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Hélio - He
Número atômico 2 | Massa atômica 4,002602 | Elétrons 1s2 |
História
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.
Disponibilidade
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.
Produção
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.
Propriedades
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 a redução da temperatura. Sob
pressão normal, permanece líquido até o zero absoluto. Mas pode ser solidificado pelo
aumento da pressão.
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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.
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.
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Grandeza
Calor de fusão
Calor de vaporização
Condutividade térmica a 0°C e 1 atm
Cp (a 100 kPa e 25°C)
Cv (a 100 kPa e 25°C)
Eletronegatividade
Estados de oxidação
Massa específica crítica
Massa específica do gás (0°C e 1 atm)
Massa específica do gás (15°C e 1 atm)
Massa específica do gás (temperatura de ebulição e 1 atm)
Massa específica do liq (temperatura de ebulição e 1 atm)
Massa molecular
Ponto de ebulição
Ponto de fusão (26 atm)
Pressão crítica
Relação Cp / Cv (a 100 kPa e 25°C)
Solubilidade em água a 20°C e 1 atm
Temperatura crítica
Viscosidade a 0°C e 1 atm
Valor
Unidade
0,018
0,083
0,1426
0,02
0,012
s/ dado
0
69,64
0,178
0,169
16,891
124,96
4,0026
−268,93
−272,2
227,5
1,664
0,0089
−267,96
18,63 10−6
kJ/mol
kJ/mol
W/(m °C)
kJ/(mol °C)
kJ/(mol °C)
Pauling
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
g/mol
°C
°C
kPa
vol/vol
°C
Pa s
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
O elemento é nobre e teoricamente não forma compostos. Há pesquisas para tentar a
combinação com o flúor.
Aplicações - alguns exemplos
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. 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. Sejam então os cálculos.
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Supõe-se temperatura 0°C, pressão 1 atm e gases ideais (aproximação 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 0°C e 1 atm, tem-se
Vmol = 22,4 litros (dm3 )
Para simplificar as contas, considera-se um balão com esse volume e despreza-se 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). Considera-se aceleração
da gravidade 9,8 m/s2 .
Portanto, nesse 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,
tem-se 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, substitui-se apenas a massa de 2 g pela de 4 g:
F = (0,029 − 0,004) 9,8 ≈ 0,245 N.
Essa força representa pouco mais de 92% da anterior (do hidrogênio).
Isótopos
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).
Símbolo
% natural
Massa
Meia-vida
Decaimento
3 He
0,00014
99,99986
0
0
3,0160
4,0026
6,0189
8.0339
Estável
Estável
0,807 s
0,119 s
β− p/ 6 Li
β− + n p/ 7 Li
4 He
6 He
8 He
A tabela contém os principais isótopos do elemento. Não são necessariamente todos.
Mar/2005 | Página inicial do site