O hélio é um gás incolor e inodoro, monoatômico em
condições normais de pressão e temperatura,
tornando-se líquido somente em condições extremas
(de alta pressão e baixa temperatura). À temperatura
ambiente, o hélio encontra-se no estado gasoso. O hélio (gr. helios, Sol) é um
elemento químico de símbolo He e que possui
massa atômica igual a 4 u, apresentando número
atômico 2 (2 prótons e 2 elétrons).
Apesar da sua configuração eletrônica ser 1s2,
o hélio não figura na tabela periódica dos elementos
junto com o hidrogênio no bloco s, está colocado no
grupo 18 ( 8A ou 0 ) do bloco p, já que apresenta
nível de energia completo, apresentando as
propriedades de um gás nobre, ou seja, é inerte (não
reage) como os demais elementos.
Tem o
ponto de solidificação mais baixo de todos os
elementos químicos, sendo o único líquido que não
pode solidificar-se baixando a temperatura à pressão
normal,
já que permanece no estado líquido no zero absoluto.
O hélio sólido só existe a pressões da ordem de 100
MPa a 15 K (-248,15 ºC). Aproximadamente a essa
temperatura, o hélio sofre uma transformação
cristalina, de estrutura cúbica a estrutura
hexagonal compacta; em condições mais extremas,
ocorre uma nova mudança, empacotando os átomos numa
estrutura cúbica centrada. Todos estes
empacotamentos tem energias e densidades
semelhantes, debitando-se as mudanças à maneira como
os átomos interagem.
O hélio tem o
menor ponto de evaporação de todos os elementos
químicos, e só pode ser solidificado sob pressões
muito grandes. É o segundo elemento químico em
abundância no universo, atrás do hidrogênio, mas na
atmosfera terrestre encontram-se apenas traços,
provenientes da desintegração de alguns elementos.
Em alguns depósitos naturais de gás é encontrado em
quantidade suficiente para a sua exploração; usado
para o enchimento de balões e dirigíveis, como
líquido refrigerante de materiais supercondutores
criogênicos e como gás engarrafado utilizado em
mergulhos de grande profundidade.
De resto, sua temperatura crítica é de apenas 5,19
K. Os isótopos 3He e 4He são
os únicos em que é possível, aumentando a pressão,
reduzir o volume mais de 30%. O calor específico do
gás hélio é muito elevado, de vapor muito denso,
expandindo-se rapidamente quando é aquecido a
temperatura ambiente.
Características
Nome, símbolo, número
Hélio, He, 2
Classe , série química
Gás nobre , gás nobre
Grupo, período, bloco
18 ( VIIIA ou 0 ), 1, s
Densidade, Dureza
0,1785 kg/m³, não apresenta
Aparência e
Cor
incolor
Propriedades atômicas
Configuração eletrônica
1s2
Estado de oxidação (óxido)
0 (desconhecido)
Estrutura cristalina
hexagonal
Massa atômica
4,002602(2) u
Raio atômico (calculado)
sem dados (31) pm
Raio covalente
32 pm
Raio de van der Waals
140 pm
Elétrons por nível de energia
2
Propriedades físicas
Entalpia de vaporização
0,0845 kJ/mol
Entalpia de fusão
5,23 kJ/mol
Pressão de vapor
inaplicável
Velocidade do som
970 m/s a 293,15 K
Estado da matéria
gasoso
Volume molar
21,0 ×10-6
m³/mol
Ponto de fusão
0,95 K a 26 atm
Ponto de ebulição
4,22 K
Informações diversas
1º Potencial de ionização
2372,3 kJ/mol
2º Potencial de ionização
5250,5 kJ/mol
Calor específico
5193 J/(kg*K)
Eletro negatividade
sem dados (Escala de Pauling)
Condutividade elétrica
sem dados
Condutividade térmica
0,152 W/(m*K)
Isótopos mais estáveis
iso
AN
Meia-vida
MD
ED MeV
PD
3He
0,000137%
He é isótopo estável com 1 nêutron
4He
99,999863%
He é estável com 2 nêutrons
6He
{sintético}
806,7 ms
β-
3,508
6Li
Unidades SI e CNPT, exceto onde indicado o
contrário
História
O hélio foi
descoberto de forma independente pelo francês Pierre
Janssen e pelo inglês Norman Lockyer, em 1868 ao
analisarem o espectro da luz solar durante um
eclipse solar ocorrido naquele ano, encontrando uma
linha de emissão de um elemento desconhecido. Eduard
Frankland confirmou os resultados de Janssen e
propôs o nome helium para o novo elemento, em
honra ao deus grego do sol (helios)
com o sufixo -ium , já que se esperava que o
novo elemento fosse metálico.
Imagem do
Sol.
Em 1895 Sir
William Ramsay isolou o hélio descobrindo que não
era metálico, entretanto o nome original foi
conservado. Os químicos suecos Abraham Langlet e Per
Teodor Cleve conseguiram também, na mesma época,
isolar o elemento.
Em 1907 Ernest Rutherford e Thomas Royds
demonstraram que as partículas alfa são núcleos de
hélio.
Em 1908 o
físico alemão
Heike Kamerlingh Onnes
produziu hélio líquido esfriando o gás até 0,9 K, o
que lhe rendeu um prêmio Nobel. Em 1926 seu
discípulo Willem Hendrik Keesom conseguiu pela
primeira vez solidificar o hélio.
O hélio e suas aplicações
O hélio é mais leve que o ar, isto é, a densidade do
hélio é menor que a densidade do ar,
diferenciando-se do hidrogênio por não ser
inflamável, entretanto, apresenta poder ascensional
8% menor. Por este motivo, e por ser um gás inerte,
é utilizado em dirigíveis e balões com fins
recreativos, publicitários, reconhecimento de
terrenos, filmagens aéreas e para investigações das
condições atmosféricas. As maiores reservas de Hélio
encontram-se nos Estados Unidos. Estas reservas são
estratégicas e controladas pelo governo norte
americano. Não estão disponíveis para venda em
grande quantidades.
Além
das citadas o hélio tem outras aplicações, como:
Em
cromatografia de gases é usado como gás
transportador inerte.
A
mistura hélio-oxigênio
é usada para mergulhos a grande profundidade, já
que é inerte e menos solúvel no sangue que o
nitrogênio e se difunde 2,5 vezes mais depressa,
reduzindo o tempo necessário para a
descompressão, apesar de iniciar-se em maior
profundidade elimina o risco de narcose por
nitrogênio (embriaguês de profundidades).
O
hélio líquido encontra cada vez maior uso em
aplicações médicas de imagem por ressonância
magnética (RMI).
Devido ao seu baixo ponto de liquefação e
evaporação pode ser usado como refrigerante a
temperaturas extremadamente baixas em imãs
supercondutores e na investigação criogênica a
temperaturas próximas do zero absoluto.
A
atmosfera inerte de hélio é empregada na
soldadura por arco e na fabricação de cristais
de silício e germânio, assim como para
pressurizar combustíveis líquidos de foguetes.
Em
túneis de vento supersônicos.
Como agente refrigerante em reatores nucleares.
Obtenção e Abundância
O hélio é o
segundo elemento mais abundante do universo atrás
apenas do hidrogênio e constitui em torno de 20% da
matéria das estrelas, em cujo processo de fusão
nuclear desempenha um importante papel. A abundância
do hélio não pode ser explicada pela formação das
estrelas, ainda que é consistente com o modelo do
Big bang,
acredita-se que a maior parte do hélio existente se
formou nos três primeiros minutos do universo.
Na
atmosfera terrestre existe na ordem de 5
ppm
e encontrado também como produto de desintegração em
diversos minerais radioativos de urânio e tório.
Alem disso, está presente em algumas águas minerais,
em gases vulcânicos, principalmente nos vulcões de
lama e em certas acumulações comerciais de gás
natural como nos Estados Unidos, Rússia e Argélia de
onde provém a maioria do hélio comercial, associado
ao gás metano.
Pode-se sintetizar o hélio bombardeando núcleos de
lítio ou boro com prótons a alta velocidade.
O
hélio e seus compostos
Dado que o
hélio é um gás nobre, na prática não participa das
reações químicas, ainda que sob a influência de
descargas elétricas ou bombardeado com elétrons
forma compostos com o
wolfrâmio,
iodo, flúor e fósforo.
Formas
O hélio
líquido (hélio-4) se encontra em duas formas
distintas: hélio-4 I e hélio-4 II, entre os quais
ocorre uma brusca transição a 2.1768 K (ponto
lambda). O He-I, acima dessa temperatura é um
líquido normal, porém o He-II abaixo dessa
temperatura, não se parece a nenhuma outra
substância, converte-se num
superfluido
cujas características incomuns se devem a efeitos
quânticos, um dos primeiros casos que se tem
observado em escala macroscópica.
O hélio-II tem uma viscosidade nula, fluindo com
facilidade através de finíssimos capilares através
dos quais o hélio-I não consegue fluir, e tem, além
disso, uma condutibilidade térmica muito maior que
qualquer outra substância.
Isótopos
Isótopo estável He-4
O isótopo mais comum do hélio é o 4He,
cujo núcleo está constituído por dois prótons e dois
nêutrons. Sua excepcional estabilidade nuclear se
deve ao fato de que tem um número mágico de
núcleons, isto é, uma quantidade que se distribui em
níveis completos (de modo análogo como se distribuem
os elétrons nos orbitais). Numerosos núcleos pesados
se desintegram emitindo um núcleo de 4He;
este processo, que se denomina desintegração alfa -
por isso o núcleo emitido se chama partícula alfa
- é a origem da maioria do hélio terrestre.
O hélio tem um segundo isótopo, o 3He,
além de outros mais pesados que são radioativos. O
hélio-3 é praticamente inexistente na terra, dado
que a desintegração alfa produz exclusivamente
núcleos de hélio-4 e
tanto estes como o hélio
atmosférico escapam ao espaço em períodos geológicos
relativamente curtos. O hélio-3 pode ocorrer
associado com depósitos de hidrocarbonetos (gás
natural, petróleo) cuja origem é oriunda do manto da
terra.
Ambos isótopos foram produzidos durante o Big
bang em quantidades significativas, e continuam
sendo produzidos mediante a fusão do hidrogênio nas
estrelas.
Precauções ao usar hélio
Os depósitos de gás hélio de 5 a 10 K deve ser
armazenado como líquido devido ao grande incremento
de pressão que se produz ao aquecer o gás a
temperatura ambiente.
Quando aspirado, o hélio distorce a voz (343m/s).
Deve-se tomar cuidado ao fazer isso, pois apesar de
não ser tóxico, o gás hélio pode provocar
sufocamento por supressão de oxigênio.
Dirigível a Hélio, da Goodyear efetuando um pouso.
