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Aunque el helio tiene una configuración electrónica 1s², no se coloca en el grupo 2 de la tabla periódica junto al hidrógeno y otros elementos del bloque s. En su lugar, se ubica en el grupo 18, correspondiente a los gases nobles, debido a sus propiedades químicas únicas. Este elemento, al poseer su nivel de energía completamente lleno, es químicamente inerte y no forma compuestos fácilmente, características típicas de los gases nobles. Aunque su configuración lo asociaría al bloque s, su comportamiento químico lo justifica como parte del bloque p. Esto hace que el helio sea una excepción importante en la disposición de los elementos en la tabla periódica.

En condiciones normales de presión y temperatura (25 °C y 1 atm), el helio es un gas monoatómico, no inflamable y extremadamente ligero. Es notablemente difícil de licuar debido a su baja temperatura crítica, que es de apenas 5.20K (−267.96 °C). Esto significa que, por encima de esa temperatura, el helio no puede pasar al estado líquido, sin importar cuánta presión se le aplique. A temperaturas inferiores a la crítica, el helio solo puede licuarse mediante una combinación de enfriamiento extremo y alta presión. Este comportamiento lo convierte en un caso único entre todos los elementos químicos.

Otro aspecto fascinante del helio es su elevado calor específico, especialmente en estado gaseoso. Este valor, más alto que el de la mayoría de los gases, hace que el helio se expanda rápidamente cuando se calienta, incluso a temperatura ambiente. En condiciones de bajas temperaturas, el helio líquido también exhibe propiedades únicas, como la superfluidez, una fase en la que fluye sin viscosidad, superando obstáculos sin resistencia.

El helio posee el punto de solidificación más bajo conocido. A presiones normales, incluso en el cero absoluto (0 K o −273.15 °C), el helio-4 permanece en estado líquido debido a su energía de punto cero, un efecto cuántico que impide que sus átomos se estabilicen en un estado sólido. Sin embargo, al someterlo a presiones superiores a 25 atm "Atmósfera (unidad)"), el helio puede solidificarse. El helio sólido"), a temperaturas cercanas a 1 K (−272.15 °C), adopta una estructura cristalina hexagonal compacta"). A medida que la presión aumenta, se han observado cambios a estructuras cristalinas diferentes, aunque con densidades y energías muy similares. Estos cambios reflejan las complejas interacciones entre los átomos del helio en condiciones extremas.[5]​.

O átomo de hélio

O hélio é um elemento químico cujo átomo é o mais simples de resolver usando as regras da mecânica quântica depois do átomo de hidrogênio. Consiste em dois elétrons orbitando um núcleo contendo dois prótons junto com um ou dois nêutrons, dependendo do isótopo. No entanto, como na mecânica newtoniana, nenhum sistema que consiste em mais de duas partículas pode ser resolvido com uma abordagem de análise matemática exata (ver problema dos três corpos) e o hélio não é exceção. Assim, são necessários métodos matemáticos, até mesmo para resolver o sistema de um núcleo e dois elétrons. No entanto, tais métodos de química computacional têm sido usados ​​para criar uma imagem da mecânica quântica das ligações de elétrons de hélio com uma precisão de 2% do valor correto, com algumas etapas de cálculo computacional. Nestes modelos observa-se que cada elétron impede parcialmente o outro de sentir a interação com o núcleo, de modo que a carga nuclear efetiva Z é de aproximadamente 1,69 unidades, e não as 2 cargas de um clássico "núcleo nu" de hélio.

O átomo de hidrogênio é amplamente utilizado para ajudar a resolver o átomo de hélio. O modelo atômico de Bohr forneceu uma explicação muito precisa do espectro do átomo de hidrogênio, mas quando foi feita uma tentativa de usá-lo no hélio, o modelo falhou. Werner Heisenberg desenvolveu uma modificação da análise de Bohr, na qual utilizou valores semiintegrados dos números quânticos. A teoria do funcional da densidade é usada para obter os níveis de energia do estado fundamental do átomo de hélio, juntamente com o método Hartree-Fock.

O núcleo do átomo de hélio-4, que é exatamente igual a uma partícula alfa,[7]​ é particularmente interessante. A razão para isto é porque experiências de dispersão de electrões de alta energia mostraram que a sua carga diminui exponencialmente a partir de um máximo no seu ponto central, exactamente da mesma forma que a densidade de carga na sua própria nuvem electrónica diminui. Essa simetria reflete princípios físicos semelhantes: o par de nêutrons e prótons no núcleo do hélio obedece às mesmas regras da mecânica quântica dos dois elétrons que o orbitam – embora a união das partículas no núcleo se deva a um potencial “potencial (física)” diferente daquele que mantém os elétrons na nuvem ao redor do átomo. Desta forma, esses férmions (isto é, tanto prótons, quanto elétrons e nêutrons) ocupam completamente os orbitais 1s aos pares, nenhum deles possui momento angular orbital e cada um deles cancela o spin intrínseco do outro. Adicionar outra dessas partículas exigiria momento angular e liberaria substancialmente menos energia (na verdade, nenhum núcleo com cinco núcleons é estável). Por esta razão, este arranjo destas partículas é extremamente estável energeticamente, e esta estabilidade dá origem a muitos fenómenos cruciais inerentes ao hélio na natureza.

Como exemplo desses fatos devido à alta estabilidade da configuração eletrônica do hélio está a baixa reatividade química deste elemento (a mais baixa de toda a tabela periódica), bem como a falta de interação de seus átomos entre si. Isto produz os pontos de fusão e ebulição mais baixos de todos os elementos. Da mesma forma, a estabilidade energética do núcleo de hélio-4 dá origem à sua fácil produção em reações atômicas que envolvem tanto a emissão de partículas pesadas quanto a fusão nuclear. Algum hélio-3 estável é produzido em reações de fusão a partir do hidrogênio, mas é uma fração muito menor em comparação com o hélio-4. A estabilidade do hélio-4 é a razão pela qual o hidrogénio é convertido nesta forma de hélio no Sol, em vez de hélio-3, deutério ou outros elementos mais pesados. Também é parcialmente responsável pelo fato de a partícula alfa ser, de longe, o tipo de partícula bárion mais comumente ejetada dos núcleos atômicos. Em outras palavras, o decaimento alfa é muito mais comum do que o decaimento em núcleos mais pesados.[8]​.

A estabilidade incomum do hélio-4 também é importante na cosmologia. Nos primeiros minutos após o Big Bang, o universo era composto por uma mistura de núcleons livres (prótons e nêutrons). Esta "sopa" originalmente tinha uma proporção de seis prótons para cada nêutron, e depois de um tempo esfriou até o ponto onde a fusão nuclear poderia ocorrer.[9] A estabilidade do hélio significou que quase todas as agregações de núcleons formadas naquela época eram núcleos de hélio-4. A união de prótons e nêutrons para formar o hélio-4 é tão forte que, de fato, a produção desse elemento consumiu quase todos os nêutrons livres em questão de minutos, antes que esses núcleos pudessem decair através do decaimento beta. Isso deixou uma quantidade muito pequena dessas partículas para a formação de lítio, berílio ou boro. A ligação nuclear por núcleon no hélio-4 é mais forte do que em qualquer um desses três elementos (ver nucleogênese e energia de ligação). Portanto, não havia mecanismo energético disponível, uma vez formado o hélio, para criar os elementos de número atômico 3, 4 e 5. Em termos de energia, a fusão do hélio para formar o próximo elemento da tabela periódica com menor energia por núcleon também foi favorável: o carbono. No entanto, devido à falta de elementos intermediários, este processo exigiu a colisão quase simultânea de três núcleos de hélio-4 (ver processo triplo-alfa), de modo que não houve tempo suficiente para a formação de carbono no Big Bang: em poucos minutos, o universo primitivo esfriou a uma temperatura e pressão nas quais a fusão do hélio com o carbono não era mais possível. Isto fez com que o Universo primitivo tivesse uma relação hidrogénio/hélio muito semelhante à observada hoje (em massa, três partes de hidrogénio para uma parte de hélio-4), com quase todos os neutrões do Universo - como é o caso hoje - presos dentro de núcleos de hélio-4.

Todos os elementos mais pesados ​​– incluindo os necessários para formar planetas rochosos como a Terra e para a existência de vida baseada no carbono – tiveram de ser criados mais tarde, em estrelas suficientemente quentes para queimar não apenas hidrogénio – uma vez que este só produz mais hélio – mas o próprio hélio. Essas estrelas são massivas e, portanto, raras. O que foi dito acima dá origem ao fato de que todos os elementos químicos, exceto o hidrogênio e o hélio, constituem apenas 2% da massa na forma de átomos do universo. O hélio-4, por sua vez, constitui cerca de 23% de toda a matéria comum do universo, ou seja, praticamente toda a matéria comum que não seja hidrogênio.[10]​.

Fases gasosas e plasmáticas

O hélio é o gás nobre menos reativo depois do néon e, portanto, o segundo elemento menos reativo de todos eles. É inerte e monoatômico em condições normais. Devido à sua baixa massa atômica, na fase gasosa, a condutividade térmica, o calor específico e a velocidade do som são maiores do que em qualquer outro gás, exceto o hidrogênio. Por razões semelhantes, e também devido ao pequeno tamanho dos seus átomos, a sua taxa de difusão através dos sólidos é três vezes superior à do ar e cerca de 65% superior à do hidrogénio.[11]​.

Também é menos solúvel em água do que qualquer outro gás conhecido,[12]​ e seu índice de refração é o mais próximo da unidade de todos os gases.[13]​ Este elemento tem um coeficiente de Joule-Thomson negativo à temperatura ambiente normal, o que significa que ele aquece quando se expande livremente. Somente abaixo de sua temperatura de inversão Joule-Thomson (32 a 50 K a 1 atmosfera "Atmosfera (unidade)") ele esfria em expansão livre. Uma vez pré-resfriado abaixo desta temperatura, o hélio pode ser liquefeito por resfriamento devido à sua expansão.

A maior parte do hélio extraterrestre está no estado de plasma "Plasma (estado da matéria)"), com propriedades muito diferentes do hélio atômico. No plasma, os elétrons do hélio não estão ligados ao núcleo, tornando sua condutividade elétrica muito alta, mesmo quando o gás está apenas parcialmente ionizado. Partículas carregadas são altamente influenciadas por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar, juntamente com o hidrogénio ionizado, as partículas interagem com a magnetosfera da Terra, dando origem à corrente de Birkeland e às auroras.[14]​.

Fases líquidas e sólidas

Ao contrário de qualquer outro elemento, o hélio líquido permanecerá assim até o zero absoluto em pressões normais. Este é um efeito direto da mecânica quântica: especificamente, a energia do ponto zero do sistema é demasiado alta para permitir o congelamento. O hélio sólido requer uma temperatura de 1 a 1,5 K (cerca de -272 °C ou -457 °F) e uma pressão de cerca de 25 bar (2,5 MPa).[15] Muitas vezes é difícil distinguir o hélio sólido do líquido, uma vez que o índice de refração das duas fases é quase o mesmo. O sólido tem ponto de fusão marcado e estrutura cristalina, mas é muito compressível. Aplicar pressão em um laboratório pode reduzir seu volume em mais de 30%.[16]​ Com um módulo de compressibilidade da ordem de 50 MPa,[16]​ é 50 vezes mais compressível que a água. O hélio sólido tem uma densidade de 0,214 ± 0,006 g/ml a 1,15 K e 66 atm, a densidade projetada a 0 K e 25 bar (2,5 MPa) é 0,187 ± 0,009 g/ml.[17]​.

Abaixo do seu ponto de ebulição de 4,22 K, e acima do ponto lambda de 2,1768 K, o isótopo hélio-4 existe em um estado líquido incolor normal, chamado hélio I.[11] Como outros líquidos criogênicos, o hélio I ferve quando aquecido e se contrai quando sua temperatura diminui. Abaixo do ponto lambda, entretanto, esta fase não ferve e se expande à medida que a temperatura cai ainda mais.

O hélio tem um índice de refração semelhante ao de um gás, 1,026, o que torna sua superfície muito difícil de ver, então flutuadores de poliestireno extrudado são frequentemente usados ​​para ver onde está a superfície. Este líquido incolor tem uma viscosidade muito baixa e uma densidade de 0,145 g/mL, que é apenas um quarto do valor previsto pela física clássica.[11] É necessário recorrer à mecânica quântica para explicar essa propriedade e, por isso, ambos os tipos de hélio líquido são chamados de fluidos quânticos, o que significa que apresentam propriedades atômicas em escala macroscópica. Isto pode ser um efeito do fato de seu ponto de ebulição estar muito próximo do zero absoluto, o que impede que o movimento molecular aleatório (energia térmica) obscureça suas propriedades atômicas.[11]​.

O hélio líquido abaixo do seu ponto lambda apresenta características extremamente incomuns, em um estado denominado hélio II. A ebulição do hélio II não é possível devido à sua alta condutividade térmica; A entrada de calor causa a evaporação do líquido diretamente em gás. O isótopo hélio-3 também possui uma fase superfluida, mas apenas em temperaturas muito mais baixas. Como resultado, menos se sabe sobre as propriedades desta fase naquele isótopo.[11]​.

O Hélio II é um superfluido, um estado quântico da matéria com propriedades estranhas. Por exemplo, quando flui através de capilares tão finos quanto 10 a 10 m, não possui viscosidade mensurável. No entanto, quando as medições são feitas entre dois discos em movimento, observa-se uma viscosidade comparável à do hélio gasoso. A teoria atual explica esse fenômeno usando um para o hélio II. Neste modelo, considera-se que o hélio líquido abaixo do ponto lambda contém uma proporção de átomos de hélio no estado fundamental, que constituem o superfluido e que fluem com uma viscosidade exatamente igual a zero; e uma proporção de átomos de hélio em estado excitado, que se comportam mais como um fluido comum.[18]​.

Por ser um gás nobre, o hélio não participa de reações químicas na prática, embora sob a influência de descargas elétricas ou bombardeado com elétrons forme compostos.

O hélio tem valência zero e não é quimicamente reativo em condições normais.[24] É um isolante elétrico, a menos que seja ionizado. Tal como outros gases nobres, possui níveis de energia metaestáveis, permitindo-lhe permanecer ionizado numa descarga eléctrica a uma tensão inferior ao seu potencial de ionização. O hélio pode formar compostos instáveis, conhecidos como excímeros, com tungstênio, iodo, flúor e fósforo, quando submetido a uma descarga elétrica luminescente, bombardeio de elétrons ou, de outra forma, é um plasma. Os compostos moleculares HeNe, HgHe e WHe, e os íons moleculares He, He, HeH e HeD podem ser criados desta forma.[25] Esta técnica também permitiu a produção da molécula neutra He, que possui um grande número de sistemas de bandas espectrais, e da molécula HgHe, que aparentemente só é mantida unida por forças de polarização.[11] Em teoria, outros compostos reais também são possíveis, como o fluoridreto de hélio. (HHeF), que seria análogo ao fluoridreto de argônio"), descoberto em 2000. [26] Cálculos indicam que dois novos compostos contendo uma ligação hélio-oxigênio podem ser estáveis. inércia química do hélio, e o único elemento completamente inerte seria o néon.[28]​.

O hélio foi colocado em gaiolas moleculares de carbono (os fulerenos) por aquecimento a alta pressão. As moléculas endoédricas de fulereno formadas são estáveis ​​até altas temperaturas. Quando os derivados químicos desses fulerenos são formados, o hélio permanece dentro deles.[29]​ Se o hélio-3 for usado, ele pode ser facilmente observado por espectroscopia de ressonância magnética nuclear.[30]​ Um grande número de fulerenos contendo hélio-3 foi relatado. Embora os referidos átomos não estejam ligados por ligações covalentes ou iônicas, essas substâncias apresentam propriedades diferentes e uma composição definida, como todos os compostos químicos estequiométricos.

Existem oito isótopos de hélio conhecidos, mas apenas He e He são estáveis. Na atmosfera da Terra há um átomo de He para cada milhão de átomos de He.[31] Ao contrário de outros elementos, a abundância isotópica do hélio varia muito dependendo da sua origem, devido aos diferentes processos de formação. O isótopo mais comum, He, é produzido na Terra através do decaimento alfa de elementos radioativos mais pesados; As partículas alfa que aparecem são átomos de He completamente ionizados. Ele tem um núcleo incomumente estável porque seus núcleons estão dispostos em conchas completas. Além disso, este isótopo foi formado em grandes quantidades durante a nucleossíntese primordial no Big Bang.[32]​.

Ele está presente na Terra hoje em apenas vestígios (a maioria remonta à formação da Terra), embora parte dele caia na Terra quando preso na poeira cósmica.[33] Alguns vestígios também são produzidos através do decaimento beta do trítio.[34] Algumas rochas na crosta terrestre têm diferentes proporções de isótopos que variam em até um fator de dez. Estas proporções podem ser usadas para investigar a origem das rochas, bem como a composição do manto terrestre.[33] É muito mais abundante nas estrelas como produto da fusão nuclear. Consequentemente, no meio interestelar, a proporção de He para He é cerca de 100 vezes maior do que na Terra.[35] O material extraplanetário, como o asteróide e o regolito lunar, contém vestígios de He provenientes do bombardeio dos ventos solares contra eles. A superfície da Lua tem concentrações de He em torno de 0,01 ppm.[36][37] Algumas pessoas, principalmente Gerald Kulcinski em 1986, propuseram explorar a Lua, escavar o regolito lunar e usar o He para fusão nuclear.

Líquido He pode ser resfriado a 1 Kelvin usando resfriamento evaporativo em recipientes nos quais essas temperaturas possam ser alcançadas e mantidas. Um resfriamento semelhante para o hélio-3, que tem um ponto de ebulição mais baixo, pode ser alcançado em torno de 0,2 K em um refrigerador de hélio-3 ". Misturas contendo a mesma proporção de hélio-3 e hélio-4 a uma temperatura abaixo de 0,8 K se separam em duas fases imiscíveis devido à sua incompatibilidade (cada uma obedece a uma estatística quântica diferente): os átomos de hélio-4 são bósons, enquanto os de hélio-3 são férmions). Os refrigeradores de diluição") aproveitam esta impossibilidade de mistura para atingir temperaturas de alguns milikelvin.

É possível produzir isótopos exóticos de hélio, que se decompõem rapidamente em outras substâncias. O isótopo pesado de vida mais curta é o He, com meia-vida de 7,6×10 segundos. Ele se decompõe emitindo uma partícula beta e seu período de desintegração é de 0,8 segundos. Ele também emite partículas beta e raios gama. Tanto Ele quanto Ele são criados por meio de algumas reações nucleares.[11]​ Ele e Ele são conhecidos por terem um halo nuclear. ²He (consistindo de dois prótons e nenhum nêutron) é um radioisótopo que decai em prótio (hidrogênio) através da emissão de prótons, com um período de decaimento de 3×10 segundos.[11]​.

abundância natural

O hélio é o segundo elemento mais abundante no universo conhecido depois do hidrogênio e representa cerca de 23% da massa bárion do universo.[31] A maior parte do hélio foi formada durante a nucleossíntese do Big Bang, nos primeiros três minutos após ele. Desta forma, medir a sua abundância contribui para modelos cosmológicos. Nas estrelas, o hélio é formado pela fusão nuclear do hidrogênio nas reações em cadeia próton-próton e no ciclo CNO, que fazem parte da nucleossíntese estelar.[32]​.

Na atmosfera da Terra, a concentração de hélio por volume é de apenas 5,2 partes por milhão.[39][40]​ A concentração é baixa e praticamente constante, apesar da produção contínua de novo hélio, porque a maior parte do hélio na atmosfera escapa para o espaço devido a diferentes processos.[41][42]​ Na heterosfera da Terra, uma parte da alta atmosfera, o hélio e outros gases leves são os elementos mais abundantes.

Quase todo o hélio presente na Terra é resultado do decaimento radioativo e, portanto, um balão de hélio terrestre é, em essência, um saco de partículas alfa expelidas por esse processo. O hélio é encontrado em grandes quantidades em minerais de urânio e tório, incluindo cleveíta, pechblenda, carnotita e monazita, pois estes emitem partículas alfa (núcleos de hélio, He) e os elétrons imediatamente se combinam com eles assim que as partículas são detidas pela rocha. Desta forma, estima-se que cerca de 3.000 toneladas de hélio sejam geradas por ano em toda a litosfera.[43]​[44]​[45]​ Na crosta terrestre, a concentração de hélio é de 8 partes por bilhão. No mar, a concentração é de apenas 4 partes por bilhão. Existem também pequenas quantidades em fontes minerais, gás vulcânico e ferro meteórico. Como o hélio é aprisionado de forma semelhante ao gás natural por uma camada impermeável de rocha, as maiores concentrações deste elemento no planeta são encontradas no gás natural, de onde é extraída a maior parte do hélio comercial. A concentração varia em uma ampla faixa de alguns ppm a mais de 7% em um pequeno campo de gás no condado de San Juan "Condado de San Juan (Novo México)"), Novo México.[46]​[47]​.

Em 2016, cientistas britânicos descobriram um grande campo de gás hélio na África.[48]​ Este campo, localizado na República Unida da Tanzânia, mede aproximadamente 54 milhões de pés cúbicos em volume e é o maior campo de hélio do mundo.[49]​.

Extração moderna

Para uso em larga escala, é extraído por destilação fracionada do gás natural, que contém até 7% de hélio.[50] Tendo um ponto de ebulição mais baixo do que qualquer outro elemento, baixas temperaturas e altas pressões são usadas para liquefazer quase todos os outros gases (principalmente nitrogênio e metano). O hélio bruto resultante é purificado por exposições sucessivas a baixas temperaturas, nas quais quase todo o nitrogênio e outros gases restantes são precipitados da mistura de gases.[11]​ Como etapa final de purificação, é usado carvão ativado, resultando em hélio grau A, com uma pureza de 99,995%.[11]​ A principal impureza no hélio grau A é o néon. Na fase final da produção, a maior parte do hélio produzido é liquefeito através de um processo criogênico. Isso é necessário para aplicações que exigem hélio líquido e também permite que os fornecedores de hélio reduzam o custo do transporte de longa distância, uma vez que a maioria dos contêineres de hélio líquido tem capacidade cinco vezes maior que a dos caminhões-tanque que transportam hélio gasoso.[51][52]​.

Em 2008, cerca de 169 milhões de metros cúbicos padrão (SCM, definidos como um metro cúbico a uma pressão de 1 atm "Atmosfera (unidade)") e uma temperatura de 15 °C) de hélio foram extraídos de gás natural ou reservas de hélio. Destes, aproximadamente 78% vieram dos Estados Unidos, 10% da Argélia, e o restante foi extraído principalmente na Rússia, Polónia e Qatar. 4,2×SCM. Este montante é suficiente para cerca de 25 anos de utilização global, ou 35 anos de consumo nos EUA, embora se espere que a poupança e os factores de processamento tenham impacto nos números de reservas efectivas. Estima-se que as reservas básicas de hélio ainda não comprovadas que poderiam ser obtidas a partir do gás natural nos Estados Unidos sejam de 3,1 a 5,3 × 10 SCM, ou aproximadamente quatro ordens de grandeza maiores que as reservas provadas. extrações.[56]​.

O hélio deve ser extraído principalmente do gás natural, porque a sua presença no ar é apenas uma fração em comparação com a do néon e, no entanto, a sua procura é muito maior. Estima-se que se toda a produção de néon fosse reequipada para poupar hélio, 0,1% da procura global de hélio seria satisfeita. Da mesma forma, apenas 1% da procura global de hélio poderia ser satisfeita através da reequipamento de todas as instalações de destilação a ar. O hélio pode ser sintetizado bombardeando lítio ou boro usando prótons de alta velocidade. No entanto, este método de produção é totalmente inviável economicamente.[57]​.

As actuais reservas de hélio estão a esgotar-se muito mais rapidamente do que este elemento pode ser reposto. Dada esta situação, existem grandes preocupações de que o fornecimento de hélio possa esgotar-se em breve. Nas maiores reservas do mundo, em Amarillo (Texas), Texas, este gás deverá esgotar-se em oito anos a partir de 2008. Isto poderia ser evitado se os actuais utilizadores capturassem e reciclassem o gás e se as empresas de petróleo e gás natural utilizassem técnicas de captura de hélio ao extraí-lo.[58]​[59]​.

Devido à redução do volume de exportações de hélio pelos Estados Unidos, dando prioridade aos consumidores institucionais do país sobre as empresas privadas, a duração das reservas tem vindo a alargar-se. Em 2019, o preço do hélio no leilão da reserva nacional de hélio dos EUA aumentou 135%.[60] Desde então, outros países exportadores de gás natural, como a Argélia e o Qatar, desenvolveram fábricas de produção de hélio. No entanto, a maior fábrica em construção, propriedade da Gazprom e localizada na Rússia, sofreu atrasos no seu arranque devido às sanções económicas que o país tem recebido desde a invasão da Ucrânia "Invasão russa da Ucrânia (2022-presente)").[61]​.

O hélio é mais leve que o ar e, ao contrário do hidrogênio, não é inflamável. Seu poder de sustentação também é 8% menor que o do ar, por isso é utilizado como gás de enchimento em balões "Balão (de brinquedo)" e zepelins para publicidade, pesquisas atmosféricas e até mesmo para reconhecimento militar.

Embora o anterior seja o principal, o hélio tem mais aplicações:

• - As misturas hélio-oxigênio são utilizadas em mergulhos profundos, pois o hélio é inerte, menos solúvel no sangue que o nitrogênio e se difunde "Difusão (física)") 2,5 vezes mais rápido que o nitrogênio, o que reduz o tempo necessário para a descompressão. Porém, esta última deve começar com maior profundidade, reduzindo o risco de narcose (“embriaguez profunda”).

• - Devido ao seu baixo ponto de liquefação e evaporação, pode ser utilizado como refrigerante em aplicações de temperaturas extremamente baixas, como em ímãs supercondutores e pesquisas criogênicas em temperaturas próximas ao zero absoluto.

• - Na cromatografia gasosa é utilizado como gás de arraste inerte.

• - A atmosfera inerte de hélio é utilizada na soldagem a arco e na fabricação de cristais de silício e germânio, bem como na pressurização de combustíveis líquidos para foguetes.

• - Em túneis de vento supersônicos.

• - Como agente de resfriamento em reatores nucleares.

• - O hélio líquido está sendo cada vez mais utilizado em aplicações médicas de ressonância magnética (MRI).

• - É utilizado em equipamentos laser como um dos gases mais comuns, principalmente a mistura hélio-néon.

Do total da produção global de hélio em 2008, de 32 milhões de kg, a sua maior utilização (cerca de 22% do total em 2008) foi em aplicações criogénicas. Destes, a maioria estava na medicina, no resfriamento de ímãs supercondutores em scanners de ressonância magnética.[62] Outros usos importantes (um total de cerca de 78% de seu uso em 1996) foram em sistemas de pressurização e saneamento, manutenção de atmosferas controladas e soldagem.[63]​.

O hélio é usado para muitos fins que exigem algumas de suas propriedades únicas, como baixo ponto de ebulição, baixa densidade, baixa solubilidade, alta condutividade térmica ou baixa reatividade química. Da mesma forma, está disponível comercialmente na forma líquida e gasosa. Na forma líquida, pode ser fornecido em pequenos recipientes chamados frascos Dewar, que permitem armazenar até 1000 litros de hélio, ou em grandes recipientes ISO, com capacidade nominal de até 42 m³. Na forma gasosa, pequenas quantidades são fornecidas em cilindros de alta pressão que podem conter volume equivalente a 8 m³ padrão, enquanto grandes quantidades de gás de alta pressão são fornecidas em caminhões-tanque com capacidade equivalente a 4.860 m³ padrão. Isso ocorre porque o volume do gás é bastante reduzido quando submetido a altas pressões.

Como o hélio é mais leve que o ar, dirigíveis e balões são inflados com esse gás para levantá-los. Enquanto o hidrogênio experimenta uma força de impulso aproximadamente 7% maior, o hélio tem a vantagem de ser não inflamável (além de ser retardador de fogo). Na indústria espacial, é usado como meio de enchimento para deslocar combustíveis e oxidantes em tanques de armazenamento e para condensar hidrogênio e oxigênio para produzir combustível de foguete. Também é usado para purificar combustível e oxidante para equipamentos de apoio terrestre antes do lançamento, bem como para pré-resfriar hidrogênio líquido em veículos espaciais. Por exemplo, o propulsor Saturn V usado no Programa Apollo exigiu cerca de 370.000 m³ de hélio para lançar o foguete.

O hélio é menos denso que o ar atmosférico, então o timbre (mas não o tom "Tom (música)") da voz de uma pessoa muda quando ela é inalada. Isso ocorre porque, como o hélio é um gás bastante leve, ele se move mais rapidamente pelos espaços, fazendo com que as pregas vocais se movam em maior velocidade, causando uma onda sonora mais rápida e, portanto, mais aguda. No entanto, a inalação de uma fonte comercial típica, como as utilizadas para encher balões, pode ser perigosa devido ao risco de asfixia por falta de oxigénio e ao número de contaminantes que podem estar presentes. Estes podem incluir vestígios de outros gases, bem como óleo lubrificante em aerossol. No entanto, por se tratarem de produtos infantis, existem mecanismos que exigem a garantia da não toxicidade do gás, como a superação da “Conformidade Europeia” (marcação CE) exigida para brinquedos e derivados similares no mercado europeu, para garantir a segurança das crianças.

Devido à sua baixa solubilidade no tecido nervoso, misturas de hélio como trimix, heliox e Heliair são utilizadas em mergulho profundo para reduzir os efeitos da narcose. consideravelmente o esforço respiratório.

Os lasers de hélio-néon têm diversas aplicações, incluindo leitores de código de barras.

Uma das aplicações industriais do hélio é a detecção de vazamentos. Como se difunde através dos sólidos a uma taxa três vezes maior que a do ar, é usado como gás indicador para detectar vazamentos em equipamentos de alto vácuo e vasos de alta pressão.[68]​.

A taxa de vazamento em recipientes industriais (geralmente câmaras de vácuo e tanques criogênicos) é medida utilizando hélio, devido ao seu pequeno diâmetro molecular e à sua condição de gás inerte. Ainda não se conhece nenhuma substância inerte que possa vazar através de microfissuras ou microporos na parede de um recipiente a uma taxa maior que a do hélio. Um detector de vazamento de hélio (ver espectrômetro de massa) é usado para encontrar vazamentos em contêineres. Vazamentos de hélio através de rachaduras não devem ser confundidos com penetração de gás através de um material maciço. Embora as constantes de permeabilidade do hélio tenham sido documentadas através de vidros, cerâmicas e materiais sintéticos, gases inertes como o hélio não conseguem permear a maioria dos metais massivos.[69] Se for necessário conhecer a taxa de vazamento total do produto testado (por exemplo, em bombas de calor ou sistemas de ar condicionado), o objeto é colocado em uma câmara de teste, o ar de seu interior é removido com bombas de vácuo e o produto é preenchido com hélio a uma pressão específica. O hélio que escapa através de vazamentos é detectado por um espectrômetro de massa mesmo em taxas de vazamento de até 10 Pa·m³/s. O procedimento de medição é normalmente automático e é conhecido como "teste abrangente de hélio". Em um teste mais simples, o produto é preenchido com hélio e um operador procura manualmente o vazamento com um dispositivo chamado farejador.[70]

Devido à sua falta de reatividade e alta condutividade térmica, sua transparência aos nêutrons e porque não forma isótopos radioativos em condições de reator, é usado como meio de transferência de calor em alguns reatores nucleares resfriados a gás. Outra de suas utilizações é utilizá-lo como gás de proteção em processos de soldagem a arco em materiais facilmente contaminados pelo ar.

Por ser inerte, é utilizado como gás de proteção no crescimento de cristais de silício e germânio na produção de titânio e zircônio, bem como na cromatografia gasosa. Por esta mesma razão, devido à sua condutividade térmica e à alta velocidade do som no seu interior, à sua natureza de gás ideal e ao elevado valor do seu coeficiente de expansão adiabática, também é útil em túneis de vento supersônicos e em instalações de teste onde é necessária uma liberação repentina de energia do gás.[71][72]​.

O hélio, misturado com um gás mais pesado como o xenônio, é útil para resfriamento termoacústico devido ao alto coeficiente de expansão adiabática resultante e seu baixo número de Prandtl.[73] O comportamento inerte do hélio tem vantagens ambientais em relação aos sistemas de resfriamento convencionais, que contribuem para a destruição da camada de ozônio ou para o aquecimento global.[74]

A utilização do hélio reduz os efeitos de distorção causados ​​pelas variações de temperatura no espaço nas lentes de alguns telescópios, devido ao seu baixo índice de refração. Este método é usado especialmente em telescópios solares, nos quais um tubo de vácuo hermeticamente fechado seria muito pesado.[75][76]​.

Através de um processo conhecido como datação por hélio), a idade das rochas e minerais contendo urânio e tório pode ser estimada.

O hélio líquido é usado para resfriar certos metais – por exemplo, ímãs supercondutores usados ​​em tomografia de ressonância magnética – a temperaturas extremamente baixas, que são necessárias para a supercondutividade. O Grande Colisor de Hádrons do CERN usa 96 toneladas de hélio líquido para manter a temperatura em 1,9 K.[77] O hélio de baixa temperatura também é usado em criogenia.

O hélio é um gás de arraste comumente usado em cromatografia gasosa.

Descoberta científica

A primeira evidência da existência de hélio foi observada em 18 de agosto de 1868 como uma linha amarela brilhante com comprimento de 587,49 nanômetros no espectro da cromosfera solar. A linha foi detectada pelo astrônomo francês Pierre Janssen durante um eclipse solar total em Guntur, Índia.[78] Esta linha foi inicialmente pensada para ser produzida a partir de sódio. Em 20 de outubro do mesmo ano, o astrônomo inglês Joseph Norman Lockyer observou uma linha amarela no espectro solar, que chamou de linha Fraunhofer D por estar próxima das já conhecidas linhas de sódio D e D. Lockyer concluiu que esta 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 homenagem ao deus grego do sol (Ἥλιος, Helios), com o sufixo -ium já que se esperava que o novo elemento fosse metálico.

Em 1882, o físico italiano Luigi Palmieri detectou hélio na Terra pela primeira vez, através da sua linha espectral D, quando analisou a lava do Monte Vesúvio.[82]​.

Em 26 de março de 1895, Senhor William Ramsay isolou o hélio tratando a clevíte (uma variedade de uranita contendo pelo menos 10% de elementos de terras raras) com ácidos minerais. Na verdade, Ramsey estava procurando por argônio, mas depois de separar o nitrogênio e o oxigênio do gás liberado pelo ácido sulfúrico, ele notou uma linha amarela brilhante que correspondia à linha D observada no espectro solar. As amostras foram identificadas como hélio por Lockyer e pelo físico britânico William Crookes. Também foi isolado da clevíta no mesmo ano, de forma independente, pelos químicos Per Teodor Cleve e Abraham Langlet em Uppsala (Suécia), que conseguiram obter gás suficiente para determinar com precisão seu peso atômico. O hélio também foi isolado pelo geoquímico americano William Francis Hillebrand, embora ele tenha atribuído as linhas ao nitrogênio.

Em 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds demonstraram que as partículas alfa são núcleos de hélio, permitindo que as partículas penetrassem em uma parede fina de um tubo de vidro a vácuo e então criando uma descarga elétrica dentro do tubo para estudar o espectro do gás. Em 1908, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes produziu hélio líquido pela primeira vez, resfriando o gás a 0,9 K,[88]​ o que lhe valeu o Prêmio Nobel. Ele também tentou solidificar o hélio reduzindo sua temperatura, embora não tenha conseguido porque esse elemento não possui um ponto triplo, a temperatura na qual as fases sólida, líquida e gasosa existem em equilíbrio. Em 1926, seu discípulo Willem Hendrik Keesom conseguiu solidificar 1 cm³ de hélio pela primeira vez.[89]​.

Em 1938, o físico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa descobriu que o hélio-4 quase não tem viscosidade em temperaturas próximas do zero absoluto, um fenômeno agora chamado de superfluidez.[90] Este fenômeno está relacionado à condensação de Bose-Einstein. Em 1972, o mesmo fenômeno foi observado no hélio-3, mas a temperaturas muito mais próximas do zero absoluto, pelos físicos americanos Douglas D. Osheroff, David M. Lee e Robert C. Richardson. Acredita-se que no hélio-3 o fenômeno esteja relacionado à criação de pares de férmions deste isótopo, de tal forma que se formam bósons, em analogia aos pares de Cooper que produzem supercondutividade.[91]​.

Extração e uso

Depois que uma operação de perfuração de petróleo em Dexter, Kansas, em 1903, produziu um gêiser de gás incombustível, o geólogo Erasmus Haworth coletou amostras dos gases emanados e as levou para a Universidade do Kansas em Lawrence, onde, com a ajuda dos químicos Hamilton Cady e David McFarland, descobriu que o gás consistia, em volume, de 72% de nitrogênio, 15% de metano (uma porcentagem que só pode ser queimada com oxigênio suficiente), 1% de hidrogênio e 12% é um gás não identificado.[92] Em análises posteriores, Cady e McFarland descobriram que 1,84% da amostra de gás era hélio.[93][94] Isto demonstrou que, apesar da sua raridade global na Terra, o hélio estava concentrado em grandes quantidades abaixo das Grandes Planícies dos Estados Unidos, disponível para extração como subproduto do gás natural.[95] As maiores reservas de hélio estavam nos campos de gás do sudoeste do Kansas, Texas e Oklahoma.

Isso permitiu que os Estados Unidos se tornassem o maior produtor de hélio do mundo. Seguindo uma sugestão de Sir Richard Threlfall, a Marinha dos EUA patrocinou três pequenas fábricas experimentais de produção de hélio durante a Primeira Guerra Mundial. O objetivo era fornecer aos balões de defesa um gás não inflamável, mais leve que o ar. Com este programa foram produzidos um total de 5.700 m³ de 92% de hélio, apesar de anteriormente ter sido obtido apenas menos de um metro cúbico de gás. Parte dele foi usada na primeira aeronave inflada com hélio da Marinha dos EUA, que fez sua primeira viagem de Hampton Roads, Virgínia, para Bolling Field em Washington, D.C., em 1º de dezembro de 1921.

Embora o processo de extração utilizando liquefação de gás a baixa temperatura não tenha sido desenvolvido a tempo de ser relevante durante a Primeira Guerra Mundial, a produção continuou. O hélio foi usado principalmente como gás de elevação em aeronaves mais leves que o ar. A demanda por esse uso, assim como pela soldagem a arco, foi maior durante a Segunda Guerra Mundial. O espectrômetro de massa de hélio também foi vital na bomba atômica desenvolvida pelo Projeto Manhattan.[97]​.

O governo dos Estados Unidos criou a Reserva Nacional de Hélio em 1925 em Amarillo, Texas, com o objetivo de fornecê-la a aeronaves militares em tempos de guerra e a aeronaves comerciais em tempos de paz. Devido a um embargo militar dos Estados Unidos contra a Alemanha, no qual o fornecimento de hélio foi restringido, o LZ-129 Hindenburg foi forçado a usar hidrogénio como gás de reforço. O uso de hélio após a Segunda Guerra Mundial foi reduzido, mas as reservas foram ampliadas na década de 1950 para garantir seu fornecimento na forma líquida como refrigerante para criar combustível de hidrogênio e oxigênio (entre outros usos) para foguetes durante a corrida espacial e a Guerra Fria. O uso de hélio nos Estados Unidos em 1965 foi mais de oito vezes o consumo máximo durante a guerra.[98]​.

O Bureau of Mines dos Estados Unidos tinha cinco fábricas privadas para recuperar hélio do gás natural. [99]

O hélio neutro em condições normais não é tóxico, não desempenha nenhum papel biológico e é encontrado em pequenas quantidades no sangue humano. Se for inalado hélio suficiente para substituir o oxigênio necessário para a respiração, isso pode causar asfixia. Os cuidados que devem ser tomados com o hélio utilizado na criogenia são semelhantes aos do nitrogênio líquido. Sua temperatura extremamente baixa pode causar queimaduras de congelamento e a taxa de expansão de líquido para gás pode causar explosões se mecanismos de liberação de pressão não forem usados.

Tanques de hélio gasoso a temperaturas de 5 a 10 K devem ser armazenados como se contivessem hélio líquido devido ao grande aumento de pressão e à expansão térmica significativa que ocorre quando o gás é aquecido de uma temperatura abaixo de 10 K até a temperatura ambiente.[24]​.

A velocidade do som no hélio é quase três vezes a velocidade do som no ar. Porque a frequência fundamental de uma cavidade cheia de gás é proporcional à velocidade do som no gás. Se o hélio for inalado, há um aumento correspondente nas alturas das frequências de ressonância das pregas vocais.[105]​ (O efeito oposto, redução das frequências, pode ser obtido pela inalação de um gás denso como o hexafluoreto de enxofre).

Sua inalação pode ser perigosa se feita em excesso, pois é um gás asfixiante e desloca o oxigênio necessário para a respiração normal.[106] Respirar hélio puro continuamente causa morte por asfixia em poucos minutos. A inalação de hélio diretamente de cilindros pressurizados é extremamente perigosa, pois a alta velocidade do fluxo pode resultar na ruptura dos tecidos pulmonares.[106][107] No entanto, a morte causada pelo hélio é muito rara, com apenas duas mortes relatadas nos Estados Unidos entre 2000 e 2004.[107]​.

Em altas pressões (mais de 20 atm ou dois MPa), uma mistura de hélio e oxigênio (heliox) pode levar à síndrome de alta pressão nervosa; uma espécie de efeito anestésico reverso. Adicionar uma pequena quantidade de nitrogênio à mistura pode resolver o problema.[108]​[109]​.

• - Efeito Leidenfrost.

• - Gás nobre.

• - Origem inorgânica do petróleo.

• - Tabela periódica dos elementos.

• - Superfluidez.

• - Gosma.

• - O Wikimedia Commons hospeda uma galeria multimídia sobre Helium.

• -WebElements.com.

• -EnvironmentalChemistry.com.

• - É Elementar.

• - Elementos Químicos: Hélio.

• - Instituto Nacional de Segurança e Higiene no Trabalho de Espanha: Ficha internacional de segurança química para hélio.

Contenido

Aunque el helio tiene una configuración electrónica 1s², no se coloca en el grupo 2 de la tabla periódica junto al hidrógeno y otros elementos del bloque s. En su lugar, se ubica en el grupo 18, correspondiente a los gases nobles, debido a sus propiedades químicas únicas. Este elemento, al poseer su nivel de energía completamente lleno, es químicamente inerte y no forma compuestos fácilmente, características típicas de los gases nobles. Aunque su configuración lo asociaría al bloque s, su comportamiento químico lo justifica como parte del bloque p. Esto hace que el helio sea una excepción importante en la disposición de los elementos en la tabla periódica.

En condiciones normales de presión y temperatura (25 °C y 1 atm), el helio es un gas monoatómico, no inflamable y extremadamente ligero. Es notablemente difícil de licuar debido a su baja temperatura crítica, que es de apenas 5.20K (−267.96 °C). Esto significa que, por encima de esa temperatura, el helio no puede pasar al estado líquido, sin importar cuánta presión se le aplique. A temperaturas inferiores a la crítica, el helio solo puede licuarse mediante una combinación de enfriamiento extremo y alta presión. Este comportamiento lo convierte en un caso único entre todos los elementos químicos.

Otro aspecto fascinante del helio es su elevado calor específico, especialmente en estado gaseoso. Este valor, más alto que el de la mayoría de los gases, hace que el helio se expanda rápidamente cuando se calienta, incluso a temperatura ambiente. En condiciones de bajas temperaturas, el helio líquido también exhibe propiedades únicas, como la superfluidez, una fase en la que fluye sin viscosidad, superando obstáculos sin resistencia.

El helio posee el punto de solidificación más bajo conocido. A presiones normales, incluso en el cero absoluto (0 K o −273.15 °C), el helio-4 permanece en estado líquido debido a su energía de punto cero, un efecto cuántico que impide que sus átomos se estabilicen en un estado sólido. Sin embargo, al someterlo a presiones superiores a 25 atm "Atmósfera (unidad)"), el helio puede solidificarse. El helio sólido"), a temperaturas cercanas a 1 K (−272.15 °C), adopta una estructura cristalina hexagonal compacta"). A medida que la presión aumenta, se han observado cambios a estructuras cristalinas diferentes, aunque con densidades y energías muy similares. Estos cambios reflejan las complejas interacciones entre los átomos del helio en condiciones extremas.[5]​.

O átomo de hélio

O hélio é um elemento químico cujo átomo é o mais simples de resolver usando as regras da mecânica quântica depois do átomo de hidrogênio. Consiste em dois elétrons orbitando um núcleo contendo dois prótons junto com um ou dois nêutrons, dependendo do isótopo. No entanto, como na mecânica newtoniana, nenhum sistema que consiste em mais de duas partículas pode ser resolvido com uma abordagem de análise matemática exata (ver problema dos três corpos) e o hélio não é exceção. Assim, são necessários métodos matemáticos, até mesmo para resolver o sistema de um núcleo e dois elétrons. No entanto, tais métodos de química computacional têm sido usados ​​para criar uma imagem da mecânica quântica das ligações de elétrons de hélio com uma precisão de 2% do valor correto, com algumas etapas de cálculo computacional. Nestes modelos observa-se que cada elétron impede parcialmente o outro de sentir a interação com o núcleo, de modo que a carga nuclear efetiva Z é de aproximadamente 1,69 unidades, e não as 2 cargas de um clássico "núcleo nu" de hélio.

O átomo de hidrogênio é amplamente utilizado para ajudar a resolver o átomo de hélio. O modelo atômico de Bohr forneceu uma explicação muito precisa do espectro do átomo de hidrogênio, mas quando foi feita uma tentativa de usá-lo no hélio, o modelo falhou. Werner Heisenberg desenvolveu uma modificação da análise de Bohr, na qual utilizou valores semiintegrados dos números quânticos. A teoria do funcional da densidade é usada para obter os níveis de energia do estado fundamental do átomo de hélio, juntamente com o método Hartree-Fock.

O núcleo do átomo de hélio-4, que é exatamente igual a uma partícula alfa,[7]​ é particularmente interessante. A razão para isto é porque experiências de dispersão de electrões de alta energia mostraram que a sua carga diminui exponencialmente a partir de um máximo no seu ponto central, exactamente da mesma forma que a densidade de carga na sua própria nuvem electrónica diminui. Essa simetria reflete princípios físicos semelhantes: o par de nêutrons e prótons no núcleo do hélio obedece às mesmas regras da mecânica quântica dos dois elétrons que o orbitam – embora a união das partículas no núcleo se deva a um potencial “potencial (física)” diferente daquele que mantém os elétrons na nuvem ao redor do átomo. Desta forma, esses férmions (isto é, tanto prótons, quanto elétrons e nêutrons) ocupam completamente os orbitais 1s aos pares, nenhum deles possui momento angular orbital e cada um deles cancela o spin intrínseco do outro. Adicionar outra dessas partículas exigiria momento angular e liberaria substancialmente menos energia (na verdade, nenhum núcleo com cinco núcleons é estável). Por esta razão, este arranjo destas partículas é extremamente estável energeticamente, e esta estabilidade dá origem a muitos fenómenos cruciais inerentes ao hélio na natureza.

Como exemplo desses fatos devido à alta estabilidade da configuração eletrônica do hélio está a baixa reatividade química deste elemento (a mais baixa de toda a tabela periódica), bem como a falta de interação de seus átomos entre si. Isto produz os pontos de fusão e ebulição mais baixos de todos os elementos. Da mesma forma, a estabilidade energética do núcleo de hélio-4 dá origem à sua fácil produção em reações atômicas que envolvem tanto a emissão de partículas pesadas quanto a fusão nuclear. Algum hélio-3 estável é produzido em reações de fusão a partir do hidrogênio, mas é uma fração muito menor em comparação com o hélio-4. A estabilidade do hélio-4 é a razão pela qual o hidrogénio é convertido nesta forma de hélio no Sol, em vez de hélio-3, deutério ou outros elementos mais pesados. Também é parcialmente responsável pelo fato de a partícula alfa ser, de longe, o tipo de partícula bárion mais comumente ejetada dos núcleos atômicos. Em outras palavras, o decaimento alfa é muito mais comum do que o decaimento em núcleos mais pesados.[8]​.

A estabilidade incomum do hélio-4 também é importante na cosmologia. Nos primeiros minutos após o Big Bang, o universo era composto por uma mistura de núcleons livres (prótons e nêutrons). Esta "sopa" originalmente tinha uma proporção de seis prótons para cada nêutron, e depois de um tempo esfriou até o ponto onde a fusão nuclear poderia ocorrer.[9] A estabilidade do hélio significou que quase todas as agregações de núcleons formadas naquela época eram núcleos de hélio-4. A união de prótons e nêutrons para formar o hélio-4 é tão forte que, de fato, a produção desse elemento consumiu quase todos os nêutrons livres em questão de minutos, antes que esses núcleos pudessem decair através do decaimento beta. Isso deixou uma quantidade muito pequena dessas partículas para a formação de lítio, berílio ou boro. A ligação nuclear por núcleon no hélio-4 é mais forte do que em qualquer um desses três elementos (ver nucleogênese e energia de ligação). Portanto, não havia mecanismo energético disponível, uma vez formado o hélio, para criar os elementos de número atômico 3, 4 e 5. Em termos de energia, a fusão do hélio para formar o próximo elemento da tabela periódica com menor energia por núcleon também foi favorável: o carbono. No entanto, devido à falta de elementos intermediários, este processo exigiu a colisão quase simultânea de três núcleos de hélio-4 (ver processo triplo-alfa), de modo que não houve tempo suficiente para a formação de carbono no Big Bang: em poucos minutos, o universo primitivo esfriou a uma temperatura e pressão nas quais a fusão do hélio com o carbono não era mais possível. Isto fez com que o Universo primitivo tivesse uma relação hidrogénio/hélio muito semelhante à observada hoje (em massa, três partes de hidrogénio para uma parte de hélio-4), com quase todos os neutrões do Universo - como é o caso hoje - presos dentro de núcleos de hélio-4.

Todos os elementos mais pesados ​​– incluindo os necessários para formar planetas rochosos como a Terra e para a existência de vida baseada no carbono – tiveram de ser criados mais tarde, em estrelas suficientemente quentes para queimar não apenas hidrogénio – uma vez que este só produz mais hélio – mas o próprio hélio. Essas estrelas são massivas e, portanto, raras. O que foi dito acima dá origem ao fato de que todos os elementos químicos, exceto o hidrogênio e o hélio, constituem apenas 2% da massa na forma de átomos do universo. O hélio-4, por sua vez, constitui cerca de 23% de toda a matéria comum do universo, ou seja, praticamente toda a matéria comum que não seja hidrogênio.[10]​.

Fases gasosas e plasmáticas

O hélio é o gás nobre menos reativo depois do néon e, portanto, o segundo elemento menos reativo de todos eles. É inerte e monoatômico em condições normais. Devido à sua baixa massa atômica, na fase gasosa, a condutividade térmica, o calor específico e a velocidade do som são maiores do que em qualquer outro gás, exceto o hidrogênio. Por razões semelhantes, e também devido ao pequeno tamanho dos seus átomos, a sua taxa de difusão através dos sólidos é três vezes superior à do ar e cerca de 65% superior à do hidrogénio.[11]​.

Também é menos solúvel em água do que qualquer outro gás conhecido,[12]​ e seu índice de refração é o mais próximo da unidade de todos os gases.[13]​ Este elemento tem um coeficiente de Joule-Thomson negativo à temperatura ambiente normal, o que significa que ele aquece quando se expande livremente. Somente abaixo de sua temperatura de inversão Joule-Thomson (32 a 50 K a 1 atmosfera "Atmosfera (unidade)") ele esfria em expansão livre. Uma vez pré-resfriado abaixo desta temperatura, o hélio pode ser liquefeito por resfriamento devido à sua expansão.

A maior parte do hélio extraterrestre está no estado de plasma "Plasma (estado da matéria)"), com propriedades muito diferentes do hélio atômico. No plasma, os elétrons do hélio não estão ligados ao núcleo, tornando sua condutividade elétrica muito alta, mesmo quando o gás está apenas parcialmente ionizado. Partículas carregadas são altamente influenciadas por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar, juntamente com o hidrogénio ionizado, as partículas interagem com a magnetosfera da Terra, dando origem à corrente de Birkeland e às auroras.[14]​.

Fases líquidas e sólidas

Ao contrário de qualquer outro elemento, o hélio líquido permanecerá assim até o zero absoluto em pressões normais. Este é um efeito direto da mecânica quântica: especificamente, a energia do ponto zero do sistema é demasiado alta para permitir o congelamento. O hélio sólido requer uma temperatura de 1 a 1,5 K (cerca de -272 °C ou -457 °F) e uma pressão de cerca de 25 bar (2,5 MPa).[15] Muitas vezes é difícil distinguir o hélio sólido do líquido, uma vez que o índice de refração das duas fases é quase o mesmo. O sólido tem ponto de fusão marcado e estrutura cristalina, mas é muito compressível. Aplicar pressão em um laboratório pode reduzir seu volume em mais de 30%.[16]​ Com um módulo de compressibilidade da ordem de 50 MPa,[16]​ é 50 vezes mais compressível que a água. O hélio sólido tem uma densidade de 0,214 ± 0,006 g/ml a 1,15 K e 66 atm, a densidade projetada a 0 K e 25 bar (2,5 MPa) é 0,187 ± 0,009 g/ml.[17]​.

Abaixo do seu ponto de ebulição de 4,22 K, e acima do ponto lambda de 2,1768 K, o isótopo hélio-4 existe em um estado líquido incolor normal, chamado hélio I.[11] Como outros líquidos criogênicos, o hélio I ferve quando aquecido e se contrai quando sua temperatura diminui. Abaixo do ponto lambda, entretanto, esta fase não ferve e se expande à medida que a temperatura cai ainda mais.

O hélio tem um índice de refração semelhante ao de um gás, 1,026, o que torna sua superfície muito difícil de ver, então flutuadores de poliestireno extrudado são frequentemente usados ​​para ver onde está a superfície. Este líquido incolor tem uma viscosidade muito baixa e uma densidade de 0,145 g/mL, que é apenas um quarto do valor previsto pela física clássica.[11] É necessário recorrer à mecânica quântica para explicar essa propriedade e, por isso, ambos os tipos de hélio líquido são chamados de fluidos quânticos, o que significa que apresentam propriedades atômicas em escala macroscópica. Isto pode ser um efeito do fato de seu ponto de ebulição estar muito próximo do zero absoluto, o que impede que o movimento molecular aleatório (energia térmica) obscureça suas propriedades atômicas.[11]​.

O hélio líquido abaixo do seu ponto lambda apresenta características extremamente incomuns, em um estado denominado hélio II. A ebulição do hélio II não é possível devido à sua alta condutividade térmica; A entrada de calor causa a evaporação do líquido diretamente em gás. O isótopo hélio-3 também possui uma fase superfluida, mas apenas em temperaturas muito mais baixas. Como resultado, menos se sabe sobre as propriedades desta fase naquele isótopo.[11]​.

O Hélio II é um superfluido, um estado quântico da matéria com propriedades estranhas. Por exemplo, quando flui através de capilares tão finos quanto 10 a 10 m, não possui viscosidade mensurável. No entanto, quando as medições são feitas entre dois discos em movimento, observa-se uma viscosidade comparável à do hélio gasoso. A teoria atual explica esse fenômeno usando um para o hélio II. Neste modelo, considera-se que o hélio líquido abaixo do ponto lambda contém uma proporção de átomos de hélio no estado fundamental, que constituem o superfluido e que fluem com uma viscosidade exatamente igual a zero; e uma proporção de átomos de hélio em estado excitado, que se comportam mais como um fluido comum.[18]​.

Por ser um gás nobre, o hélio não participa de reações químicas na prática, embora sob a influência de descargas elétricas ou bombardeado com elétrons forme compostos.

O hélio tem valência zero e não é quimicamente reativo em condições normais.[24] É um isolante elétrico, a menos que seja ionizado. Tal como outros gases nobres, possui níveis de energia metaestáveis, permitindo-lhe permanecer ionizado numa descarga eléctrica a uma tensão inferior ao seu potencial de ionização. O hélio pode formar compostos instáveis, conhecidos como excímeros, com tungstênio, iodo, flúor e fósforo, quando submetido a uma descarga elétrica luminescente, bombardeio de elétrons ou, de outra forma, é um plasma. Os compostos moleculares HeNe, HgHe e WHe, e os íons moleculares He, He, HeH e HeD podem ser criados desta forma.[25] Esta técnica também permitiu a produção da molécula neutra He, que possui um grande número de sistemas de bandas espectrais, e da molécula HgHe, que aparentemente só é mantida unida por forças de polarização.[11] Em teoria, outros compostos reais também são possíveis, como o fluoridreto de hélio. (HHeF), que seria análogo ao fluoridreto de argônio"), descoberto em 2000. [26] Cálculos indicam que dois novos compostos contendo uma ligação hélio-oxigênio podem ser estáveis. inércia química do hélio, e o único elemento completamente inerte seria o néon.[28]​.

O hélio foi colocado em gaiolas moleculares de carbono (os fulerenos) por aquecimento a alta pressão. As moléculas endoédricas de fulereno formadas são estáveis ​​até altas temperaturas. Quando os derivados químicos desses fulerenos são formados, o hélio permanece dentro deles.[29]​ Se o hélio-3 for usado, ele pode ser facilmente observado por espectroscopia de ressonância magnética nuclear.[30]​ Um grande número de fulerenos contendo hélio-3 foi relatado. Embora os referidos átomos não estejam ligados por ligações covalentes ou iônicas, essas substâncias apresentam propriedades diferentes e uma composição definida, como todos os compostos químicos estequiométricos.

Existem oito isótopos de hélio conhecidos, mas apenas He e He são estáveis. Na atmosfera da Terra há um átomo de He para cada milhão de átomos de He.[31] Ao contrário de outros elementos, a abundância isotópica do hélio varia muito dependendo da sua origem, devido aos diferentes processos de formação. O isótopo mais comum, He, é produzido na Terra através do decaimento alfa de elementos radioativos mais pesados; As partículas alfa que aparecem são átomos de He completamente ionizados. Ele tem um núcleo incomumente estável porque seus núcleons estão dispostos em conchas completas. Além disso, este isótopo foi formado em grandes quantidades durante a nucleossíntese primordial no Big Bang.[32]​.

Ele está presente na Terra hoje em apenas vestígios (a maioria remonta à formação da Terra), embora parte dele caia na Terra quando preso na poeira cósmica.[33] Alguns vestígios também são produzidos através do decaimento beta do trítio.[34] Algumas rochas na crosta terrestre têm diferentes proporções de isótopos que variam em até um fator de dez. Estas proporções podem ser usadas para investigar a origem das rochas, bem como a composição do manto terrestre.[33] É muito mais abundante nas estrelas como produto da fusão nuclear. Consequentemente, no meio interestelar, a proporção de He para He é cerca de 100 vezes maior do que na Terra.[35] O material extraplanetário, como o asteróide e o regolito lunar, contém vestígios de He provenientes do bombardeio dos ventos solares contra eles. A superfície da Lua tem concentrações de He em torno de 0,01 ppm.[36][37] Algumas pessoas, principalmente Gerald Kulcinski em 1986, propuseram explorar a Lua, escavar o regolito lunar e usar o He para fusão nuclear.

Líquido He pode ser resfriado a 1 Kelvin usando resfriamento evaporativo em recipientes nos quais essas temperaturas possam ser alcançadas e mantidas. Um resfriamento semelhante para o hélio-3, que tem um ponto de ebulição mais baixo, pode ser alcançado em torno de 0,2 K em um refrigerador de hélio-3 ". Misturas contendo a mesma proporção de hélio-3 e hélio-4 a uma temperatura abaixo de 0,8 K se separam em duas fases imiscíveis devido à sua incompatibilidade (cada uma obedece a uma estatística quântica diferente): os átomos de hélio-4 são bósons, enquanto os de hélio-3 são férmions). Os refrigeradores de diluição") aproveitam esta impossibilidade de mistura para atingir temperaturas de alguns milikelvin.

É possível produzir isótopos exóticos de hélio, que se decompõem rapidamente em outras substâncias. O isótopo pesado de vida mais curta é o He, com meia-vida de 7,6×10 segundos. Ele se decompõe emitindo uma partícula beta e seu período de desintegração é de 0,8 segundos. Ele também emite partículas beta e raios gama. Tanto Ele quanto Ele são criados por meio de algumas reações nucleares.[11]​ Ele e Ele são conhecidos por terem um halo nuclear. ²He (consistindo de dois prótons e nenhum nêutron) é um radioisótopo que decai em prótio (hidrogênio) através da emissão de prótons, com um período de decaimento de 3×10 segundos.[11]​.

abundância natural

O hélio é o segundo elemento mais abundante no universo conhecido depois do hidrogênio e representa cerca de 23% da massa bárion do universo.[31] A maior parte do hélio foi formada durante a nucleossíntese do Big Bang, nos primeiros três minutos após ele. Desta forma, medir a sua abundância contribui para modelos cosmológicos. Nas estrelas, o hélio é formado pela fusão nuclear do hidrogênio nas reações em cadeia próton-próton e no ciclo CNO, que fazem parte da nucleossíntese estelar.[32]​.

Na atmosfera da Terra, a concentração de hélio por volume é de apenas 5,2 partes por milhão.[39][40]​ A concentração é baixa e praticamente constante, apesar da produção contínua de novo hélio, porque a maior parte do hélio na atmosfera escapa para o espaço devido a diferentes processos.[41][42]​ Na heterosfera da Terra, uma parte da alta atmosfera, o hélio e outros gases leves são os elementos mais abundantes.

Quase todo o hélio presente na Terra é resultado do decaimento radioativo e, portanto, um balão de hélio terrestre é, em essência, um saco de partículas alfa expelidas por esse processo. O hélio é encontrado em grandes quantidades em minerais de urânio e tório, incluindo cleveíta, pechblenda, carnotita e monazita, pois estes emitem partículas alfa (núcleos de hélio, He) e os elétrons imediatamente se combinam com eles assim que as partículas são detidas pela rocha. Desta forma, estima-se que cerca de 3.000 toneladas de hélio sejam geradas por ano em toda a litosfera.[43]​[44]​[45]​ Na crosta terrestre, a concentração de hélio é de 8 partes por bilhão. No mar, a concentração é de apenas 4 partes por bilhão. Existem também pequenas quantidades em fontes minerais, gás vulcânico e ferro meteórico. Como o hélio é aprisionado de forma semelhante ao gás natural por uma camada impermeável de rocha, as maiores concentrações deste elemento no planeta são encontradas no gás natural, de onde é extraída a maior parte do hélio comercial. A concentração varia em uma ampla faixa de alguns ppm a mais de 7% em um pequeno campo de gás no condado de San Juan "Condado de San Juan (Novo México)"), Novo México.[46]​[47]​.

Em 2016, cientistas britânicos descobriram um grande campo de gás hélio na África.[48]​ Este campo, localizado na República Unida da Tanzânia, mede aproximadamente 54 milhões de pés cúbicos em volume e é o maior campo de hélio do mundo.[49]​.

Extração moderna

Para uso em larga escala, é extraído por destilação fracionada do gás natural, que contém até 7% de hélio.[50] Tendo um ponto de ebulição mais baixo do que qualquer outro elemento, baixas temperaturas e altas pressões são usadas para liquefazer quase todos os outros gases (principalmente nitrogênio e metano). O hélio bruto resultante é purificado por exposições sucessivas a baixas temperaturas, nas quais quase todo o nitrogênio e outros gases restantes são precipitados da mistura de gases.[11]​ Como etapa final de purificação, é usado carvão ativado, resultando em hélio grau A, com uma pureza de 99,995%.[11]​ A principal impureza no hélio grau A é o néon. Na fase final da produção, a maior parte do hélio produzido é liquefeito através de um processo criogênico. Isso é necessário para aplicações que exigem hélio líquido e também permite que os fornecedores de hélio reduzam o custo do transporte de longa distância, uma vez que a maioria dos contêineres de hélio líquido tem capacidade cinco vezes maior que a dos caminhões-tanque que transportam hélio gasoso.[51][52]​.

Em 2008, cerca de 169 milhões de metros cúbicos padrão (SCM, definidos como um metro cúbico a uma pressão de 1 atm "Atmosfera (unidade)") e uma temperatura de 15 °C) de hélio foram extraídos de gás natural ou reservas de hélio. Destes, aproximadamente 78% vieram dos Estados Unidos, 10% da Argélia, e o restante foi extraído principalmente na Rússia, Polónia e Qatar. 4,2×SCM. Este montante é suficiente para cerca de 25 anos de utilização global, ou 35 anos de consumo nos EUA, embora se espere que a poupança e os factores de processamento tenham impacto nos números de reservas efectivas. Estima-se que as reservas básicas de hélio ainda não comprovadas que poderiam ser obtidas a partir do gás natural nos Estados Unidos sejam de 3,1 a 5,3 × 10 SCM, ou aproximadamente quatro ordens de grandeza maiores que as reservas provadas. extrações.[56]​.

O hélio deve ser extraído principalmente do gás natural, porque a sua presença no ar é apenas uma fração em comparação com a do néon e, no entanto, a sua procura é muito maior. Estima-se que se toda a produção de néon fosse reequipada para poupar hélio, 0,1% da procura global de hélio seria satisfeita. Da mesma forma, apenas 1% da procura global de hélio poderia ser satisfeita através da reequipamento de todas as instalações de destilação a ar. O hélio pode ser sintetizado bombardeando lítio ou boro usando prótons de alta velocidade. No entanto, este método de produção é totalmente inviável economicamente.[57]​.

As actuais reservas de hélio estão a esgotar-se muito mais rapidamente do que este elemento pode ser reposto. Dada esta situação, existem grandes preocupações de que o fornecimento de hélio possa esgotar-se em breve. Nas maiores reservas do mundo, em Amarillo (Texas), Texas, este gás deverá esgotar-se em oito anos a partir de 2008. Isto poderia ser evitado se os actuais utilizadores capturassem e reciclassem o gás e se as empresas de petróleo e gás natural utilizassem técnicas de captura de hélio ao extraí-lo.[58]​[59]​.

Devido à redução do volume de exportações de hélio pelos Estados Unidos, dando prioridade aos consumidores institucionais do país sobre as empresas privadas, a duração das reservas tem vindo a alargar-se. Em 2019, o preço do hélio no leilão da reserva nacional de hélio dos EUA aumentou 135%.[60] Desde então, outros países exportadores de gás natural, como a Argélia e o Qatar, desenvolveram fábricas de produção de hélio. No entanto, a maior fábrica em construção, propriedade da Gazprom e localizada na Rússia, sofreu atrasos no seu arranque devido às sanções económicas que o país tem recebido desde a invasão da Ucrânia "Invasão russa da Ucrânia (2022-presente)").[61]​.

O hélio é mais leve que o ar e, ao contrário do hidrogênio, não é inflamável. Seu poder de sustentação também é 8% menor que o do ar, por isso é utilizado como gás de enchimento em balões "Balão (de brinquedo)" e zepelins para publicidade, pesquisas atmosféricas e até mesmo para reconhecimento militar.

Embora o anterior seja o principal, o hélio tem mais aplicações:

• - As misturas hélio-oxigênio são utilizadas em mergulhos profundos, pois o hélio é inerte, menos solúvel no sangue que o nitrogênio e se difunde "Difusão (física)") 2,5 vezes mais rápido que o nitrogênio, o que reduz o tempo necessário para a descompressão. Porém, esta última deve começar com maior profundidade, reduzindo o risco de narcose (“embriaguez profunda”).

• - Devido ao seu baixo ponto de liquefação e evaporação, pode ser utilizado como refrigerante em aplicações de temperaturas extremamente baixas, como em ímãs supercondutores e pesquisas criogênicas em temperaturas próximas ao zero absoluto.

• - Na cromatografia gasosa é utilizado como gás de arraste inerte.

• - A atmosfera inerte de hélio é utilizada na soldagem a arco e na fabricação de cristais de silício e germânio, bem como na pressurização de combustíveis líquidos para foguetes.

• - Em túneis de vento supersônicos.

• - Como agente de resfriamento em reatores nucleares.

• - O hélio líquido está sendo cada vez mais utilizado em aplicações médicas de ressonância magnética (MRI).

• - É utilizado em equipamentos laser como um dos gases mais comuns, principalmente a mistura hélio-néon.

Do total da produção global de hélio em 2008, de 32 milhões de kg, a sua maior utilização (cerca de 22% do total em 2008) foi em aplicações criogénicas. Destes, a maioria estava na medicina, no resfriamento de ímãs supercondutores em scanners de ressonância magnética.[62] Outros usos importantes (um total de cerca de 78% de seu uso em 1996) foram em sistemas de pressurização e saneamento, manutenção de atmosferas controladas e soldagem.[63]​.

O hélio é usado para muitos fins que exigem algumas de suas propriedades únicas, como baixo ponto de ebulição, baixa densidade, baixa solubilidade, alta condutividade térmica ou baixa reatividade química. Da mesma forma, está disponível comercialmente na forma líquida e gasosa. Na forma líquida, pode ser fornecido em pequenos recipientes chamados frascos Dewar, que permitem armazenar até 1000 litros de hélio, ou em grandes recipientes ISO, com capacidade nominal de até 42 m³. Na forma gasosa, pequenas quantidades são fornecidas em cilindros de alta pressão que podem conter volume equivalente a 8 m³ padrão, enquanto grandes quantidades de gás de alta pressão são fornecidas em caminhões-tanque com capacidade equivalente a 4.860 m³ padrão. Isso ocorre porque o volume do gás é bastante reduzido quando submetido a altas pressões.

Como o hélio é mais leve que o ar, dirigíveis e balões são inflados com esse gás para levantá-los. Enquanto o hidrogênio experimenta uma força de impulso aproximadamente 7% maior, o hélio tem a vantagem de ser não inflamável (além de ser retardador de fogo). Na indústria espacial, é usado como meio de enchimento para deslocar combustíveis e oxidantes em tanques de armazenamento e para condensar hidrogênio e oxigênio para produzir combustível de foguete. Também é usado para purificar combustível e oxidante para equipamentos de apoio terrestre antes do lançamento, bem como para pré-resfriar hidrogênio líquido em veículos espaciais. Por exemplo, o propulsor Saturn V usado no Programa Apollo exigiu cerca de 370.000 m³ de hélio para lançar o foguete.

O hélio é menos denso que o ar atmosférico, então o timbre (mas não o tom "Tom (música)") da voz de uma pessoa muda quando ela é inalada. Isso ocorre porque, como o hélio é um gás bastante leve, ele se move mais rapidamente pelos espaços, fazendo com que as pregas vocais se movam em maior velocidade, causando uma onda sonora mais rápida e, portanto, mais aguda. No entanto, a inalação de uma fonte comercial típica, como as utilizadas para encher balões, pode ser perigosa devido ao risco de asfixia por falta de oxigénio e ao número de contaminantes que podem estar presentes. Estes podem incluir vestígios de outros gases, bem como óleo lubrificante em aerossol. No entanto, por se tratarem de produtos infantis, existem mecanismos que exigem a garantia da não toxicidade do gás, como a superação da “Conformidade Europeia” (marcação CE) exigida para brinquedos e derivados similares no mercado europeu, para garantir a segurança das crianças.

Devido à sua baixa solubilidade no tecido nervoso, misturas de hélio como trimix, heliox e Heliair são utilizadas em mergulho profundo para reduzir os efeitos da narcose. consideravelmente o esforço respiratório.

Os lasers de hélio-néon têm diversas aplicações, incluindo leitores de código de barras.

Uma das aplicações industriais do hélio é a detecção de vazamentos. Como se difunde através dos sólidos a uma taxa três vezes maior que a do ar, é usado como gás indicador para detectar vazamentos em equipamentos de alto vácuo e vasos de alta pressão.[68]​.

A taxa de vazamento em recipientes industriais (geralmente câmaras de vácuo e tanques criogênicos) é medida utilizando hélio, devido ao seu pequeno diâmetro molecular e à sua condição de gás inerte. Ainda não se conhece nenhuma substância inerte que possa vazar através de microfissuras ou microporos na parede de um recipiente a uma taxa maior que a do hélio. Um detector de vazamento de hélio (ver espectrômetro de massa) é usado para encontrar vazamentos em contêineres. Vazamentos de hélio através de rachaduras não devem ser confundidos com penetração de gás através de um material maciço. Embora as constantes de permeabilidade do hélio tenham sido documentadas através de vidros, cerâmicas e materiais sintéticos, gases inertes como o hélio não conseguem permear a maioria dos metais massivos.[69] Se for necessário conhecer a taxa de vazamento total do produto testado (por exemplo, em bombas de calor ou sistemas de ar condicionado), o objeto é colocado em uma câmara de teste, o ar de seu interior é removido com bombas de vácuo e o produto é preenchido com hélio a uma pressão específica. O hélio que escapa através de vazamentos é detectado por um espectrômetro de massa mesmo em taxas de vazamento de até 10 Pa·m³/s. O procedimento de medição é normalmente automático e é conhecido como "teste abrangente de hélio". Em um teste mais simples, o produto é preenchido com hélio e um operador procura manualmente o vazamento com um dispositivo chamado farejador.[70]

Devido à sua falta de reatividade e alta condutividade térmica, sua transparência aos nêutrons e porque não forma isótopos radioativos em condições de reator, é usado como meio de transferência de calor em alguns reatores nucleares resfriados a gás. Outra de suas utilizações é utilizá-lo como gás de proteção em processos de soldagem a arco em materiais facilmente contaminados pelo ar.

Por ser inerte, é utilizado como gás de proteção no crescimento de cristais de silício e germânio na produção de titânio e zircônio, bem como na cromatografia gasosa. Por esta mesma razão, devido à sua condutividade térmica e à alta velocidade do som no seu interior, à sua natureza de gás ideal e ao elevado valor do seu coeficiente de expansão adiabática, também é útil em túneis de vento supersônicos e em instalações de teste onde é necessária uma liberação repentina de energia do gás.[71][72]​.

O hélio, misturado com um gás mais pesado como o xenônio, é útil para resfriamento termoacústico devido ao alto coeficiente de expansão adiabática resultante e seu baixo número de Prandtl.[73] O comportamento inerte do hélio tem vantagens ambientais em relação aos sistemas de resfriamento convencionais, que contribuem para a destruição da camada de ozônio ou para o aquecimento global.[74]

A utilização do hélio reduz os efeitos de distorção causados ​​pelas variações de temperatura no espaço nas lentes de alguns telescópios, devido ao seu baixo índice de refração. Este método é usado especialmente em telescópios solares, nos quais um tubo de vácuo hermeticamente fechado seria muito pesado.[75][76]​.

Através de um processo conhecido como datação por hélio), a idade das rochas e minerais contendo urânio e tório pode ser estimada.

O hélio líquido é usado para resfriar certos metais – por exemplo, ímãs supercondutores usados ​​em tomografia de ressonância magnética – a temperaturas extremamente baixas, que são necessárias para a supercondutividade. O Grande Colisor de Hádrons do CERN usa 96 toneladas de hélio líquido para manter a temperatura em 1,9 K.[77] O hélio de baixa temperatura também é usado em criogenia.

O hélio é um gás de arraste comumente usado em cromatografia gasosa.

Descoberta científica

A primeira evidência da existência de hélio foi observada em 18 de agosto de 1868 como uma linha amarela brilhante com comprimento de 587,49 nanômetros no espectro da cromosfera solar. A linha foi detectada pelo astrônomo francês Pierre Janssen durante um eclipse solar total em Guntur, Índia.[78] Esta linha foi inicialmente pensada para ser produzida a partir de sódio. Em 20 de outubro do mesmo ano, o astrônomo inglês Joseph Norman Lockyer observou uma linha amarela no espectro solar, que chamou de linha Fraunhofer D por estar próxima das já conhecidas linhas de sódio D e D. Lockyer concluiu que esta 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 homenagem ao deus grego do sol (Ἥλιος, Helios), com o sufixo -ium já que se esperava que o novo elemento fosse metálico.

Em 1882, o físico italiano Luigi Palmieri detectou hélio na Terra pela primeira vez, através da sua linha espectral D, quando analisou a lava do Monte Vesúvio.[82]​.

Em 26 de março de 1895, Senhor William Ramsay isolou o hélio tratando a clevíte (uma variedade de uranita contendo pelo menos 10% de elementos de terras raras) com ácidos minerais. Na verdade, Ramsey estava procurando por argônio, mas depois de separar o nitrogênio e o oxigênio do gás liberado pelo ácido sulfúrico, ele notou uma linha amarela brilhante que correspondia à linha D observada no espectro solar. As amostras foram identificadas como hélio por Lockyer e pelo físico britânico William Crookes. Também foi isolado da clevíta no mesmo ano, de forma independente, pelos químicos Per Teodor Cleve e Abraham Langlet em Uppsala (Suécia), que conseguiram obter gás suficiente para determinar com precisão seu peso atômico. O hélio também foi isolado pelo geoquímico americano William Francis Hillebrand, embora ele tenha atribuído as linhas ao nitrogênio.

Em 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds demonstraram que as partículas alfa são núcleos de hélio, permitindo que as partículas penetrassem em uma parede fina de um tubo de vidro a vácuo e então criando uma descarga elétrica dentro do tubo para estudar o espectro do gás. Em 1908, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes produziu hélio líquido pela primeira vez, resfriando o gás a 0,9 K,[88]​ o que lhe valeu o Prêmio Nobel. Ele também tentou solidificar o hélio reduzindo sua temperatura, embora não tenha conseguido porque esse elemento não possui um ponto triplo, a temperatura na qual as fases sólida, líquida e gasosa existem em equilíbrio. Em 1926, seu discípulo Willem Hendrik Keesom conseguiu solidificar 1 cm³ de hélio pela primeira vez.[89]​.

Em 1938, o físico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa descobriu que o hélio-4 quase não tem viscosidade em temperaturas próximas do zero absoluto, um fenômeno agora chamado de superfluidez.[90] Este fenômeno está relacionado à condensação de Bose-Einstein. Em 1972, o mesmo fenômeno foi observado no hélio-3, mas a temperaturas muito mais próximas do zero absoluto, pelos físicos americanos Douglas D. Osheroff, David M. Lee e Robert C. Richardson. Acredita-se que no hélio-3 o fenômeno esteja relacionado à criação de pares de férmions deste isótopo, de tal forma que se formam bósons, em analogia aos pares de Cooper que produzem supercondutividade.[91]​.

Extração e uso

Depois que uma operação de perfuração de petróleo em Dexter, Kansas, em 1903, produziu um gêiser de gás incombustível, o geólogo Erasmus Haworth coletou amostras dos gases emanados e as levou para a Universidade do Kansas em Lawrence, onde, com a ajuda dos químicos Hamilton Cady e David McFarland, descobriu que o gás consistia, em volume, de 72% de nitrogênio, 15% de metano (uma porcentagem que só pode ser queimada com oxigênio suficiente), 1% de hidrogênio e 12% é um gás não identificado.[92] Em análises posteriores, Cady e McFarland descobriram que 1,84% da amostra de gás era hélio.[93][94] Isto demonstrou que, apesar da sua raridade global na Terra, o hélio estava concentrado em grandes quantidades abaixo das Grandes Planícies dos Estados Unidos, disponível para extração como subproduto do gás natural.[95] As maiores reservas de hélio estavam nos campos de gás do sudoeste do Kansas, Texas e Oklahoma.

Isso permitiu que os Estados Unidos se tornassem o maior produtor de hélio do mundo. Seguindo uma sugestão de Sir Richard Threlfall, a Marinha dos EUA patrocinou três pequenas fábricas experimentais de produção de hélio durante a Primeira Guerra Mundial. O objetivo era fornecer aos balões de defesa um gás não inflamável, mais leve que o ar. Com este programa foram produzidos um total de 5.700 m³ de 92% de hélio, apesar de anteriormente ter sido obtido apenas menos de um metro cúbico de gás. Parte dele foi usada na primeira aeronave inflada com hélio da Marinha dos EUA, que fez sua primeira viagem de Hampton Roads, Virgínia, para Bolling Field em Washington, D.C., em 1º de dezembro de 1921.

Embora o processo de extração utilizando liquefação de gás a baixa temperatura não tenha sido desenvolvido a tempo de ser relevante durante a Primeira Guerra Mundial, a produção continuou. O hélio foi usado principalmente como gás de elevação em aeronaves mais leves que o ar. A demanda por esse uso, assim como pela soldagem a arco, foi maior durante a Segunda Guerra Mundial. O espectrômetro de massa de hélio também foi vital na bomba atômica desenvolvida pelo Projeto Manhattan.[97]​.

O governo dos Estados Unidos criou a Reserva Nacional de Hélio em 1925 em Amarillo, Texas, com o objetivo de fornecê-la a aeronaves militares em tempos de guerra e a aeronaves comerciais em tempos de paz. Devido a um embargo militar dos Estados Unidos contra a Alemanha, no qual o fornecimento de hélio foi restringido, o LZ-129 Hindenburg foi forçado a usar hidrogénio como gás de reforço. O uso de hélio após a Segunda Guerra Mundial foi reduzido, mas as reservas foram ampliadas na década de 1950 para garantir seu fornecimento na forma líquida como refrigerante para criar combustível de hidrogênio e oxigênio (entre outros usos) para foguetes durante a corrida espacial e a Guerra Fria. O uso de hélio nos Estados Unidos em 1965 foi mais de oito vezes o consumo máximo durante a guerra.[98]​.

O Bureau of Mines dos Estados Unidos tinha cinco fábricas privadas para recuperar hélio do gás natural. [99]

O hélio neutro em condições normais não é tóxico, não desempenha nenhum papel biológico e é encontrado em pequenas quantidades no sangue humano. Se for inalado hélio suficiente para substituir o oxigênio necessário para a respiração, isso pode causar asfixia. Os cuidados que devem ser tomados com o hélio utilizado na criogenia são semelhantes aos do nitrogênio líquido. Sua temperatura extremamente baixa pode causar queimaduras de congelamento e a taxa de expansão de líquido para gás pode causar explosões se mecanismos de liberação de pressão não forem usados.

Tanques de hélio gasoso a temperaturas de 5 a 10 K devem ser armazenados como se contivessem hélio líquido devido ao grande aumento de pressão e à expansão térmica significativa que ocorre quando o gás é aquecido de uma temperatura abaixo de 10 K até a temperatura ambiente.[24]​.

A velocidade do som no hélio é quase três vezes a velocidade do som no ar. Porque a frequência fundamental de uma cavidade cheia de gás é proporcional à velocidade do som no gás. Se o hélio for inalado, há um aumento correspondente nas alturas das frequências de ressonância das pregas vocais.[105]​ (O efeito oposto, redução das frequências, pode ser obtido pela inalação de um gás denso como o hexafluoreto de enxofre).

Sua inalação pode ser perigosa se feita em excesso, pois é um gás asfixiante e desloca o oxigênio necessário para a respiração normal.[106] Respirar hélio puro continuamente causa morte por asfixia em poucos minutos. A inalação de hélio diretamente de cilindros pressurizados é extremamente perigosa, pois a alta velocidade do fluxo pode resultar na ruptura dos tecidos pulmonares.[106][107] No entanto, a morte causada pelo hélio é muito rara, com apenas duas mortes relatadas nos Estados Unidos entre 2000 e 2004.[107]​.

Em altas pressões (mais de 20 atm ou dois MPa), uma mistura de hélio e oxigênio (heliox) pode levar à síndrome de alta pressão nervosa; uma espécie de efeito anestésico reverso. Adicionar uma pequena quantidade de nitrogênio à mistura pode resolver o problema.[108]​[109]​.

• - Efeito Leidenfrost.

• - Gás nobre.

• - Origem inorgânica do petróleo.

• - Tabela periódica dos elementos.

• - Superfluidez.

• - Gosma.

• - O Wikimedia Commons hospeda uma galeria multimídia sobre Helium.

• -WebElements.com.

• -EnvironmentalChemistry.com.

• - É Elementar.

• - Elementos Químicos: Hélio.

• - Instituto Nacional de Segurança e Higiene no Trabalho de Espanha: Ficha internacional de segurança química para hélio.