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O hélio (gr. helios, Sol) é um elemento químico de símbolo He e que possui massa atómica igual a 4 u, apresentando número atômico 2 ( 2 prótons e 2 elétrons ). À temperatura ambiente, o hélio encontra-se no estado gasoso. 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.
É um gas monoatômico, incolor e inodoro. 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 gas 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.
Índice |
Características principais
Nas Condições Normais de Temperatura e Pressão o hélio é um gás monoatômico, tornando-se líquido somente em condições extremas (de alta pressão e baixa temperatura).
Tem o ponto de solidificação mais baixo de todos os elementos químicos, sendo o único líquido que não pode solidificar-se baixando a temperatura, já que permanece no estado líquido no zero absoluto à pressão normal. 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.
O hélio sólido só existe a pressões da ordem de 100 MPa a 15 K (-248,15 °C). 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.
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:
- 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).
- 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.
- Em cromatografia de gases é usado como gás transportador inerte.
- 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.
- O hélio líquido encontra cada vez maior uso em aplicações médicas de imagem por ressonância magnética (RMI).
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.
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 gas 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.
Abundância e obtenção
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.
Pode-se obter hélio, mas em baixíssimas concentreções em gases intestinais e ruminantes.
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.
Isótopos
O isótopo mais comum do hélio é o 4He, cujo núcleo está constituido por dois prótons e dois neutrons. Sua excepcional estabilidade nuclear se deve ao fato de que tem um número mágico de nucleons, 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 maioría do hélio terrestre.
O hélio tem um segundo isótopo, o 3He, além de outros mais pesados que são radioativos. O hélio-3 é práticamente inexistente na terra, dado que a desintegração alfa produz exclusivamente núcleos de helio-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 (gas 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 .
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 finísimos capilares através dos quais o hélio-I não consegue fluir, e tem, além disso, uma condutibilidade térmica muito maior que qualquer outra substância.
Precauções
Os depósitos de gas 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, além de ser tóxico, o gás hélio pode provocar sufocamento por supressão de oxigênio.
Ligações externas
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