicionado), o objecto se coloca em uma câmara de prova, o ar dentro dela se extrai com bombas de vazio e o produto é recheado com helio a uma pressão específica. O helio que se escapa através das fugas é detectado por um espectrómetro de massas ainda a taxas de fuga de até 10^{-20} Pa·m³/s. O procedimento de medida é normalmente automático, e conhece-se «como prova integral de helio». Em uma prova mais singela, o produto enche-se de helio e um operador procura manualmente a fuga com um dispositivo chamado sniffer (do inglês «olfateador»).[63]

Uso científico

Por sua ausência de reactividad e alta conductividad térmica, sua transparência aos neutrones, e como não forma isótopos radiactivos em condições de reactor, se utiliza como médio de transmissão de calor em alguns reactores nucleares arrefecidos por gás.[61] Outra de suas utilidades consiste no usar como gás de protecção nos processos de solda por arco em materiais que se contaminam com facilidade por via aérea.

Como é inerte, utiliza-se como gás protector no crescimento de cristais de silício e germanio na produção de titanio e circonio, além de em a cromatografía de gases. Por esta mesma razão, por sua conductividad térmica e pela alta velocidade do som dentro dele, sua natureza como gás ideal e o alto valor de seu coeficiente de expansão adiabática, também é útil em túneis de vento supersónicos e em instalações de prova onde se requer uma libertação súbita da energia do gás.[64] [65]

O helio, misturado com um gás mais pesado, como o xenón, é útil para a referigeração termoacústica devido ao elevado coeficiente de expansão adiabática resultante e seu baixo número de Prandtl.[66] O comportamento inerte do helio tem vantagens ambientais com respeito aos sistemas de referigeração convencionais, que contribuem ao agotamiento da capa de ozónio ou ao aquecimento global.[67]

Hoje em dia utiliza-se helio líquido para refrigerar os ímans superconductores nos escáneres de ressonância magnética.

O uso do helio reduz os efeitos de distorsión que provocam as variações de temperatura no espaço nas lentes de alguns telescópios, devido a seu baixo índice de refração. Este método é utilizado especialmente em telescópios solares, nos quais um cano de vazio fortemente sellado resultaria demasiado pesado.[68] [69]

Mediante um processo conhecido como datación por helio, pode se estimar a idade das rochas e minerales que contêm Urânio e Torio.

O helio líquido utiliza-se para arrefecer certos metais —por exemplo, os ímans superconductores utilizados na tomografía por ressonância magnética— a temperaturas extremamente baixas, as quais são necessárias para a superconductividad. O Grande Colisionador de Hadrones do CERN usa 96 toneladas de helio líquido para manter a temperatura a 1,9 K.[70] O helio a baixa temperatura, também se usa em criogenia.

O helio é um gás portador comummente utilizado na cromatografía de gases.

História

Descoberta científica

Linhas espectrales do helio.

A primeira evidência da existência do helio observou-se o 18 de agosto de 1868 como uma linha brilhante de cor amarelo com uma longitude de 587,49 nanómetros no espectro da cromosfera do Sol. A linha foi detectada pelo astrónomo francês Pierre Janssen durante um eclipse solar total em Guntur, Índia.[71] Em um princípio pensou-se que esta linha era produzida pelo sodio. O 20 de outubro do mesmo ano, o astrónomo inglês Joseph Norman Lockyer observou uma linha amarela no espectro solar, à qual nomeou como a linha de Fraunhofer D3 porque estava cerca das linhas de sodio D1 e D2 já conhecidas.[8] Lockyer chegou à conclusão de que dita linha era causada por um elemento existente no Sol mas desconhecido na Terra. Eduard Frankland confirmou os resultados de Janssen e propôs o nome helium para o novo elemento, em honra ao deus grego do sol (Helios) ao que se acrescentou o sufixo -ium já que se esperava que o novo elemento fosse metálico.[72] [73] [74]

Em 1882 , o físico italiano Luigi Palmieri detectou helio na Terra pela primeira vez, através de sua linha espectral D3, quando analisou a lava do monte Vesubio.[75]

O 26 de março de 1895 Sir William Ramsay isolou o helio ao tratar a cleveita (uma variedade da uranita que contém pelo menos um 10% de terras raras) com ácidos minerales. Ramsey em realidade procurava argón, mas após separar o nitrógeno e o oxigénio do gás libertado pelo ácido sulfúrico, notou uma brilhante linha amarela que coincidia com a linha D3 observada no espectro solar.[8] [76] [77] [78] As mostras foram identificadas como helio por Lockyer e o físico britânico William Crookes. Ademais foi isolado da cleveita no mesmo ano independentemente pelos químicos Per Teodor Cleve e Abraham Langlet em Uppsala (Suécia), quem puderam obter suficiente quantidade do gás para determinar acertadamente seu peso atómico.[29] [79] [80] O helio também foi isolado pelo geoquímico estadounidense William Francis Hillebrand, ainda que este atribuiu as linhas ao nitrógeno.

Em 1907 Ernest Rutherford e Thomas Royds demonstraram que as partículas alfa são núcleos de helio, ao permitir às partículas penetrar uma delgada parede de um cano de vidro ao vazio e depois criando uma descarga eléctrica dentro do mesmo para estudar o espectro do gás. Em 1908 o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes produziu helio líquido pela primeira vez arrefecendo o gás até 0,9 K,[81] o que lhe fez merecedor do prêmio Nobel. Ele tratou assim mesmo de solidificar o helio reduzindo sua temperatura, ainda que não o conseguiu como este elemento carece de um ponto triplo, temperatura à qual as fases sólida, líquida e gasosa existem em equilíbrio. Em 1926 seu discípulo Willem Hendrik Keesom conseguiu por vez primeira solidificar 1 cm³ helio.[82]

Em 1938 , o físico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa descobriu que o helio-4 quase não tem viscosidade a temperaturas próximas ao zero absoluto, um fenómeno que agora se chama superfluidez.[83] Este fenómeno está relacionado com a condensación de Bose-Einstein. Em 1972, o mesmo fenómeno observou-se no helio-3, mas a temperaturas bem mais cerca do zero absoluto, pelos físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lê e Robert C. Richardson. Acha-se que no helio-3 o fenómeno está relacionado com a criação de pares de fermiones deste isótopo, de tal maneira que se formam bosones, em analogia aos pares de Cooper que produzem a superconductividad.[84]

Extracção e uso

Um recipiente de gás cheio com helio.

Após que uma operação de perforación de petróleo em 1903 em Dexter , Kansas, produzisse um géiser de gás que não se podia queimar, o geólogo Erasmus Haworth recolheu mostras dos gases que emanaban e lhas levou à Universidade de Kansas em Lawrence , onde, com a ajuda dos químicos Hamilton Cady e David McFarland, descobriu que o gás consistia, em volume, de 72% de nitrógeno , 15% de metano (uma percentagem que se pode queimar unicamente com suficiente oxigénio), 1% de hidrógeno , e 12% de um gás não identificado.[85] Em uma análise posterior, Cady e McFarland descobriram que o 1,84% da mostra de gás era helio.[86] [87] Isto demonstrou que apesar de seu rareza global na Terra, o helio estava concentrado em grandes quantidades embaixo das Grandes Planícies dos Estados Unidos, disponível para sua extracção como um subproducto do gás natural.[88] As maiores reservas de helio encontravam-se nos campos de gás do sudoeste de Kansas, de Texas e Oklahoma.

Isto permitiu aos Estados Unidos se converter no principal produtor de helio no mundo. Seguindo uma sugestão de Sir Richard Threlfall, a marinha deste país patrocinou três pequenas plantas experimentales de produção de helio durante a Primeira Guerra Mundial. O objectivo era proporcionar aos balões de defesa um gás não inflamável mais ligeiro que o ar. Com este programa produziram-se um total de 5.700 m³ de helio ao 92%, apesar de que previamente só se tinha obtido menos de um metro cúbico de gás. Parte dele se utilizou na primeira aeronave inflada com helio da Marinha estadounidense, que fez sua primeira viagem de Hampton Roads, Virginia, a Bolling Field em Washington D. C., o 1 de dezembro de 1921.[89]

Ainda que o processo de extracção usando licuefacción de gás a baixa temperatura não se desenvolveu a tempo para ser relevante durante a Primeira Guerra Mundial, a produção continuou. O helio utilizou-se principalmente como um gás de elevação em aeronaves mais ligeiras que o ar. A demanda para este uso, bem como para a solda por arco foi maior durante a Segunda Guerra Mundial. O espectrómetro de massas de helio também foi vital na bomba atómica desenvolvida pelo Projecto Manhattan.[90]

O governo dos Estados Unidos criou a Reserva Nacional de helio em 1925 em Amarelo , Texas, com o objectivo de fornecer-lho às aeronaves militares em tempo de guerra, e às aeronaves comerciais em tempos de paz. Devido a um embargo militar de EE. UU. contra Alemanha no que o fornecimento de helio ficou restrito, o LZ-129 Hindenburg se viu obrigado a utilizar o hidrógeno como gás elevador. O uso de helio após a Segunda Guerra Mundial reduziu-se, mas as reservas ampliaram-se na década de 1950 para garantir seu fornecimento em forma líquida como refrigerante para criar combustível de hidrógeno e oxigénio (entre outros usos) para os foguetes durante a carreira espacial e a Guerra Fria. O uso de helio nos Estados Unidos em 1965 foi a mais de oito vezes o consumo máximo em tempo de guerra.[91]

O Escritório de Minas de EE. UU. dispôs de cinco plantas privadas para recuperar helio a partir do gás natural. Para este programa de conservação de helio, o Escritório construiu 684 km de encanamentos desde Bushton, Kansas para ligar com as plantas do Governo parcialmente esgotadas no campo de gás de Cliffside, cerca de Amarelo, Texas. Esta mistura de helio e nitrógeno foi injectada e armazenada no campo de gás de Cliffside até que se precisasse, e até que fosse apurada posteriormente.[92]

Para 1995 tinham-se armazenado cerca de mil milhões de metros cúbicos de gás, e as reservas constituíam uma dívida de 1.400 milhões de dólares, o que em 1996 obrigou ao Congresso dos Estados Unidos às eliminar. O helio produzido entre 1930 e 1945 tinha aproximadamente um 98,3% de pureza (com um 2% de nitrógeno), o qual foi suficiente para encher os dirigibles. Em 1945, usou-se uma pequena quantidade de helio a 99,9%, para fazer soldas.[93] Para 1949 tinha disponíveis quantidades comerciais de helio grau À o 99,9%.

Durante muitos anos, os Estados Unidos têm produzido mais de 90% de helio que pode se utilizar comercialmente no mundo, enquanto as plantas de extracção no Canadá, Polónia, Rússia e outros países produzem o resto.[94] Em meados da década de 1990, uma nova planta em Arzew, Argélia entrou em funcionamento e produziu 17 milhões de metros cúbicos de helio, com uma produção suficiente para cobrir toda a demanda da Europa. Enquanto, em 2000, o consumo de helio dentro dos EE. UU. tinha aumentado a mais de 15 milhões de kg por ano.[95] Entre 2004 e 2006, construíram-se duas plantas adicionais, uma em Ras laffen, Qatar e a outra em Skikda, Argélia. No entanto a princípios de 2007, Ras laffen estava a funcionar ao 50%, e Skikda ainda não tinha sido posta em marcha. Argélia converteu-se rapidamente no segundo principal produtor de helio.[47] Através deste tempo, tanto o consumo de helio, como os custos de produção de helio aumentaram.[96] Entre 2002 e 2007 o preço do helio duplicou-se, e só em 2008 os principais provedores aumentaram seus preços em um 50%.[97]

Precauções

O helio neutro em condições normais não é tóxico, não joga nenhum papel biológico e se encontra em traças no sangue humano. Se se inhala suficiente helio de forma tal que remplace ao oxigénio necessário para a respiração, pode gerar asfixia. As precauções que se devem de tomar para o helio usado em criogenia são similares às do nitrógeno líquido. Sua temperatura extremamente baixa pode causar queimaduras por congelación e a taxa de expansão de líquido a gás pode causar explosões se não se utilizam mecanismos de libertação de pressão.

Os depósitos de helio gasoso a temperaturas de 5 a 10 K devem armazenar-se como se contivessem helio líquido devido ao grande incremento de pressão e à significativa dilatación térmica que se produz ao aquecer o gás desde uma temperatura a menos de 10 K até temperatura ambiente.[22]

Efeitos biológicos

Efeitos do helio na voz humana

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Efeitos do helio na voz humana

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A velocidade do som no helio é quase três vezes a velocidade do som no ar. Devido à frequência fundamental de uma cavidade cheia de gás é proporcional à velocidade do som no gás. Se se inhala helio produz-se um aumento correspondente nas alturas das frequências de ressonância das sensatas vogais.[98] (O efeito contrário, a redução de frequências, pode-se obter pela inalação de um gás denso como o hexafluoruro de azufre).

Sua inalação pode ser perigosa se faz-se em excesso, já que é um gás asfixiante e desloca ao oxigénio necessário para a respiração normal.[99] A respiração de helio puro contínua, causa a morte por asfixia em poucos minutos. A inalação de helio directamente de cilindros a pressão é extremamente perigosa, já que a alta velocidade de fluxo pode resultar na ruptura dos tecidos pulmonares.[99] [100] No entanto, a morte causada pelo helio é muito rara, nos Estados Unidos só se registaram dois fallecimientos entre 2000 e 2004.[100]

A altas pressões (mais de 20 atm ou duas MPa), uma mistura de helio e oxigénio (heliox) pode conduzir à síndrome de alta pressão nervosa; uma espécie de efeito anestésico inverso. Acrescentando uma pequena quantidade de nitrógeno à mistura pode resolver-se o problema.[101] [102]

Veja-se também

Referências

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