Helio

El helio (del griego: ἥλιος, romanizado: helios, literalmente  'sol') es un elemento químico con el símbolo He y el número atómico 2. Es un gas monoatómico incoloro, inodoro, insípido, no tóxico, inerte y el primero en el grupo de los gases nobles en la tabla periódica.Su punto de ebullición y fusión son los más bajos entre todos los elementos. Es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante del universo observable (el hidrógeno es el más ligero y el más abundante). Está presente en alrededor del 24% de la masa elemental total, que es más de 12 veces la masa de todos los elementos más pesados ​​combinados. Su abundancia es similar a esta tanto en el Sol como en Júpiter, debido a la altísima energía de enlace nuclear (por nucleón) del helio-4, con respecto a los siguientes tres elementos después del helio. Esta energía de unión del helio-4 también explica por qué es un producto tanto de la fusión nuclear como de la desintegración radiactiva. La mayor parte del helio en el universo es helio-4, la gran mayoría del cual se formó durante el Big Bang. Grandes cantidades de helio nuevo son creadas por la fusión nuclear de hidrógeno en las estrellas.

El helio fue detectado por primera vez como una firma de línea espectral amarilla desconocida en la luz solar durante un eclipse solar en 1868 por Georges Rayet, el capitán CT Haig, Norman R. Pogson y el teniente John Herschel, y posteriormente fue confirmado por el astrónomo francés Jules Janssen. A Janssen a menudo se le atribuye conjuntamente la detección del elemento, junto con Norman Lockyer. Janssen registró la línea espectral del helio durante el eclipse solar de 1868, mientras que Lockyer la observó desde Gran Bretaña. Lockyer fue el primero en proponer que la línea se debía a un nuevo elemento, al que nombró. El descubrimiento formal del elemento fue realizado en 1895 por los químicos Sir William Ramsay, Per Teodor Cleve y Nils Abraham Langlet, quienes encontraron helio que emanaba del mineral de uranio, cleveíta., que ahora no se considera como una especie mineral separada, sino como una variedad de uraninita. En 1903, se encontraron grandes reservas de helio en campos de gas natural en partes de los Estados Unidos, con mucho, el mayor proveedor de gas en la actualidad.

El helio líquido se usa en criogenia (su mayor uso individual, que absorbe alrededor de una cuarta parte de la producción) y en el enfriamiento de imanes superconductores, con su principal aplicación comercial en escáneres de resonancia magnética. Los otros usos industriales del helio, como gas de presurización y purga, como atmósfera protectora para la soldadura por arco y en procesos como el crecimiento de cristales para hacer obleas de silicio, representan la mitad del gas producido. Un uso bien conocido pero menor es como gas de elevación en globos y aeronaves.Como ocurre con cualquier gas cuya densidad difiere de la del aire, la inhalación de un pequeño volumen de helio cambia temporalmente el timbre y la calidad de la voz humana. En la investigación científica, el comportamiento de las dos fases fluidas del helio-4 (helio I y helio II) es importante para los investigadores que estudian la mecánica cuántica (en particular, la propiedad de la superfluidez) y para quienes observan los fenómenos, como la superconductividad, producidos. en la materia cercana al cero absoluto.

En la Tierra, es relativamente raro: 5,2 ppm por volumen en la atmósfera. La mayor parte del helio terrestre presente en la actualidad es creado por la descomposición radiactiva natural de elementos radiactivos pesados ​​(torio y uranio, aunque hay otros ejemplos), ya que las partículas alfa emitidas por tales desintegraciones consisten en núcleos de helio-4. Este helio radiogénico queda atrapado con gas natural en concentraciones de hasta el 7% por volumen, del cual se extrae comercialmente mediante un proceso de separación a baja temperatura llamado destilación fraccionada. El helio terrestre es un recurso no renovable porque una vez liberado a la atmósfera, se escapa rápidamente al espacio. Se cree que su suministro está disminuyendo rápidamente.Sin embargo, algunos estudios sugieren que el helio producido en las profundidades de la tierra por desintegración radiactiva puede acumularse en las reservas de gas natural en cantidades mayores de las esperadas, en algunos casos, después de haber sido liberado por la actividad volcánica.

Historia

Descubrimientos cientificos

La primera evidencia de helio se observó el 18 de agosto de 1868, como una línea amarilla brillante con una longitud de onda de 587,49 nanómetros en el espectro de la cromosfera del Sol. La línea fue detectada por el astrónomo francés Jules Janssen durante un eclipse solar total en Guntur, India. Inicialmente se asumió que esta línea era sodio. El 20 de octubre del mismo año, el astrónomo inglés Norman Lockyer observó una línea amarilla en el espectro solar, a la que denominó D ₃ porque estaba cerca de las conocidas líneas de sodio D ₁ y D _{2 de Fraunhofer.} Llegó a la conclusión de que fue causado por un elemento en el Sol desconocido en la Tierra. Lockyer y el químico inglés Edward Frankland nombraron al elemento con la palabra griega para Sol, ἥλιος (helios).

En 1881, el físico italiano Luigi Palmieri detectó helio en la Tierra por primera vez a través de su línea espectral D ₃, cuando analizó un material que se había sublimado durante una reciente erupción del Monte Vesubio.

El 26 de marzo de 1895, el químico escocés Sir William Ramsay aisló helio en la Tierra al tratar el mineral cleveita (una variedad de uraninita con al menos un 10 % de elementos de tierras raras) con ácidos minerales. Ramsay estaba buscando argón pero, después de separar el nitrógeno y el oxígeno del gas, liberado por el ácido sulfúrico, notó una línea amarilla brillante que coincidía con la línea D ₃ observada en el espectro del Sol. Estas muestras fueron identificadas como helio por Lockyer y el físico británico William Crookes. Fue aislado de forma independiente de la cleveíta, en el mismo año, por los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet, en Uppsala, Suecia, quienes recolectaron suficiente gas para determinar con precisión su peso atómico.El geoquímico estadounidense William Francis Hillebrand también aisló el helio antes del descubrimiento de Ramsay, cuando notó líneas espectrales inusuales mientras analizaba una muestra del mineral uraninita. Hillebrand, sin embargo, atribuyó las líneas al nitrógeno. Su carta de felicitación a Ramsay ofrece un caso interesante de descubrimiento, y casi descubrimiento, en la ciencia.

En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que las partículas alfa son núcleos de helio, al permitir que las partículas penetraran en la delgada pared de vidrio de un tubo al vacío y luego crear una descarga en el tubo para estudiar el espectro del nuevo gas en el interior. En 1908, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes licuó el helio por primera vez al enfriar el gas a menos de 5 K (-268,15 ° C; -450,67 ° F). Intentó solidificarlo reduciendo aún más la temperatura, pero fracasó porque el helio no se solidifica a la presión atmosférica. El estudiante de Onnes, Willem Hendrik Keesom, finalmente pudo solidificar 1 cm de helio en 1926 aplicando presión externa adicional.

En 1913, Niels Bohr publicó su "trilogía" sobre la estructura atómica que incluía una reconsideración de la serie Pickering-Fowler como evidencia central en apoyo de su modelo del átomo. Esta serie lleva el nombre de Edward Charles Pickering, quien en 1896 publicó observaciones de líneas previamente desconocidas en el espectro de la estrella ζ Puppis (ahora se sabe que ocurren con Wolf-Rayet y otras estrellas calientes). Pickering atribuyó la observación (líneas en 4551, 5411 y 10123 Å) a una nueva forma de hidrógeno con niveles de transición semienteros. En 1912, Alfred Fowler logró producir líneas similares a partir de una mezcla de hidrógeno y helio y apoyó la conclusión de Pickering sobre su origen.El modelo de Bohr no permite transiciones de medio entero (ni la mecánica cuántica) y Bohr concluyó que Pickering y Fowler estaban equivocados y, en cambio, asignaron estas líneas espectrales al helio ionizado, He. Fowler inicialmente se mostró escéptico, pero finalmente se convenció de que Bohr tenía razón, y en 1915 "los espectroscopistas habían transferido [la serie Pickering-Fowler] definitivamente [del hidrógeno] al helio". El trabajo teórico de Bohr sobre la serie de Pickering había demostrado la necesidad de "un nuevo examen de los problemas que parecían ya resueltos dentro de las teorías clásicas" y proporcionó una confirmación importante para su teoría atómica.

En 1938, el físico ruso Pyotr Leonidovich Kapitsa descubrió que el helio-4 casi no tiene viscosidad a temperaturas cercanas al cero absoluto, un fenómeno que ahora se denomina superfluidez. Este fenómeno está relacionado con la condensación de Bose-Einstein. En 1972, los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee y Robert C. Richardson observaron el mismo fenómeno en el helio-3, pero a temperaturas mucho más cercanas al cero absoluto. Se cree que el fenómeno en el helio-3 está relacionado con el emparejamiento de fermiones de helio-3 para formar bosones, en analogía con los pares de electrones de Cooper que producen superconductividad.

Extracción y uso

Después de que una operación de extracción de petróleo en 1903 en Dexter, Kansas, produjo un géiser de gas que no ardía, el geólogo del estado de Kansas, Erasmus Haworth, recolectó muestras del gas que se escapaba y las llevó a la Universidad de Kansas en Lawrence, donde, con la ayuda de los químicos Hamilton Cady y David McFarland, descubrió que el gas constaba, en volumen, de 72 % de nitrógeno, 15 % de metano (un porcentaje combustible solo con suficiente oxígeno), 1 % de hidrógeno y 12 % de un gas no identificable. Con más análisis, Cady y McFarland descubrieron que el 1,84 % de la muestra de gas era helio. Esto demostró que, a pesar de su rareza general en la Tierra, el helio se concentraba en grandes cantidades bajo las Grandes Llanuras estadounidenses, disponible para su extracción como subproducto del gas natural.

Esto permitió que Estados Unidos se convirtiera en el principal proveedor mundial de helio. Siguiendo una sugerencia de Sir Richard Threlfall, la Armada de los Estados Unidos patrocinó tres pequeñas plantas experimentales de helio durante la Primera Guerra Mundial. El objetivo era suministrar globos de barrera con el gas no inflamable y más ligero que el aire. En el programa se produjo un total de 5.700 m (200.000 pies cúbicos) de helio al 92%, aunque anteriormente se había obtenido menos de un metro cúbico del gas. Parte de este gas se usó en el primer dirigible lleno de helio del mundo, el dirigible C-7 de clase C de la Marina de los EE. UU., que realizó su viaje inaugural desde Hampton Roads, Virginia, hasta Bolling Field en Washington, DC, el 1 de diciembre de 1921., casi dos años antes del primer rígido de la MarinaDirigible lleno de helio, el USS Shenandoah, construido en la Naval Aircraft Factory, voló en septiembre de 1923.

Aunque el proceso de extracción mediante licuefacción de gas a baja temperatura no se desarrolló a tiempo para ser significativo durante la Primera Guerra Mundial, la producción continuó. El helio se utilizó principalmente como gas de elevación en naves más ligeras que el aire. Durante la Segunda Guerra Mundial, aumentó la demanda de helio para levantar gas y para soldadura por arco protegido. El espectrómetro de masas de helio también fue vital en el Proyecto Manhattan de la bomba atómica.

El gobierno de los Estados Unidos estableció la Reserva Nacional de Helio en 1925 en Amarillo, Texas, con el objetivo de abastecer aeronaves militares en tiempos de guerra y aeronaves comerciales en tiempos de paz. Debido a la Ley del Helio de 1925, que prohibió la exportación del escaso helio sobre el que Estados Unidos tenía entonces el monopolio de producción, junto con el costo prohibitivo del gas, el Hindenburg, como todos los zepelines alemanes, se vio obligado a utilizar hidrógeno como medio de sustentación. gas. El mercado de helio después de la Segunda Guerra Mundial estuvo deprimido, pero la reserva se amplió en la década de 1950 para garantizar un suministro de helio líquido como refrigerante para crear combustible para cohetes de oxígeno/hidrógeno (entre otros usos) durante la carrera espacial y la Guerra Fría. El uso de helio en los Estados Unidos en 1965 fue más de ocho veces el consumo máximo durante la guerra.

Después de las "Enmiendas a las Leyes de Helio de 1960" (Ley Pública 86-777), la Oficina de Minas de EE. UU. Dispuso que cinco plantas privadas recuperaran helio del gas natural. Para este programa de conservación de helio, la Oficina construyó una tubería de 425 millas (684 km) desde Bushton, Kansas, para conectar esas plantas con el campo de gas Cliffside del gobierno, parcialmente agotado, cerca de Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio y nitrógeno se inyectó y almacenó en el campo de gas de Cliffside hasta que se necesitó, momento en el que se purificó aún más.

Para 1995, se habían recolectado mil millones de metros cúbicos de gas y la reserva tenía una deuda de US $ 1,4 mil millones, lo que llevó al Congreso de los Estados Unidos en 1996 a eliminar gradualmente la reserva. La resultante Ley de Privatización del Helio de 1996 (Ley Pública 104-273) ordenó al Departamento del Interior de los Estados Unidos que vaciara la reserva, con ventas a partir de 2005.

El helio producido entre 1930 y 1945 tenía una pureza de aproximadamente el 98,3 % (2 % de nitrógeno), lo que era adecuado para aeronaves. En 1945, se produjo una pequeña cantidad de helio al 99,9% para uso en soldadura. En 1949, estaban disponibles cantidades comerciales de helio de grado A al 99,95 %.

Durante muchos años, Estados Unidos produjo más del 90 % del helio utilizable comercialmente en el mundo, mientras que las plantas de extracción en Canadá, Polonia, Rusia y otras naciones produjeron el resto. A mediados de la década de 1990, comenzó a operar una nueva planta en Arzew, Argelia, que produce 17 millones de metros cúbicos (600 millones de pies cúbicos), con suficiente producción para cubrir toda la demanda de Europa. Mientras tanto, para el año 2000, el consumo de helio dentro de los EE. UU. había aumentado a más de 15 millones de kg por año. En 2004–2006, se construyeron plantas adicionales en Ras Laffan, Qatar y Skikda, Argelia. Argelia se convirtió rápidamente en el segundo productor líder de helio. Durante este tiempo, aumentaron tanto el consumo de helio como los costos de producción de helio. De 2002 a 2007, los precios del helio se duplicaron.

A partir de 2012, la Reserva Nacional de Helio de los Estados Unidos representó el 30 por ciento del helio del mundo. Se esperaba que la reserva se quedara sin helio en 2018. A pesar de eso, un proyecto de ley propuesto en el Senado de los Estados Unidos permitiría que la reserva siguiera vendiendo el gas. Otras grandes reservas se encontraban en Hugoton en Kansas, Estados Unidos, y en los campos de gas cercanos de Kansas y las zonas panhandles de Texas y Oklahoma. Se programó la apertura de nuevas plantas de helio en 2012 en Qatar, Rusia y el estado estadounidense de Wyoming, pero no se esperaba que aliviaran la escasez.

En 2013, Qatar puso en marcha la unidad de helio más grande del mundo, aunque la crisis diplomática de Qatar en 2017 afectó gravemente la producción de helio allí. 2014 fue ampliamente reconocido como un año de sobreoferta en el negocio del helio, luego de años de reconocida escasez. Nasdaq informó (2015) que para Air Products, una corporación internacional que vende gases para uso industrial, los volúmenes de helio continúan bajo presión económica debido a las limitaciones de suministro de materia prima.

Características

Átomo

En mecánica cuántica

En la perspectiva de la mecánica cuántica, el helio es el segundo átomo más simple de modelar, después del átomo de hidrógeno. El helio se compone de dos electrones en orbitales atómicos que rodean un núcleo que contiene dos protones y (generalmente) dos neutrones. Al igual que en la mecánica newtoniana, ningún sistema que consta de más de dos partículas puede resolverse con un enfoque matemático analítico exacto (ver el problema de los 3 cuerpos) y el helio no es una excepción. Por lo tanto, se requieren métodos matemáticos numéricos, incluso para resolver el sistema de un núcleo y dos electrones. Dichos métodos de química computacional se han utilizado para crear una imagen mecánica cuántica del enlace de electrones de helio que tiene una precisión de < 2% del valor correcto, en unos pocos pasos computacionales.Dichos modelos muestran que cada electrón en el helio oculta parcialmente el núcleo del otro, de modo que la carga nuclear efectiva Z que ve cada electrón es de aproximadamente 1,69 unidades, no las 2 cargas de un núcleo de helio "desnudo" clásico.

Estabilidad relacionada del núcleo de helio-4 y la capa de electrones

El núcleo del átomo de helio-4 es idéntico a una partícula alfa. Los experimentos de dispersión de electrones de alta energía muestran que su carga disminuye exponencialmente desde un máximo en un punto central, exactamente como lo hace la densidad de carga de la propia nube de electrones del helio. Esta simetría refleja una física subyacente similar: el par de neutrones y el par de protones en el núcleo del helio obedecen las mismas reglas mecánicas cuánticas que el par de electrones del helio (aunque las partículas nucleares están sujetas a un potencial de enlace nuclear diferente), de modo que todos estos Los fermiones ocupan completamente los orbitales 1s en pares, ninguno de ellos posee un momento angular orbital y cada uno cancela el espín intrínseco del otro. Agregar otra de cualquiera de estas partículas requeriría un momento angular y liberaría sustancialmente menos energía (de hecho, ningún núcleo con cinco nucleones es estable). Esta disposición es, por lo tanto, energéticamente extremadamente estable para todas estas partículas, y esta estabilidad explica muchos hechos cruciales relacionados con el helio en la naturaleza.

Por ejemplo, la estabilidad y baja energía del estado de nube de electrones en el helio explica la inercia química del elemento y también la falta de interacción de los átomos de helio entre sí, lo que produce los puntos de fusión y ebullición más bajos de todos los elementos.

De manera similar, la estabilidad energética particular del núcleo de helio-4, producido por efectos similares, explica la facilidad de producción de helio-4 en reacciones atómicas que involucran la emisión o fusión de partículas pesadas. Algo de helio-3 estable (2 protones y 1 neutrón) se produce en reacciones de fusión a partir de hidrógeno, pero es una fracción muy pequeña en comparación con el helio-4 altamente favorable.

La inusual estabilidad del núcleo de helio-4 también es importante desde el punto de vista cosmológico: explica el hecho de que en los primeros minutos después del Big Bang, como la "sopa" de protones y neutrones libres que se había creado inicialmente en una proporción de 6:1 enfriado hasta el punto de que la unión nuclear era posible, casi todos los primeros núcleos atómicos compuestos que se formaron fueron núcleos de helio-4. La unión del helio-4 era tan estrecha que la producción de helio-4 consumió casi todos los neutrones libres en unos pocos minutos, antes de que pudieran desintegrarse beta, y también dejó pocos para formar átomos más pesados ​​como el litio, el berilio o el boro. La unión nuclear de helio-4 por nucleón es más fuerte que en cualquiera de estos elementos (ver nucleogénesis y energía de unión) y, por lo tanto, una vez que se formó el helio, no hubo impulso energético disponible para formar los elementos 3, 4 y 5. Era apenas energéticamente favorable para que el helio se fusionara en el siguiente elemento con una energía por nucleón más baja, el carbono. Sin embargo, debido a la falta de elementos intermedios, este proceso requiere que tres núcleos de helio choquen entre sí casi simultáneamente (ver proceso triple alfa). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara una cantidad significativa de carbono en los pocos minutos posteriores al Big Bang, antes de que el universo en expansión inicial se enfriara hasta el punto de temperatura y presión donde la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción de hidrógeno/helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4. este proceso requiere que tres núcleos de helio choquen entre sí casi simultáneamente (ver proceso triple alfa). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara una cantidad significativa de carbono en los pocos minutos posteriores al Big Bang, antes de que el universo en expansión inicial se enfriara hasta el punto de temperatura y presión donde la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción de hidrógeno/helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4. este proceso requiere que tres núcleos de helio choquen entre sí casi simultáneamente (ver proceso triple alfa). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara una cantidad significativa de carbono en los pocos minutos posteriores al Big Bang, antes de que el universo en expansión inicial se enfriara hasta el punto de temperatura y presión donde la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción de hidrógeno/helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4. antes de que el universo en expansión inicial se enfriara hasta el punto de temperatura y presión donde la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción de hidrógeno/helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4. antes de que el universo en expansión inicial se enfriara hasta el punto de temperatura y presión donde la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo primitivo con una proporción de hidrógeno/helio muy similar a la que se observa hoy (3 partes de hidrógeno por 1 parte de helio-4 en masa), con casi todos los neutrones del universo atrapados en helio-4.

Todos los elementos más pesados ​​(incluidos los necesarios para los planetas rocosos como la Tierra y para la vida basada en el carbono o de otro tipo) se han creado desde el Big Bang en estrellas que estaban lo suficientemente calientes como para fusionar el helio. Todos los elementos, excepto el hidrógeno y el helio, representan hoy solo el 2% de la masa de materia atómica en el universo. El helio-4, por el contrario, constituye aproximadamente el 23% de la materia ordinaria del universo, casi toda la materia ordinaria que no es hidrógeno.

Fases gas y plasma

El helio es el segundo gas noble menos reactivo después del neón y, por lo tanto, el segundo menos reactivo de todos los elementos. Es químicamente inerte y monoatómico en todas las condiciones estándar. Debido a la masa molar (atómica) relativamente baja del helio, su conductividad térmica, calor específico y velocidad del sonido en la fase gaseosa son mayores que cualquier otro gas, excepto el hidrógeno. Por estas razones y el pequeño tamaño de las moléculas monoatómicas de helio, el helio se difunde a través de los sólidos a una velocidad tres veces mayor que la del aire y alrededor del 65% de la del hidrógeno.

El helio es el gas monoatómico menos soluble en agua y uno de los menos solubles en agua de todos los gases (CF ₄, SF ₆ y C ₄ F ₈ tienen solubilidades en fracciones molares más bajas: 0,3802, 0,4394 y 0,2372 x _2/10, respectivamente, frente al 0,70797 x 2/10 del helio ₎, y el índice de refracción del helio está más cerca de la unidad que el de cualquier otro gas. El helio tiene un coeficiente Joule-Thomson negativo a temperatura ambiente normal, lo que significa que se calienta cuando se le permite expandirse libremente. Solo por debajo de su temperatura de inversión Joule-Thomson (de aproximadamente 32 a 50 K a 1 atmósfera) se enfría con la expansión libre.Una vez preenfriado por debajo de esta temperatura, el helio se puede licuar mediante enfriamiento por expansión.

La mayor parte del helio extraterrestre se encuentra en estado de plasma, con propiedades muy diferentes a las del helio atómico. En un plasma, los electrones del helio no están unidos a su núcleo, lo que da como resultado una conductividad eléctrica muy alta, incluso cuando el gas está solo parcialmente ionizado. Las partículas cargadas están altamente influenciadas por campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar junto con el hidrógeno ionizado, las partículas interactúan con la magnetosfera terrestre, dando lugar a las corrientes de Birkeland y la aurora.

Fase líquida

A diferencia de cualquier otro elemento, el helio permanecerá líquido hasta el cero absoluto a presiones normales. Este es un efecto directo de la mecánica cuántica: específicamente, la energía de punto cero del sistema es demasiado alta para permitir la congelación. El helio sólido requiere una temperatura de 1 a 1,5 K (aproximadamente -272 °C o -457 °F) a aproximadamente 25 bar (2,5 MPa) de presión. A menudo es difícil distinguir el helio sólido del líquido, ya que el índice de refracción de las dos fases es casi el mismo. El sólido tiene un punto de fusión agudo y tiene una estructura cristalina, pero es altamente comprimible; aplicar presión en un laboratorio puede disminuir su volumen en más de un 30%. Con un módulo volumétrico de aproximadamente 27 MPa, es unas 100 veces más comprimible que el agua. El helio sólido tiene una densidad de0,214 ± 0,006 g/cm a 1,15 K y 66 atm; la densidad proyectada a 0 K y 25 bar (2,5 MPa) es0,187 ± 0,009 g/cm. A temperaturas más altas, el helio se solidificará con suficiente presión. A temperatura ambiente, esto requiere unas 114.000 atm.

Helio I

Por debajo de su punto de ebullición de 4,22 K (-268,93 °C; -452,07 °F) y por encima del punto lambda de 2,1768 K (-270,9732 °C; -455,7518 °F), el isótopo helio-4 existe en un estado líquido incoloro normal, llamado helio I. Como otros líquidos criogénicos, el helio I hierve cuando se calienta y se contrae cuando baja su temperatura. Sin embargo, por debajo del punto lambda, el helio no hierve y se expande a medida que la temperatura desciende aún más.

El helio I tiene un índice de refracción similar al gas de 1,026, lo que hace que su superficie sea tan difícil de ver que los flotadores de espuma de poliestireno a menudo se usan para mostrar dónde está la superficie. Este líquido incoloro tiene una viscosidad muy baja y una densidad de 0,145 a 0,125 g/mL (entre aproximadamente 0 y 4 K), que es solo una cuarta parte del valor esperado por la física clásica. Se necesita la mecánica cuántica para explicar esta propiedad y, por lo tanto, ambos estados del helio líquido (helio I y helio II) se denominan fluidos cuánticos, lo que significa que muestran propiedades atómicas a escala macroscópica. Esto puede ser un efecto de que su punto de ebullición esté tan cerca del cero absoluto, evitando que el movimiento molecular aleatorio (energía térmica) enmascare las propiedades atómicas.

Helio II

El helio líquido por debajo de su punto lambda (llamado helio II) exhibe características muy inusuales. Debido a su alta conductividad térmica, cuando hierve no burbujea sino que se evapora directamente de su superficie. El helio-3 también tiene una fase superfluida, pero solo a temperaturas mucho más bajas; como resultado, se sabe menos sobre las propiedades del isótopo.

El helio II es un superfluido, un estado mecánico cuántico (ver: fenómenos cuánticos macroscópicos) de materia con propiedades extrañas. Por ejemplo, cuando fluye a través de capilares tan delgados como de 10 a 10 m, no tiene una viscosidad medible. Sin embargo, cuando se realizaron mediciones entre dos discos en movimiento, se observó una viscosidad comparable a la del helio gaseoso. La teoría actual explica esto utilizando el modelo de dos fluidos para el helio II. En este modelo, se considera que el helio líquido por debajo del punto lambda contiene una proporción de átomos de helio en estado fundamental, que son superfluidos y fluyen con una viscosidad exactamente cero, y una proporción de átomos de helio en estado excitado, que se comportan más como un fluido ordinario.

En el efecto fuente, se construye una cámara que está conectada a un depósito de helio II por un disco sinterizado a través del cual el helio superfluido se filtra fácilmente pero a través del cual el helio no superfluido no puede pasar. Si se calienta el interior del recipiente, el helio superfluido cambia a helio no superfluido. Para mantener la fracción de equilibrio de helio superfluido, el helio superfluido se filtra y aumenta la presión, lo que hace que el líquido salga del recipiente.

La conductividad térmica del helio II es mayor que la de cualquier otra sustancia conocida, un millón de veces la del helio I y varios cientos de veces la del cobre. Esto se debe a que la conducción de calor ocurre por un mecanismo cuántico excepcional. La mayoría de los materiales que conducen bien el calor tienen una banda de valencia de electrones libres que sirven para transferir el calor. El helio II no tiene esa banda de valencia pero, sin embargo, conduce bien el calor. El flujo de calor se rige por ecuaciones que son similares a la ecuación de onda utilizada para caracterizar la propagación del sonido en el aire. Cuando se introduce calor, se mueve a 20 metros por segundo a 1,8 K a través del helio II como ondas en un fenómeno conocido como segundo sonido.

El helio II también exhibe un efecto progresivo. Cuando una superficie se extiende más allá del nivel de helio II, el helio II se mueve a lo largo de la superficie, contra la fuerza de la gravedad. El helio II escapará de un recipiente que no esté sellado deslizándose por los lados hasta que llegue a una región más cálida donde se evapore. Se mueve en una película de 30 nm de espesor, independientemente del material de la superficie. Esta película se llama una película de Rollin y lleva el nombre del hombre que caracterizó por primera vez este rasgo, Bernard V. Rollin.Como resultado de este comportamiento de arrastre y la capacidad del helio II para filtrarse rápidamente a través de pequeñas aberturas, es muy difícil de confinar. A menos que el contenedor se construya con cuidado, el helio II se deslizará por las superficies y a través de las válvulas hasta llegar a un lugar más cálido, donde se evaporará. Las ondas que se propagan a través de una película de Rollin se rigen por la misma ecuación que las ondas de gravedad en aguas poco profundas, pero en lugar de la gravedad, la fuerza restauradora es la fuerza de van der Waals. Estas ondas se conocen como tercer sonido.

Isótopos

Hay nueve isótopos conocidos de helio, pero solo el helio-3 y el helio-4 son estables. En la atmósfera de la Tierra, un átomo esEl por cada millón que sonel _ A diferencia de la mayoría de los elementos, la abundancia isotópica del helio varía mucho según el origen, debido a los diferentes procesos de formación. El isótopo más común, el helio-4, se produce en la Tierra por la desintegración alfa de elementos radiactivos más pesados; las partículas alfa que emergen son núcleos de helio-4 completamente ionizados. El helio-4 es un núcleo inusualmente estable porque sus nucleones están dispuestos en capas completas. También se formó en enormes cantidades durante la nucleosíntesis del Big Bang.

El helio-3 está presente en la Tierra solo en pequeñas cantidades. La mayor parte ha estado presente desde la formación de la Tierra, aunque algunos caen a la Tierra atrapados en el polvo cósmico. También se producen trazas por la desintegración beta del tritio. Las rocas de la corteza terrestre tienen proporciones de isótopos que varían hasta en un factor de diez, y estas proporciones pueden usarse para investigar el origen de las rocas y la composición del manto terrestre. Es mucho más abundante en las estrellas como producto de la fusión nuclear. Así, en el medio interestelar, la proporción deel aEs unas 100 veces más alto que en la Tierra. El material extraplanetario, como el regolito lunar y de asteroides, tiene trazas de helio-3 debido al bombardeo de los vientos solares. La superficie de la Luna contiene helio-3 en concentraciones del orden de 10 ppb, mucho más altas que las aproximadamente 5 ppt que se encuentran en la atmósfera terrestre. Varias personas, comenzando con Gerald Kulcinski en 1986, han propuesto explorar la luna, extraer regolito lunar y usar el helio-3 para la fusión.

El helio-4 líquido se puede enfriar a aproximadamente 1 K (−272,15 °C; −457,87 °F) usando enfriamiento por evaporación en una olla de 1 K. Un enfriamiento similar del helio-3, que tiene un punto de ebullición más bajo, puede lograr aproximadamente0,2 Kelvin en un refrigerador de helio-3. Mezclas iguales de líquidoel yel de abajo0,8 K se separan en dos fases inmiscibles debido a su diferencia (siguen diferentes estadísticas cuánticas: los átomos de helio-4 son bosones, mientras que los átomos de helio-3 son fermiones). Los refrigeradores de dilución utilizan esta inmiscibilidad para alcanzar temperaturas de unos pocos milikelvins.

Es posible producir isótopos de helio exóticos, que se descomponen rápidamente en otras sustancias. El isótopo de helio pesado de vida más corta es el helio-10 libre con una vida media de2,6(4) × 10 s. El helio-6 se desintegra emitiendo una partícula beta y tiene una vida media de 0,8 segundos. El helio-7 también emite una partícula beta y un rayo gamma. El helio-7 y el helio-8 se crean en ciertas reacciones nucleares. Se sabe que el helio-6 y el helio-8 exhiben un halo nuclear.

Compuestos

El helio tiene una valencia de cero y no es químicamente reactivo en todas las condiciones normales. Es un aislante eléctrico a menos que esté ionizado. Al igual que los demás gases nobles, el helio tiene niveles de energía metaestables que le permiten permanecer ionizado en una descarga eléctrica con un voltaje por debajo de su potencial de ionización. El helio puede formar compuestos inestables, conocidos como excímeros, con tungsteno, yodo, flúor, azufre y fósforo cuando se somete a una descarga luminiscente, a un bombardeo de electrones o se reduce a plasma por otros medios. Los compuestos moleculares HeNe, HgHe ₁₀ y WHe ₂, y los iones moleculares He₂, el₂jeje _, y HeDhan sido creados de esta manera. HeH también es estable en su estado fundamental, pero es extremadamente reactivo: es el ácido de Brønsted más fuerte que se conoce y, por lo tanto, solo puede existir aislado, ya que protonará cualquier molécula o contraanión con el que entre en contacto. Esta técnica también ha producido la molécula neutra He ₂, que tiene un gran número de sistemas de bandas, y HgHe, que aparentemente se mantiene unida solo por fuerzas de polarización.

Los compuestos de van der Waals de helio también se pueden formar con gas de helio criogénico y átomos de alguna otra sustancia, como LiHe y He ₂.

Teóricamente, pueden ser posibles otros compuestos verdaderos, como el fluorohidruro de helio (HHeF), que sería análogo al HArF, descubierto en 2000. Los cálculos muestran que dos nuevos compuestos que contienen un enlace helio-oxígeno podrían ser estables. Dos nuevas especies moleculares, predichas usando la teoría, CsFHeO y N(CH ₃) ₄ FHeO, son derivados de un anión FHeO metaestable teorizado por primera vez en 2005 por un grupo de Taiwán. Si se confirma mediante un experimento, el único elemento restante sin compuestos estables conocidos sería el neón.

Se han insertado átomos de helio en las moléculas huecas de la jaula de carbono (los fullerenos) mediante calentamiento a alta presión. Las moléculas de fullereno endoédricas formadas son estables a altas temperaturas. Cuando se forman derivados químicos de estos fullerenos, el helio se queda en el interior. Si se utiliza helio-3, puede observarse fácilmente mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear de helio. Se han informado muchos fullerenos que contienen helio-3. Aunque los átomos de helio no están unidos por enlaces covalentes o iónicos, estas sustancias tienen propiedades distintas y una composición definida, como todos los compuestos químicos estequiométricos.

Bajo altas presiones, el helio puede formar compuestos con varios otros elementos. Se han hecho crecer cristales de clatrato de helio-nitrógeno (He(N ₂) ₁₁) a temperatura ambiente a presiones aprox. 10 GPa en una celda de yunque de diamante. Se ha demostrado que el electruro aislante Na _{2 He es termodinámicamente estable a presiones superiores a 113 GPa.} Tiene una estructura de fluorita.

Ocurrencia y producción

Abundancia natural

Aunque es raro en la Tierra, el helio es el segundo elemento más abundante en el Universo conocido, constituyendo el 23% de su masa bariónica. Sólo el hidrógeno es más abundante. La gran mayoría del helio se formó mediante la nucleosíntesis del Big Bang de uno a tres minutos después del Big Bang. Como tal, las mediciones de su abundancia contribuyen a los modelos cosmológicos. En las estrellas, se forma por la fusión nuclear de hidrógeno en reacciones en cadena protón-protón y el ciclo CNO, parte de la nucleosíntesis estelar.

En la atmósfera terrestre, la concentración de helio por volumen es de solo 5,2 partes por millón. La concentración es baja y bastante constante a pesar de la producción continua de helio nuevo porque la mayor parte del helio en la atmósfera terrestre escapa al espacio por varios procesos. En la heterosfera terrestre, una parte de la atmósfera superior, el helio y otros gases más ligeros son los elementos más abundantes.

La mayor parte del helio en la Tierra es el resultado de la descomposición radiactiva. El helio se encuentra en grandes cantidades en minerales de uranio y torio, incluida la uraninita y sus variedades cleveita y pechblenda, carnotita y monacita (un nombre de grupo; "monacita" generalmente se refiere a monazita-(Ce)), porque emiten partículas alfa (helio núcleos, He) a los que los electrones se combinan inmediatamente tan pronto como la roca detiene la partícula. De esta forma se generan unas 3000 toneladas métricas de helio al año en toda la litosfera.En la corteza terrestre, la concentración de helio es de 8 partes por billón. En el agua de mar, la concentración es de solo 4 partes por billón. También hay pequeñas cantidades en fuentes minerales, gas volcánico y hierro meteórico. Debido a que el helio queda atrapado en el subsuelo en condiciones que también atrapan el gas natural, las mayores concentraciones naturales de helio en el planeta se encuentran en el gas natural, del cual se extrae la mayor parte del helio comercial. La concentración varía en un amplio rango desde unas pocas ppm hasta más del 7% en un pequeño yacimiento de gas en el condado de San Juan, Nuevo México.

A partir de 2021, las reservas mundiales de helio se estimaron en 31 mil millones de metros cúbicos, con un tercio de eso en Qatar. En 2015 y 2016, se anunciaron reservas probables adicionales bajo las Montañas Rocosas en América del Norte y en el Rift de África Oriental.

Extracción y distribución moderna

Para uso a gran escala, el helio se extrae por destilación fraccionada del gas natural, que puede contener hasta un 7 % de helio. Dado que el helio tiene un punto de ebullición más bajo que cualquier otro elemento, se utilizan bajas temperaturas y altas presiones para licuar casi todos los demás gases (principalmente nitrógeno y metano). El gas de helio crudo resultante se purifica mediante exposiciones sucesivas a temperaturas más bajas, en las que casi todo el nitrógeno restante y otros gases se precipitan fuera de la mezcla gaseosa. El carbón activado se utiliza como paso final de purificación, lo que generalmente da como resultado helio de grado A con una pureza del 99,995 %.La principal impureza del helio de grado A es el neón. En un paso final de producción, la mayor parte del helio que se produce se licua mediante un proceso criogénico. Esto es necesario para aplicaciones que requieren helio líquido y también permite a los proveedores de helio reducir el costo del transporte de larga distancia, ya que los contenedores de helio líquido más grandes tienen más de cinco veces la capacidad de los remolques de tubos de helio gaseoso más grandes.

En 2008, aproximadamente 169 millones de metros cúbicos estándar (SCM) de helio se extrajeron del gas natural o se retiraron de las reservas de helio con aproximadamente el 78 % de los Estados Unidos, el 10 % de Argelia y la mayor parte del resto de Rusia, Polonia y Qatar. Para 2013, los aumentos en la producción de helio en Qatar (bajo la empresa Qatargas administrada por Air Liquide) habían aumentado la fracción de Qatar de la producción mundial de helio al 25% y lo convirtieron en el segundo mayor exportador después de Estados Unidos. En 2016 se encontró un depósito de helio estimado en 54 mil millones de pies cúbicos (1,5 × 10 m) en Tanzania. En 2020 se inauguró una planta de helio a gran escala en Ningxia, China.

En los Estados Unidos, la mayor parte del helio se extrae del gas natural de Hugoton y los campos de gas cercanos en Kansas, Oklahoma, y ​​Panhandle Field en Texas. Gran parte de este gas se enviaba una vez por tubería a la Reserva Nacional de Helio, pero desde 2005 esta reserva se está agotando y vendiendo, y se espera que se agote en gran medida para 2021, según la Ley de administración y administración responsable de helio de octubre de 2013 (HR 527).

La difusión de gas natural crudo a través de membranas semipermeables especiales y otras barreras es otro método para recuperar y purificar el helio. En 1996, EE. UU. tenía reservas comprobadas de helio, en tales complejos de pozos de gas, de aproximadamente 147 mil millones de pies cúbicos estándar (4,2 mil millones de SCM). A las tasas de uso en ese momento (72 millones de SCM por año en los EE. UU.; consulte el gráfico circular a continuación), esto habría sido suficiente helio para aproximadamente 58 años de uso en los EE. UU., y menos que esto (quizás el 80% del tiempo) en el mundo. las tasas de uso, aunque los factores en el ahorro y el procesamiento afectan los números de reserva efectivos.

El helio debe extraerse del gas natural porque su presencia en el aire es solo una fracción de la del neón, pero su demanda es mucho mayor. Se estima que si toda la producción de neón se reestructurara para ahorrar helio, se satisfaría el 0,1 % de la demanda mundial de helio. Del mismo modo, solo el 1 % de la demanda mundial de helio podría satisfacerse reequipando todas las plantas de destilación de aire. El helio se puede sintetizar mediante el bombardeo de litio o boro con protones de alta velocidad, o mediante el bombardeo de litio con deuterones, pero estos procesos son un método de producción completamente antieconómico.

El helio está disponible comercialmente en forma líquida o gaseosa. Como líquido, se puede suministrar en pequeños contenedores aislados llamados Dewar que contienen hasta 1000 litros de helio, o en grandes contenedores ISO que tienen capacidades nominales de hasta 42 m (alrededor de 11 000 galones estadounidenses). En forma gaseosa, se suministran pequeñas cantidades de helio en cilindros de alta presión de hasta 8 m (aprox. 282 pies cúbicos estándar), mientras que grandes cantidades de gas a alta presión se suministran en remolques tubulares que tienen capacidades de hasta 4.860 m (aprox. 172.000 pies cúbicos estándar).

Defensores de la conservación

Según conservacionistas del helio como el físico ganador del premio Nobel Robert Coleman Richardson, en un escrito de 2010, el precio de mercado libre del helio ha contribuido al uso "despilfarro" (por ejemplo, para globos de helio). Los precios en la década de 2000 se redujeron por la decisión del Congreso de EE. UU. de vender las grandes reservas de helio del país para 2015. Según Richardson, el precio debía multiplicarse por 20 para eliminar el desperdicio excesivo de helio. En su libro El futuro del helio como recurso natural (Routledge, 2012), Nuttall, Clarke y Glowacki (2012) también propusieron crear una Agencia Internacional del Helio (IHA) para crear un mercado sostenible para este preciado producto.

Aplicaciones

Si bien los globos son quizás el uso más conocido del helio, son una parte menor de todo el uso del helio. El helio se usa para muchos propósitos que requieren algunas de sus propiedades únicas, como su bajo punto de ebullición, baja densidad, baja solubilidad, alta conductividad térmica o inercia. De la producción mundial total de helio de 2014 de alrededor de 32 millones de kg (180 millones de metros cúbicos estándar) de helio por año, el uso más grande (alrededor del 32% del total en 2014) es en aplicaciones criogénicas, la mayoría de las cuales involucran el enfriamiento de los imanes superconductores en escáneres MRI médicos y espectrómetros NMR. Otros usos importantes fueron los sistemas de presurización y purga, soldadura, mantenimiento de atmósferas controladas y detección de fugas. Otros usos por categoría fueron fracciones relativamente menores.

Atmósferas controladas

El helio se utiliza como gas protector en el cultivo de cristales de silicio y germanio, en la producción de titanio y circonio y en la cromatografía de gases, porque es inerte. Debido a su inercia, naturaleza térmica y calóricamente perfecta, alta velocidad del sonido y alto valor de la relación de capacidad calorífica, también es útil en túneles de viento supersónicos e instalaciones de impulso.

Soldadura por arco de tungsteno con gas

El helio se utiliza como gas de protección en los procesos de soldadura por arco en materiales que, a las temperaturas de soldadura, están contaminados y debilitados por el aire o el nitrógeno. Se utilizan varios gases de protección inertes en la soldadura por arco de tungsteno con gas, pero se utiliza helio en lugar del argón, que es más económico, especialmente para soldar materiales que tienen una mayor conductividad térmica, como el aluminio o el cobre.

Usos menores

Detección de fugas industriales

Una aplicación industrial del helio es la detección de fugas. Debido a que el helio se difunde a través de los sólidos tres veces más rápido que el aire, se usa como gas trazador para detectar fugas en equipos de alto vacío (como tanques criogénicos) y contenedores de alta presión. El objeto probado se coloca en una cámara, que luego se vacía y se llena con helio. El helio que escapa a través de las fugas es detectado por un dispositivo sensible (espectrómetro de masas de helio), incluso a tasas de fuga tan pequeñas como 10 mbar·L/s (10 Pa·m /s). El procedimiento de medición es normalmente automático y se denomina prueba integral de helio. Un procedimiento más simple es llenar el objeto probado con helio y buscar manualmente las fugas con un dispositivo manual.

Las fugas de helio a través de grietas no deben confundirse con la permeación de gas a través de un material a granel. Si bien el helio tiene constantes de permeación documentadas (por lo tanto, una tasa de permeación calculable) a través de vidrios, cerámicas y materiales sintéticos, los gases inertes como el helio no permearán la mayoría de los metales a granel.

Vuelo

Debido a que es más liviano que el aire, las aeronaves y los globos se inflan con helio para levantarlos. Mientras que el gas de hidrógeno es más flotante y escapa a través de una membrana a un ritmo más bajo, el helio tiene la ventaja de no ser inflamable y, de hecho, retardar el fuego. Otro uso menor es en cohetería, donde el helio se usa como medio de vacío para desplazar el combustible y los oxidantes en los tanques de almacenamiento y para condensar hidrógeno y oxígeno para producir combustible para cohetes. También se utiliza para purgar el combustible y el oxidante de los equipos de apoyo en tierra antes del lanzamiento y para enfriar previamente el hidrógeno líquido en los vehículos espaciales. Por ejemplo, el cohete Saturno V utilizado en el programa Apolo necesitó unos 370 000 m (13 millones de pies cúbicos) de helio para su lanzamiento.

Usos comerciales y recreativos menores

El helio como gas respirable no tiene propiedades narcóticas, por lo que las mezclas de helio como trimix, heliox y heliair se utilizan para el buceo profundo para reducir los efectos de la narcosis, que empeoran con el aumento de la profundidad. A medida que aumenta la presión con la profundidad, también aumenta la densidad del gas respirable, y se encuentra que el bajo peso molecular del helio reduce considerablemente el esfuerzo de respiración al disminuir la densidad de la mezcla. Esto reduce el número de flujo de Reynolds, lo que conduce a una reducción del flujo turbulento y un aumento del flujo laminar, lo que requiere menos trabajo de respiración. A profundidades inferiores a 150 metros (490 pies), los buzos que respiran mezclas de helio y oxígeno comienzan a experimentar temblores y una disminución de la función psicomotora, síntomas del síndrome nervioso de alta presión.Este efecto puede contrarrestarse hasta cierto punto agregando una cantidad de gas narcótico como hidrógeno o nitrógeno a una mezcla de helio y oxígeno.

Los láseres de helio-neón, un tipo de láser de gas de baja potencia que produce un haz rojo, tenían varias aplicaciones prácticas que incluían lectores de códigos de barras y punteros láser, antes de que fueran reemplazados casi universalmente por láseres de diodo más baratos.

Por su inercia y alta conductividad térmica, transparencia de neutrones y porque no forma isótopos radiactivos en las condiciones del reactor, el helio se utiliza como medio de transferencia de calor en algunos reactores nucleares refrigerados por gas.

El helio, mezclado con un gas más pesado como el xenón, es útil para la refrigeración termoacústica debido a la alta relación de capacidad calorífica resultante y al bajo número de Prandtl. La inercia del helio tiene ventajas ambientales sobre los sistemas de refrigeración convencionales que contribuyen al agotamiento del ozono o al calentamiento global.

El helio también se usa en algunas unidades de disco duro.

Usos científicos

El uso de helio reduce los efectos distorsionadores de las variaciones de temperatura en el espacio entre lentes en algunos telescopios, debido a su índice de refracción extremadamente bajo. Este método se usa especialmente en telescopios solares donde un tubo de telescopio hermético al vacío sería demasiado pesado.

El helio es un gas portador de uso común para la cromatografía de gases.

La edad de las rocas y los minerales que contienen uranio y torio se puede estimar midiendo el nivel de helio con un proceso conocido como datación por helio.

El helio a bajas temperaturas se usa en criogenia y en ciertas aplicaciones de criogenia. Como ejemplos de aplicaciones, el helio líquido se usa para enfriar ciertos metales a las temperaturas extremadamente bajas requeridas para la superconductividad, como en los imanes superconductores para imágenes de resonancia magnética. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN utiliza 96 toneladas métricas de helio líquido para mantener la temperatura a 1,9 K (−271,25 °C; −456,25 °F).

Usos medicos

El helio fue aprobado para uso médico en los Estados Unidos en abril de 2020 para humanos y animales.

Como contaminante

Si bien es químicamente inerte, la contaminación con helio afecta el funcionamiento de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), de modo que los iPhone pueden fallar.

Inhalación y seguridad

Efectos

El helio neutro en condiciones estándar no es tóxico, no desempeña ningún papel biológico y se encuentra en cantidades mínimas en la sangre humana.

La velocidad del sonido en el helio es casi tres veces la velocidad del sonido en el aire. Debido a que la frecuencia de resonancia natural de una cavidad llena de gas es proporcional a la velocidad del sonido en el gas, cuando se inhala helio, se produce un aumento correspondiente en las frecuencias de resonancia del tracto vocal, que es el amplificador del sonido vocal.Este aumento en la frecuencia de resonancia del amplificador (el tracto vocal) aumenta la amplificación de los componentes de alta frecuencia de la onda sonora producida por la vibración directa de las cuerdas vocales, en comparación con el caso en que la caja de la voz está llena de aire.. Cuando una persona habla después de inhalar gas helio, los músculos que controlan la laringe todavía se mueven de la misma manera que cuando la laringe está llena de aire, por lo tanto, la frecuencia fundamental (a veces llamada tono) producida por la vibración directa de las cuerdas vocales no Sin cambio. Sin embargo, la amplificación preferida de alta frecuencia provoca un cambio en el timbre del sonido amplificado, lo que da como resultado una calidad vocal aflautada similar a la de un pato. El efecto contrario, la reducción de las frecuencias de resonancia, se puede obtener inhalando un gas denso como el hexafluoruro de azufre o el xenón.

Riesgos

Inhalar helio puede ser peligroso si se hace en exceso, ya que el helio es un simple asfixiante y desplaza el oxígeno necesario para la respiración normal. Se han registrado muertes, incluido un joven que se asfixió en Vancouver en 2003 y dos adultos que se asfixiaron en el sur de Florida en 2006. En 1998, una niña australiana de Victoria cayó inconsciente y se puso azul temporalmente después de inhalar todo el contenido de un globo de fiesta. La inhalación de helio directamente de los cilindros presurizados o incluso de las válvulas de llenado de globos es extremadamente peligrosa, ya que una tasa de flujo y una presión elevadas pueden provocar un barotrauma y una ruptura fatal del tejido pulmonar.

La muerte causada por el helio es rara. El primer caso registrado en los medios fue el de una niña de 15 años de Texas que murió en 1998 por inhalación de helio en la fiesta de un amigo; el tipo exacto de muerte por helio no está identificado.

En los Estados Unidos, solo se informaron dos muertes entre 2000 y 2004, incluido un hombre que murió en Carolina del Norte de barotrauma en 2002. Un joven se asfixió en Vancouver durante 2003 y un hombre de 27 años en Australia tuvo una embolia después de respirar. de un cilindro en 2000. Desde entonces dos adultos se asfixiaron en el sur de Florida en 2006, y hubo casos en 2009 y 2010, uno de un joven californiano que fue encontrado con una bolsa en la cabeza, pegada a un tanque de helio, y otro adolescente en Irlanda del Norte murió por asfixia. En Eagle Point, Oregón, una adolescente murió en 2012 por barotrauma en una fiesta. Una niña de Michigan murió de hipoxia a finales de año.

El 4 de febrero de 2015, se reveló que, durante la grabación de su programa de televisión principal el 28 de enero, una integrante de 12 años (nombre retenido) del grupo de canto femenino japonés 3B Junior sufrió una embolia aérea y perdió el conocimiento. y caer en coma como resultado de burbujas de aire que bloquean el flujo de sangre al cerebro, después de inhalar grandes cantidades de helio como parte de un juego. El incidente no se hizo público hasta una semana después. El personal de TV Asahi realizó una conferencia de prensa de emergencia para comunicar que la miembro había sido llevada al hospital y mostraba signos de rehabilitación, como ojos y extremidades móviles, pero su conciencia aún no se ha recuperado lo suficiente. La policía abrió una investigación por negligencia en las medidas de seguridad.

Los problemas de seguridad del helio criogénico son similares a los del nitrógeno líquido; sus temperaturas extremadamente bajas pueden provocar quemaduras por frío, y la relación de expansión de líquido a gas puede causar explosiones si no se instalan dispositivos de alivio de presión. Los contenedores de helio gaseoso a 5 a 10 K deben manipularse como si contuvieran helio líquido debido a la rápida y significativa expansión térmica que se produce cuando el helio gaseoso a menos de 10 K se calienta a temperatura ambiente.

A altas presiones (más de unas 20 atm o dos MPa), una mezcla de helio y oxígeno (heliox) puede provocar el síndrome nervioso de alta presión, una especie de efecto anestésico inverso; agregar una pequeña cantidad de nitrógeno a la mezcla puede aliviar el problema.