|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Dados básicos / Elementos adjacentes |
↑Topo
• Fim↓ |
|
|
|
| Número atômico |
2 |
| Massa atômica |
4,002602 |
| Elétrons |
1s2 |
|
| · · · · |
· · · · |
· · · · |
| · · · · |
Hélio |
· · · · |
| Flúor |
Neônio |
· · · · |
|
|
|
|
|
|
|
|
Do grego helios (sol). O pioneirismo da descoberta de
evidências do elemento é atribuído ao astrônomo francês Pierre
Janssen que, durante um eclipse solar em 1868, observou a existência,
no espectro, de uma linha próxima de uma do sódio, mas não
possível de reprodução em laboratório. Na ocasião, foi sugerido
que a linha deveria ser do próprio sódio. No mesmo ano, o astrônomo
inglês Sir Norman Lockyer concluiu que a linha pertencia a um
elemento existente no Sol e ainda não identificado na Terra. E
também atribuiu-lhe o nome.
Por algum tempo, o hélio foi suposto inexistente na Terra. Em 1895, os químicos suecos
Teodor Cleve e Abraham Langlet (e, de forma independente, o químico
inglês William Ramsay) descobriram a presença de
hélio no mineral de urânio clevita. Em 1907, Ernest Rutherford e
Thomas Royds demonstraram que partículas alfa são
núcleos de hélio.
|
|
|
|
|
|
|
|
No universo, é o elemento mais abundante depois do hidrogênio.
Estima-se que representa 23% da massa total do universo. Análises espectrais indicam a existência de grandes quantidades
nas estrelas, onde é produzido pela reação da fusão nuclear do
hidrogênio. Na Terra é encontrado na atmosfera (proporção de aproximadamente 1
para 200 000), no gás natural e em rochas de alguns minerais, das quais
pode ser liberado por aquecimento.
A existência na atmosfera provém de partículas alfa
emitidas por decaimentos radioativos (as partículas alfa se tornam
átomos de hélio pela captura de elétrons da vizinhança), mas a
proporção é pequena devido à neutralidade química e à facilidade
de escape em razão da baixa massa específica. Depósitos
de gás natural em regiões com minérios de urânio acumulam hélio
porque esses minerais são emissores naturais de partículas alfa.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Comercialmente é obtido a partir do gás natural de algumas fontes, que podem conter
até 7% de hélio. Desde que o hélio é o gás de menor ponto de
condensação, ele é separado por destilação fracionada. Com
sucessivas reduções de temperatura e aumentos de pressão, os demais
gases são depositados, restando hélio na maior parte da mistura
gasosa. Carvão ativo pode ser usado na purificação final. Também
pode ser separado por difusão em membrana. Artificialmente pode ser
produzido através de bombardeio de partículas, mas o processo não
é economicamente viável.
|
|
|
|
|
|
|
|
Em condições usuais, é um gás incolor, inodoro, não inflamável e
inerte.
É o elemento de menor ponto de fusão e o seu ponto de ebulição é
perto do zero absoluto. Portanto, é um meio criogênico importante para o estudo da
supercondutividade.
Apresenta elevado calor especifico e baixa massa específica nas
condições normais.
|
|
|
Fig 01
|
|
Combinado com outras técnicas, o hélio líquido permite obter
temperaturas absolutas de apenas alguns microkelvins.
É o único líquido que não pode ser solidificado apenas com a
redução da temperatura. Sob pressão normal, permanece líquido até o
zero absoluto. Mas pode ser solidificado pelo aumento da pressão.
Este e outros comportamentos particulares do hélio podem ser vistos no
diagrama aproximado de estado na Figura 01 ao lado. Notar a ausência de
linha de equilíbrio entre sólido e gás, fato normal nas demais substâncias.
|
Outro aspecto único é a existência de duas fases líquidas,
limitadas pela chamada linha λ: hélio I (He I) e hélio II (He
II). O hélio I tem comportamento normal de líquido, mas o hélio II
apresenta algumas interessantes propriedades:
• no escoamento em capilares entre 10 e 100 nm, não há
viscosidade mensurável. Essa característica é denominada superfluidez.
• se hélio II é colocado em um recipiente fechado com outro
vazio no interior conforme (a) da mesma figura, há formação de um
filme nas superfícies e um efeito de arraste que tende a encher o
recipiente vazio numa aparente violação das leis da mecânica. O
filme se estende por todas as superfícies internas. Assim, se o
reservatório não for hermético, todo o fluido será perdido.
|
| Grandeza |
Valor |
Unidade |
|
Massa molecular |
4,0026 |
g/mol |
|
Massa específica do gás (0°C e 1 atm) |
0,178 |
kg/m3 |
|
Massa específica do gás (15°C e 1 atm) |
0,169 |
kg/m3 |
|
Massa específica do gás (temperatura de ebulição e 1 atm) |
16,891 |
kg/m3 |
|
Massa específica do liq (temperatura de ebulição e 1 atm) |
124,96 |
kg/m3 |
|
Ponto de fusão (26 atm) |
-272,2 |
°C |
| Calor de fusão |
0,018 |
kJ/mol |
|
Ponto de ebulição |
-268,93 |
°C |
| Calor de vaporização |
0,083 |
kJ/mol |
|
Temperatura crítica |
-267,96 |
°C |
|
Pressão crítica |
227,5 |
kPa |
|
Massa específica crítica |
69,64 |
kg/m3 |
|
Cp (a 100 kPa e 25ºC) |
0,02 |
kJ/(mol ºC) |
|
Cv (a 100 kPa e 25ºC) |
0,012 |
kJ/(mol ºC) |
|
Relação Cp / Cv (a 100 kPa e 25ºC) |
1,664 |
- |
|
Viscosidade a 0ºC e 1 atm |
0,0001863 |
Poise |
|
Condutividade térmica a 0ºC e 1 atm |
0,1426 |
W/(m °C) |
|
Solubilidade em água a 20ºC e 1 atm |
0,0089 |
vol/vol |
|
Eletronegatividade |
s/ dado |
Pauling |
|
Estados de oxidação |
0 |
- |
|
Hélio é um gás neutro, não tóxico. Mas, evidentemente, a
respiração de misturas com altos teores de hélio pode provocar
asfixia e morte por falta de oxigênio.
|
|
|
|
Compostos e/ou
reações - alguns exemplos |
↑Topo
• Fim↓ |
|
|
|
|
O elemento é nobre e teoricamente não forma compostos. Há pesquisas
para tentar a combinação com o flúor.
|
|
|
|
Aplicações - alguns exemplos |
↑Topo
• Fim↓ |
|
|
|
Gás protetor para soldas. Atmosfera protetora para o crescimento de
cristais de silício e de germânio. Produção de titânio e zircônio.
Meio de refrigeração para reatores nucleares. Meio para túneis de
vento supersônicos. Equipamentos de ressonância magnética, meio
criogênico para supercondutores, detecção de vazamentos em
equipamentos com vácuo devido à elevada capacidade de difusão, etc.
Misturado com o oxigênio, é usado como atmosfera artificial para
mergulhos profundos. A solubilidade em água (componente majoritário
do sangue) á baixa e, por isso, apresenta menos riscos que o
nitrogênio da atmosfera natural.
A baixa massa específica faz do hélio o gás padrão para enchimento
de balões e dirigíveis, sem o risco de incêndio que o hidrogênio apresenta.
Para este caso, é comum a informação de que o hélio tem cerca de 92%
da capacidade de ascensão do hidrogênio. Notar que isso não é uma
comparação entre massas específicas (o hélio tem aproximadamente o
dobro da do hidrogênio). É preciso usar o princípio de Arquimedes,
isto é, o empuxo é igual ao peso do volume de fluido deslocado.
Vejamos então os cálculos.
Supomos temperatura 0ºC, pressão 1 atm e gases ideais (aproximação
perfeitamente válida para pressões existentes na atmosfera). Segundo a
equação termodinâmica de estado do gás ideal, o volume de um mol só
depende da temperatura e da pressão, não depende da natureza do gás.
Para 0ºC e 1 atm temos Vmol = 22,4 litros (dm³). Para
simplificar as contas, consideramos um balão com esse volume e
desprezamos a massa da sua estrutura.
O mol de ar tem cerca de 29 gramas. O mol de hidrogênio tem ≈ 2
gramas (molécula biatômica) e o mol de hélio tem ≈ 4 gramas
(molécula monoatômica). Consideramos aceleração da gravidade 9,8
m/s².
Portanto, no nosso balão hipotético, a massa de ar deslocado é 29 g
ou 0,029 kg. E o peso dessa massa (empuxo) atua para cima segundo
Arquimedes. Se cheio de hidrogênio, temos o peso de uma massa de 2 g ou
0,002 kg atuando para baixo. E a força líquida atuante para cima é
F = (0,029 - 0,002) 9,8 ≈ 0,265 N. Se cheio de hélio,
substituímos apenas a massa de 2 g pela de 4 g.
F = (0,029 - 0,004) 9,8 ≈ 0,245 N. E essa força representa pouco
mais de 92% da anterior (do hidrogênio).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A coluna % natural indica o teor encontrado no elemento natural. Valor nulo indica produção artificial. Símbolos para tempos de meia vida: s (segundo), m (minuto), h (hora), d (dia), a (ano). A
tabela contém os principais isótopos do elemento. Não são necessariamente todos.
|
| Simb |
%
natural |
Massa |
Meia
vida |
Decaimento |
| 3He |
0,00014 |
3,0160 |
Estável |
- |
| 4He |
99,99986 |
4,0026 |
Estável |
- |
| 6He |
0 |
6,0189 |
0,807 s |
β-
p/ 6Li |
| 8He |
0 |
8.0339 |
0,119 s |
β-
p/ 8Li
β- + n p/ 7Li |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|