Hélio: propriedades, características, aplicações

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 17:54

Hélio é um gás inerte do 18º grupo da tabela periódica. É o segundo elemento mais leve depois do hidrogênio. O hélio é um gás incolor, inodoro e insípido que se torna líquido a -268,9°C. Seus pontos de ebulição e congelamento são menores do que os de qualquer outra substância conhecida. É o único elemento que não solidifica quando resfriado à pressão atmosférica normal. São necessárias 25 atmosferas a 1 K para que o hélio se solidifique.

Histórico de descobertas

Hélio foi descoberto na atmosfera gasosa ao redor do Sol pelo astrônomo francês Pierre Jansen, que em 1868 durante um eclipse descobriu uma linha amarela brilhante no espectro da cromosfera solar. Esta linha foi originalmente pensada para representar o elemento sódio. No mesmo ano, o astrônomo inglês Joseph Norman Lockyer observou uma linha amarela no espectro solar que não correspondia às linhas de sódio conhecidas D₁ e D₂, e então ele nomeou sua linha D_{3. Lockyer concluiu que foi causado por uma substância no Sol desconhecida na Terra. Ele e o químico Edward Frankland usaram em nome do elementoo nome grego para o Sol é Helios.}

Em 1895, o químico britânico Sir William Ramsay provou a existência de hélio na Terra. Ele obteve uma amostra do mineral cleveite contendo urânio e, após examinar os gases formados quando foi aquecido, descobriu que a linha amarela brilhante no espectro coincidia com a linha D_{3 observada em o espectro do Sol. Assim, o novo elemento foi finalmente instalado. Em 1903, Ramsay e Frederick Soddu determinaram que o hélio é um produto de decaimento espontâneo de substâncias radioativas.}

Espalhado na natureza

A massa do hélio é cerca de 23% de toda a massa do universo, e o elemento é o segundo mais abundante no espaço. Está concentrado nas estrelas, onde é formado a partir do hidrogênio como resultado da fusão termonuclear. Embora o hélio seja encontrado na atmosfera terrestre em uma concentração de 1 parte por 200 mil (5 ppm) e seja encontrado em pequenas quantidades em minerais radioativos, ferro de meteoritos e fontes minerais, grandes quantidades do elemento são encontradas nos Estados Unidos. especialmente no Texas, Nova York, México, Kansas, Oklahoma, Arizona e Utah) como componente (até 7,6%) do gás natural. Pequenas reservas foram encontradas na Austrália, Argélia, Polônia, Catar e Rússia. Na crosta terrestre, a concentração de hélio é de apenas 8 ppb.

Isótopos

O núcleo de cada átomo de hélio contém dois prótons, mas como outros elementos, possui isótopos. Eles contêm de um a seis nêutrons, então seus números de massa variam de três a oito. Os estáveis são os elementos cuja massa de hélio é determinada pelos números atômicos 3 (³He) e 4 (⁴He). Todo o resto é radioativo e se decompõe muito rapidamente em outras substâncias. O hélio terrestre não é o componente original do planeta, ele foi formado como resultado do decaimento radioativo. As partículas alfa emitidas pelos núcleos de substâncias radioativas pesadas são núcleos do isótopo ⁴He. O hélio não se acumula em grandes quantidades na atmosfera porque a gravidade da Terra não é forte o suficiente para impedir que ele escape gradualmente para o espaço. Traços de ³He na Terra são explicados pelo decaimento beta negativo do raro elemento hidrogênio-3 (trítio). ⁴He é o mais abundante dos isótopos estáveis: a razão de ⁴He átomos para ^{3He é cerca de 700 mil para 1 na atmosfera e cerca de 7 milhões para 1 em alguns minerais contendo hélio.}

Propriedades físicas do hélio

Os pontos de ebulição e fusão deste elemento são os mais baixos. Por esta razão, o hélio existe como um gás, exceto sob condições extremas. O He gasoso se dissolve menos na água do que qualquer outro gás, e a taxa de difusão através dos sólidos é três vezes maior que a do ar. Seu índice de refração se aproxima de 1.

A condutividade térmica do hélio perde apenas para a do hidrogênio, e sua capacidade de calor específico é extraordinariamente alta. Em temperaturas normais, aquece durante a expansão e esfria abaixo de 40 K. Portanto, em T<40 K, o hélio pode ser convertido emlíquido por expansão.

Um elemento é um dielétrico se não estiver em um estado ionizado. Assim como outros gases nobres, o hélio possui níveis de energia metaestáveis que permitem que ele permaneça ionizado em uma descarga elétrica quando a tensão permanece abaixo do potencial de ionização.

Hélio-4 é único por ter duas formas líquidas. O comum é chamado de hélio I e existe em temperaturas que variam de um ponto de ebulição de 4,21 K (-268,9 ° C) a cerca de 2,18 K (-271 ° C). Abaixo de 2,18 K, a condutividade térmica de 4He se torna 1000 vezes maior que a do cobre. Esta forma é chamada de hélio II para distingui-la da forma normal. É superfluido: a viscosidade é tão baixa que não pode ser medida. O hélio II se espalha em um filme fino na superfície de tudo o que toca, e esse filme flui sem atrito, mesmo contra a gravidade.

O hélio-3 menos abundante forma três fases líquidas distintas, duas das quais são superfluidas. Superfluidez em ⁴Ele foi descoberto pelo físico soviético Pyotr Leonidovich Kapitsa em meados da década de 1930, e o mesmo fenômeno em ^{3Ele foi notado pela primeira vez por Douglas D Osherov, David M. Lee e Robert S. Richardson dos EUA em 1972.}

Uma mistura líquida de dois isótopos de hélio-3 e -4 a temperaturas abaixo de 0,8 K (-272,4 °C) é dividida em duas camadas - quase pura ³He e uma mistura de⁴He com 6% de hélio-3. A dissolução de ³He em ^{4He é acompanhada por um efeito de resfriamento, que é usado no projeto de criostatos, no qual a temperatura do hélio caiabaixo de 0,01 K (-273,14 °C) e mantido por vários dias.}

Conexões

Em condições normais, o hélio é quimicamente inerte. Em condições extremas, você pode criar conexões de elemento que não são estáveis em temperaturas e pressões normais. Por exemplo, o hélio pode formar compostos com iodo, tungstênio, flúor, fósforo e enxofre quando submetido a uma descarga elétrica brilhante quando bombardeado com elétrons ou no estado de plasma. Assim, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ e He₂ foram criados íons moleculares+^{, Não}2++^{, HeH}+ ^{e HeD+}. Essa técnica também possibilitou a obtenção de moléculas neutras He² e HgHe.

Plasma

No Universo, o hélio ionizado é predominantemente distribuído, cujas propriedades diferem significativamente das moleculares. Seus elétrons e prótons não estão ligados e tem uma condutividade elétrica muito alta, mesmo em estado parcialmente ionizado. Partículas carregadas são fortemente afetadas por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar, íons de hélio, juntamente com hidrogênio ionizado, interagem com a magnetosfera da Terra, causando as auroras.

Descoberta dos EUA

Depois de perfurar um poço em 1903, gás não inflamável foi obtido em Dexter, Kansas. Inicialmente, não se sabia que continha hélio. Qual gás foi encontrado foi determinado pelo geólogo estadual Erasmus Haworth, quecoletou amostras dele e na Universidade do Kansas com a ajuda dos químicos Cady Hamilton e David McFarland descobriu que ele contém 72% de nitrogênio, 15% de metano, 1% de hidrogênio e 12% não foi identificado. Após uma análise mais aprofundada, os cientistas descobriram que 1,84% da amostra era hélio. Então eles aprenderam que esse elemento químico está presente em grandes quantidades nas entranhas das Grandes Planícies, de onde pode ser extraído do gás natural.

Produção industrial

Isso fez dos Estados Unidos o líder mundial na produção de hélio. Por sugestão de Sir Richard Threlfall, a Marinha dos EUA financiou três pequenas plantas experimentais para produzir esta substância durante a Primeira Guerra Mundial para fornecer balões de barragem com um gás de elevação leve e não inflamável. O programa produziu um total de 5.700 m3 92% He, embora menos de 100 litros de gás tenham sido produzidos anteriormente. Parte desse volume foi usado no primeiro dirigível de hélio do mundo, o US Navy C-7, que fez sua viagem inaugural de Hampton Roads, Virgínia, a Bolling Field, Washington, DC, em 7 de dezembro de 1921.

Embora o processo de liquefação de gás de baixa temperatura não estivesse avançado o suficiente na época para ser significativo durante a Primeira Guerra Mundial, a produção continuou. O hélio foi usado principalmente como gás de sustentação em aeronaves. A demanda por ele cresceu durante a Segunda Guerra Mundial, quando foi usado na soldagem a arco blindado. O elemento também foi importante no projeto da bomba atômica. Manhattan.

Estoque Nacional dos EUA

Em 1925, o governo dos Estados Unidos estabeleceu a Reserva Nacional de Hélio em Amarillo, Texas, com o objetivo de fornecer aeronaves militares em tempos de guerra e aeronaves comerciais em tempos de paz. O uso de gás diminuiu após a Segunda Guerra Mundial, mas a oferta foi aumentada na década de 1950 para fornecer, entre outras coisas, seu suprimento como refrigerante usado na produção de combustível de foguete de oxi-hidrogênio durante a corrida espacial e a Guerra Fria. O uso de hélio nos EUA em 1965 foi oito vezes o seu consumo máximo durante a guerra.

Seguindo a Lei do Hélio de 1960, o Bureau of Mines contratou 5 empresas privadas para extrair o elemento do gás natural. Para este programa, um gasoduto de 425 quilômetros foi construído conectando essas usinas a um campo de gás do governo parcialmente esgotado perto de Amarillo, Texas. A mistura de hélio-nitrogênio foi bombeada para uma instalação de armazenamento subterrâneo e permaneceu lá até ser necessária.

Em 1995, um bilhão de metros cúbicos de estoque havia sido coletado e a Reserva Nacional tinha uma dívida de US$ 1,4 bilhão, levando o Congresso dos EUA a eliminá-lo gradualmente em 1996. Depois que a lei de privatização do hélio foi aprovada em 1996, o Ministério de Recursos Naturais começou a liquidar a instalação de armazenamento em 2005.

Pureza e volumes de produção

Hélio produzido antes de 1945 tinha uma pureza de cerca de 98%, o restante 2%responsável por nitrogênio, que era suficiente para dirigíveis. Em 1945, uma pequena quantidade de 99,9% de gás foi produzida para uso em soldagem a arco. Em 1949, a pureza do elemento resultante atingiu 99,995%.

Por muitos anos, os Estados Unidos produziram mais de 90% do hélio comercial do mundo. Desde 2004, produziu 140 milhões de m3 anualmente, 85% dos quais vêm dos Estados Unidos, 10% da Argélia e o restante da Rússia e Polônia. As principais fontes de hélio no mundo são os campos de gás do Texas, Oklahoma e Kansas.

Processo de recebimento

Hélio (98,2% de pureza) é extraído do gás natural liquefazendo outros componentes em baixas temperaturas e altas pressões. A adsorção de outros gases por carvão ativado resfriado atinge uma pureza de 99,995%. Uma pequena quantidade de hélio é produzida pela liquefação do ar em grande escala. Cerca de 3,17 metros cúbicos podem ser obtidos a partir de 900 toneladas de ar. m de gás.

Áreas de aplicação

Gás nobre tem sido usado em vários campos.

Hélio, cujas propriedades permitem obter temperaturas ultrabaixas, é usado como agente de resfriamento no Large Hadron Collider, ímãs supercondutores em máquinas de ressonância magnética e espectrômetros de ressonância magnética nuclear, equipamentos de satélite e também para liquefazer oxigênio e hidrogênio nos foguetes Apollo.
Como gás inerte para soldagem de alumínio e outros metais, na produção de fibras ópticas e semicondutores.
Para criarpressão nos tanques de combustível de motores de foguetes, especialmente aqueles que funcionam com hidrogênio líquido, pois apenas o hélio gasoso mantém seu estado de agregação quando o hidrogênio permanece líquido);
Os lasers de gás He-Ne são usados para escanear códigos de barras em caixas de supermercados.
O microscópio Hélio Ion produz imagens melhores do que o microscópio eletrônico.
Por causa de sua alta permeabilidade, o gás nobre é usado para verificar vazamentos em, por exemplo, sistemas de ar condicionado de carros e para inflar rapidamente os airbags em caso de colisão.
Baixa densidade permite encher balões decorativos com hélio. O gás inerte substituiu o hidrogênio explosivo em dirigíveis e balões. Por exemplo, em meteorologia, balões de hélio são usados para levantar instrumentos de medição.
Na tecnologia criogênica, serve como refrigerante, pois a temperatura deste elemento químico no estado líquido é a mais baixa possível.
Hélio, cujas propriedades lhe conferem baixa reatividade e solubilidade em água (e sangue), misturado com oxigênio, encontrou aplicação em composições respiratórias para mergulho e trabalho de caixão.
Meteoritos e rochas são analisados para este elemento para determinar sua idade.