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Hélio − He

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Tópicos: História da Descoberta | Disponibilidade | Produção | Propriedades | Compostos e/ou Reações | Aplicações | Isótopos |

Número atômico 2 | Massa atômica 4,002602 | Elétrons 1s2 |


1) História

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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.


2) Disponibilidade

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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. Na atmosfera, ocorre porque partículas alfa, emitidas por decaimentos radioativos, tornam-se 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.


3) Produção

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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.

A substância elementar é monoatômica (He).


4) Propriedades

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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. 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 redução da temperatura. Sob pressão normal, permanece líquido até o zero absoluto. Mas pode ser solidificado pelo aumento da pressão. Esse e outros comportamentos particulares do hélio podem ser vistos no diagrama aproximado de estado na figura a seguir. Nota-se a ausência de linha de equilíbrio entre sólido e gás, fato normal nas demais substâncias.

Diagrama de Estado do Hélio
Fig 4-I

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 propriedades:

• No escoamento em capilares entre 10 e 100 nm, não há viscosidade mensurável. Essa característica é denominada superfluidez.

• Se hélio II é posto 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 Condição / Obs Valor Unidade
Calor de fusão   0,018 kJ/mol
Calor de vaporização   0,083 kJ/mol
Condutividade térmica 0°C e 1 atm 0,1426 W/(m °C)
Cp 100 kPa e 25°C 0,02 kJ/(mol °C)
Cv 100 kPa e 25°C 0,012 kJ/(mol °C)
Eletronegatividade Sem dado Pauling
Estados de oxidação   0 -
Massa específica Gás (0°C e 1 atm) 0,178 kg/m3
Massa específica Gás (15°C e 1 atm) 0,169 kg/m3
Massa específica Gás (temp ebulição e 1 atm) 16,891 kg/m3
Massa específica Líq (temp ebulição e 1 atm) 124,96 kg/m3
Massa específica crítica   69,64 kg/m3
Massa molecular   4,0026 g/mol
Ponto de ebulição   −268,93 °C
Ponto de fusão 26 atm −272,2 °C
Pressão crítica   227,5 kPa
Relação Cp / Cv 100 kPa e 25°C 1,664 -
Solubilidade em água 0,0089 m3/m3
Temperatura crítica   −267,96 °C
Viscosidade 0°C e 1 atm 0,0001863 Poise

Hélio é um gás neutro, não tóxico. Mas a respiração de misturas com altos teores de hélio pode provocar asfixia e morte por falta de oxigênio.


5) Compostos e/ou Reações - Alguns Exemplos

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O elemento é nobre e teoricamente não forma compostos. Há pesquisas para tentar a combinação com o flúor.


6) Aplicações - Alguns Exemplos

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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 em 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.

Balões e Dirigíveis

Em comparação com o hidrogênio, a propriedade de ser neutro, não inflamável é determinante para o uso, . Apesar de a massa específica ser perto do dobro da do hidrogênio, a capacidade de ascensão é próxima. Sejam as hipóteses, dados e cálculos a seguir.

(1) Temperatura 0°C, pressão 1 atm.

(2) Gases ideais: aproximação válida para pressão dada em (1).

(3) Volume de 1 mol de gás ideal ≈ 22,4 dm3, segundo equação termodinâmica de estado do gás ideal, nas condições de (1).

(4) Balão de volume igual ao anterior (de 1 mol de gás ideal), massa da estrutura desprezível.

(5) Massa de 1 mol de ar ≈ 29 g (corresponde ao volume de ar deslocado pelo balão). Aceleração da gravidade g ≈ 9,8 m/s2.

(6) Força de empuxo (para cima), segundo princípio de Arquimedes, dada pelo peso da massa de ar deslocado ≈ 29 × 10−3 × 9,8 ≈ 0,284 N.

(7) 1 mol de hidrogênio ≈ 2 × 1 = 2 g (molécula diatômica). Portanto, para o balão com hidrogênio, força para baixo devido ao peso do gás: 2 × 10−3 × 9,8 ≈ 0,0196 N. Calculando a força resultante para ascensão do balão: 0,284 − 0,0196 ≈ 0,264 N.

(8) 1 mol de hélio ≈ 1 x 4 = 4 g (molécula monoatômica). Portanto, para o balão com hélio, força para baixo devido peso ao do gás: 4 × 10−3 × 9,8 ≈ 0,0392 N. Calculando a força resultante para ascensão do balão: 0,284 − 0,0392 ≈ 0,245 N.

(9) Comparando resultados de (7) e (8), conclui-se que o balão com hélio tem uma capacidade de ascensão de aproximadamente 92,8 % do mesmo balão com hidrogênio.


7) Isótopos

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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 + 6Li
8He 0 8.0339 0,119 s β + 8Li
8He 0 8.0339 0,119 s β + n + 7Li

Nota: 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.
Referências
WebElements Periodic Table.
Los Alamos National Laboratory. Periodic Table of the Elements.

Topo | Rev: Mai/2018