Helio

Descubrimientos cientificos

La primera evidencia de helio se observó el 18 de agosto de 1868, como una línea de color amarillo 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. ^{[23] [24]} 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 llamó D ₃ porque estaba cerca de las conocidas líneas D ₁ y D _{2 de} Fraunhofer de sodio. ^{[25] [26]} Concluyó que fue causado por un elemento en el Sol desconocido en la Tierra. Lockyer y el químico inglés Edward Frankland nombraron el elemento con la palabra griega para el Sol, ἥλιος ( helios ). ^{[27] [28]}

Líneas espectrales de helio

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 había sido sublimado durante una reciente erupción del Vesubio . ^[29]

Sir William Ramsay , el descubridor del helio terrestre

La muestra de cleveita de la que Ramsay purificó por primera vez el helio ^[30]

El 26 de marzo de 1895, el químico escocés Sir William Ramsay aisló helio en la Tierra tratando 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. ^{[26] [31] [32] [33]} Estas muestras fueron identificadas como helio por Lockyer y el físico británico William Crookes . ^{[34] [35]} Fue aislado de forma independiente de la cleveita, 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 . ^{[24] [36] [37]} El geoquímico estadounidense William Francis Hillebrand también aisló helio antes del descubrimiento de Ramsay, cuando notó líneas espectrales inusuales mientras probaba una muestra del mineral uraninita. Hillebrand, sin embargo, atribuyó las líneas al nitrógeno. ^[38] Su carta de felicitación a Ramsay ofrece un caso interesante de descubrimiento, y casi descubrimiento, en la ciencia. ^[39]

En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que las partículas alfa son núcleos de helio , al permitir que las partículas penetren en la delgada pared de vidrio de un tubo evacuado y luego creen una descarga en el tubo para estudiar el espectro del nuevo gas en el interior. ^[40] En 1908, el helio fue licuado por primera vez por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes enfriando el gas a menos de 5 K (-268,15 ° C; -450,67 ° F). ^{[41] [42]} Trató de solidificarlo reduciendo aún más la temperatura, pero falló porque el helio no se solidifica a la presión atmosférica. El estudiante de Onnes, Willem Hendrik Keesom , finalmente pudo solidificar 1 cm ³ de helio en 1926 aplicando presión externa adicional. ^{[43] [44]}

En 1913, Niels Bohr publicó su "trilogía" ^{[45] [46]} sobre la estructura atómica que incluía una reconsideración de la serie Pickering-Fowler como evidencia central en apoyo de su modelo del átomo . ^{[47] [48]} 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 ^[49] (ahora se sabe que ocurren con Wolf-Rayet y otras estrellas calientes ). ^[50] Pickering atribuyó la observación (líneas en 4551, 5411 y 10123  Å ) a una nueva forma de hidrógeno con niveles de transición de medio entero. ^{[51] [52]} En 1912, Alfred Fowler ^[53] logró producir líneas similares a partir de una mezcla de hidrógeno y helio, y apoyó la conclusión de Pickering en cuanto a su origen. ^[54] 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 su lugar asignó estas líneas espectrales al helio ionizado, He ⁺ . ^[55] Fowler se mostró inicialmente escéptico ^[56] pero finalmente se convenció ^{[57] de} que Bohr tenía razón, ^[45] y en 1915 "los espectroscopistas habían transferido [la serie Pickering-Fowler] definitivamente [del hidrógeno] al helio". ^{[48] [58]} El trabajo teórico de Bohr sobre la serie de Pickering había demostrado la necesidad de "un reexamen de los problemas que parecían ya resueltos dentro de las teorías clásicas" y proporcionó una confirmación importante para su teoría atómica. ^[48]

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 llama superfluidez . ^[59] 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 del helio-3 está relacionado con el apareamiento de fermiones de helio-3 para formar bosones , en analogía con los pares de electrones de Cooper que producen superconductividad . ^[60]

Extracción y uso

Marcador histórico, que denota un hallazgo masivo de helio cerca de Dexter, Kansas

Después de una operación de perforación petrolera en 1903 en Dexter, Kansas produjo un géiser de gas que no se quemaba, el geólogo del estado de Kansas, Erasmus Haworth, recogió muestras del gas que escapaba y las llevó de regreso a la Universidad de Kansas en Lawrence donde, con la ayuda de los químicos Hamilton Cady y David McFarland, descubrieron que el gas consistía, en volumen, en 72% de nitrógeno, 15% de metano (un porcentaje combustible solo con suficiente oxígeno), 1% de hidrógeno y 12% de un gas no identificable. ^{[24] [61]} Con un análisis más detallado, Cady y McFarland descubrieron que el 1,84% de la muestra de gas era helio. ^{[62] [63]} Esto mostró que a pesar de su rareza general en la Tierra, el helio se concentraba en grandes cantidades bajo las Grandes Llanuras de Estados Unidos , disponible para la extracción como un subproducto del gas natural . ^[64]

Esto permitió a Estados Unidos convertirse 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 bombardeo con gas no inflamable, más ligero que el aire. En el programa se produjo un total de 5.700 m ³ (200.000 pies cúbicos) de 92% de helio, aunque anteriormente se había obtenido menos de un metro cúbico de gas. ^[26] Parte de este gas se utilizó en el primer dirigible lleno de helio del mundo, el dirigible clase C C-7 de la Armada de los EE. UU. , Que realizó su viaje inaugural desde Hampton Roads, Virginia , a Bolling Field en Washington, DC, en diciembre. 1, 1921, ^[65] casi dos años antes de que el primer dirigible rígido lleno de helio de la Armada , el USS Shenandoah construido en la fábrica de aviones navales , 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 blindado . El espectrómetro de masas de helio también fue vital en el Proyecto Manhattan de la bomba atómica . ^[66]

El gobierno de los Estados Unidos estableció la Reserva Nacional de Helio en 1925 en Amarillo, Texas , con el objetivo de suministrar aeronaves militares en tiempo de guerra y dirigibles comerciales en tiempos de paz. ^[26] Debido a la Ley de Helio de 1925 , que prohibió la exportación del escaso helio sobre el que Estados Unidos tenía entonces un monopolio de producción, junto con el costo prohibitivo del gas, el Hindenburg , como todos los zepelines alemanes , se vio obligado a utilizar hidrógeno. como el gas de elevación. El mercado del 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 de 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 en tiempos de guerra. ^[67]

Después de las "Enmiendas a las Leyes de Helio de 1960" (Ley Pública 86-777), la Oficina de Minas de los Estados Unidos dispuso cinco plantas privadas para recuperar helio del gas natural. Para este programa de conservación de helio , la Oficina construyó un gasoducto de 425 millas (684 km) desde Bushton, Kansas , para conectar esas plantas con el campo de gas Cliffside parcialmente agotado del gobierno cerca de Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio-nitrógeno se inyectó y se almacenó en el campo de gas de Cliffside hasta que se necesitó, momento en el que se purificó más. ^[68]

Para 1995, se habían recolectado mil millones de metros cúbicos de gas y la reserva era de US $ 1.4 mil millones en deuda, lo que llevó al Congreso de los Estados Unidos en 1996 a eliminar gradualmente la reserva. ^{[24] [69]} La resultante Ley de Privatización del Helio de 1996 ^[70] (Ley Pública 104-273) ordenó al Departamento del Interior de los Estados Unidos vaciar la reserva, con ventas a partir de 2005. ^[71]

El helio producido entre 1930 y 1945 tenía aproximadamente un 98,3% de pureza (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%. ^[72]

Durante muchos años, Estados Unidos produjo más del 90% del helio comercialmente utilizable 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 funcionar una nueva planta en Arzew , Argelia, que producía 17 millones de metros cúbicos (600 millones de pies cúbicos), con una producción suficiente para cubrir toda la demanda europea. 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. ^[73] En 2004-2006, se construyeron plantas adicionales en Ras Laffan , Qatar , y Skikda , Argelia. Argelia se convirtió rápidamente en el segundo productor de helio. ^[74] A lo largo de este tiempo, aumentaron tanto el consumo de helio como los costos de producción de helio. ^[75] De 2002 a 2007, los precios del helio se duplicaron. ^[76]

A partir de 2012^[actualizar], la Reserva Nacional de Helio de los Estados Unidos representó el 30 por ciento del helio del mundo. ^[77] Se esperaba que la reserva se quedara sin helio en 2018. ^[77] A pesar de eso, un proyecto de ley en el Senado de los Estados Unidos permitiría que la reserva continúe vendiendo el gas. Otras grandes reservas se encontraban en Hugoton en Kansas , Estados Unidos, y los campos de gas cercanos de Kansas y los meandros 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 mitigaran la escasez. ^[77]

En 2013, Qatar puso en marcha la unidad de helio más grande del mundo, ^[78] aunque la crisis diplomática de Qatar de 2017 afectó gravemente a la producción de helio allí. ^[79] Se reconoció ampliamente que 2014 fue un año de exceso de oferta en el negocio del helio, tras años de notoria escasez. ^[80] Nasdaq informó (2015) que para Air Products , una corporación internacional que vende gases para uso industrial, los volúmenes de helio siguen bajo presión económica debido a las limitaciones de suministro de materia prima. ^[81]

El átomo de helio

El átomo de helio. Se muestran el núcleo (rosa) y la distribución de la nube de electrones (negro). El núcleo (arriba a la derecha) del helio-4 es en realidad esféricamente simétrico y se parece mucho a la nube de electrones, aunque este no es siempre el caso de núcleos más complicados.

Helio 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 está compuesto por dos electrones en orbitales atómicos que rodean un núcleo que contiene dos protones y (generalmente) dos neutrones. Como en la mecánica newtoniana, ningún sistema que consta de más de dos partículas puede resolverse con un enfoque matemático analítico exacto (ver problema de 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. Estos métodos de química computacional se han utilizado para crear una imagen mecánica cuántica de la unión de electrones de helio con una precisión de <2% del valor correcto, en unos pocos pasos computacionales. ^[82] Estos modelos muestran que cada electrón del helio separa 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.

La 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 de la mecánica cuántica que el par de electrones del helio (aunque las partículas nucleares están sujetas a un potencial de unión nuclear diferente), de modo que todos estos los fermiones ocupan completamente los orbitales 1s en pares, ninguno de ellos posee momento angular orbital y cada uno cancela el giro 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). Por lo tanto, esta disposición es energéticamente extremadamente estable para todas estas partículas, y esta estabilidad explica muchos hechos cruciales con respecto al 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, producida por efectos similares, explica la facilidad de producción de helio-4 en reacciones atómicas que involucran la emisión o fusión de partículas pesadas. Se produce algo de helio-3 estable (2 protones y 1 neutrón) en reacciones de fusión a partir del hidrógeno, pero es una fracción muy pequeña en comparación con el altamente favorable helio-4.

Energía de unión por nucleón de isótopos comunes. La energía de enlace por partícula de helio-4 es significativamente mayor que la de todos los nucleidos cercanos.

La inusual estabilidad del núcleo de helio-4 también es cosmológicamente importante : explica el hecho de que en los primeros minutos después del Big Bang , como la "sopa" de protones y neutrones libres que inicialmente se había creado en una proporción de aproximadamente 6: 1 enfriados hasta el punto en que era posible la unión nuclear, casi todos los primeros núcleos atómicos compuestos que se formaron fueron núcleos de helio-4. La unión del helio-4 era tan fuerte 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 producir los elementos 3, 4 y 5. Apenas era energéticamente favorable. para que el helio se fusione en el siguiente elemento con menor energía por nucleón , el carbono. Sin embargo, debido a la falta de elementos intermedios, este proceso requiere que tres núcleos de helio se golpeen entre sí casi simultáneamente (ver proceso triple alfa ). Por lo tanto, no hubo tiempo para que se formara carbono significativo 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 en el que la fusión del helio en carbono ya no era posible. Esto dejó al universo temprano 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 planetas rocosos como la Tierra, y para la vida basada en 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 del 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 de gas y plasma

Tubo de descarga de helio con forma de símbolo atómico del elemento.

El helio es el segundo gas noble menos reactivo después del neón y, por tanto, el segundo menos reactivo de todos los elementos. ^[83] 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% que la del hidrógeno. ^[26]

El helio es el gas monoatómico menos soluble en agua , ^[84] y uno de los menos solubles en agua de todos los gases ( CF 4 , SF 6 y C 4 F 8 tienen menos solubilidades en fracción molar: 0.3802, 0.4394 y 0.2372 x ₂ / 10 ^-5 , respectivamente, frente de helio 0,70797 x ₂ /10 ^-5 ), ^[85] y de helio índice de refracción está más cerca de la unidad que la de cualquier otro gas. ^[86] El helio tiene un coeficiente de Joule-Thomson negativo a temperaturas ambientales normales, lo que significa que se calienta cuando se le permite expandirse libremente. Sólo por debajo de su temperatura de inversión de Joule-Thomson (de aproximadamente 32 a 50 K a 1 atmósfera) se enfría con la expansión libre. ^[26] 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 bastante 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 muy influenciadas por campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en el viento solar junto con el hidrógeno ionizado, las partículas interactúan con la magnetosfera de la Tierra , dando lugar a las corrientes de Birkeland y la aurora . ^[87]

Helio liquido

Helio licuado. Este helio no solo es líquido, sino que se ha enfriado hasta el punto de superfluir . La gota de líquido en el fondo del vaso representa el helio que se escapa espontáneamente del recipiente por el costado para vaciarlo. La energía para impulsar este proceso es suministrada por la energía potencial del helio que cae.

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 del punto cero del sistema es demasiado alta para permitir la congelación. El helio sólido requiere una temperatura de 1–1,5 K (aproximadamente −272 ° C o −457 ° F) a aproximadamente 25 bar (2,5 MPa) de presión. ^[88] 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 muy compresible ; aplicar presión en un laboratorio puede disminuir su volumen en más de un 30%. ^[89] Con un módulo volumétrico de aproximadamente 27 MPa ^[90] , es ~ 100 veces más compresible que el agua. El helio sólido tiene una densidad de0,214 ± 0,006 g / cm ³ 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 ³ . ^[91] A temperaturas más altas, el helio se solidificará con suficiente presión. A temperatura ambiente, esto requiere alrededor de 114.000 atm. ^[92]

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 . ^[26] Como otros líquidos criogénicos , el helio I hierve cuando se calienta y se contrae cuando se baja su temperatura. Sin embargo, por debajo del punto lambda, el helio no hierve y se expande a medida que la temperatura baja aún más.

El helio I tiene un índice de refracción similar a un gas de 1.026, lo que hace que su superficie sea tan difícil de ver que a menudo se usan flotadores de espuma de poliestireno para mostrar dónde está la superficie. ^[26] Este líquido incoloro tiene una viscosidad muy baja y una densidad de 0.145–0.125 g / mL (entre aproximadamente 0 y 4 K), ^[93] que es solo una cuarta parte del valor esperado de la física clásica . ^[26] La mecánica cuántica es necesaria 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 en una escala macroscópica. Esto puede deberse a que su punto de ebullición está tan cerca del cero absoluto, lo que evita que el movimiento molecular aleatorio ( energía térmica ) enmascare las propiedades atómicas. ^[26]

Helio II

El helio líquido por debajo de su punto lambda (llamado helio II ) presenta 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. ^[26]

A diferencia de los líquidos ordinarios, el helio II se deslizará a lo largo de las superficies para alcanzar el mismo nivel; después de un rato, los niveles en los dos contenedores se igualarán. La película Rollin también cubre el interior del contenedor más grande; si no estuviera sellado, el helio II se deslizaría y escaparía. ^[26]

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 10 ⁻⁷ a 10 ⁻⁸  m, no tiene viscosidad medible . ^[24] 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 usando el modelo de dos fluidos para helio II. En este modelo, se considera que el helio líquido por debajo del punto lambda contiene una proporción de átomos de helio en un estado fundamental , que son superfluidos y fluyen con una viscosidad exactamente cero, y una proporción de átomos de helio en un estado excitado, que se comportan más como un fluido ordinario. ^[94]

En el efecto de 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 escapa fácilmente pero a través del cual no puede pasar el helio no superfluido. Si se calienta el interior del recipiente, el helio superfluido cambia a helio no superfluido. Para mantener la fracción de equilibrio del helio superfluido, el helio superfluido se filtra y aumenta la presión, lo que hace que el líquido salga del recipiente. ^[95]

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 . ^[26] Esto se debe a que la conducción de calor se produce mediante 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 tal 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 . ^[26]

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 está sellado arrastrándose por los lados hasta que llegue a una región más cálida donde se evapora. Se mueve en una película de 30  nm de espesor independientemente del material de la superficie. Esta película se llama película de Rollin y lleva el nombre del hombre que caracterizó por primera vez este rasgo, Bernard V. Rollin . ^{[26] [96] [97]} Como resultado de este comportamiento de arrastre y la capacidad del helio II de 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 a lo largo de las superficies y a través de las válvulas hasta que llegue 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 . ^[98] Estas ondas se conocen como tercer sonido . ^[99]

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 es³
Él por cada millón que hay⁴
Él . ^[24] 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, 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 cantidades enormes durante la nucleosíntesis del Big Bang . ^[100]

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 algunas caen a la Tierra atrapadas en polvo cósmico . ^[101] Las trazas también son producidas por la desintegración beta del tritio . ^{[102] Las} rocas de la corteza terrestre tienen proporciones de isótopos que varían hasta en un factor de diez, y estas proporciones se pueden utilizar para investigar el origen de las rocas y la composición del manto de la Tierra . ^{[101] 3}
Es mucho más abundante en estrellas como producto de la fusión nuclear. Así, en el medio interestelar , la proporción de³
El a⁴
Es unas 100 veces más alto que en la Tierra. ^[103] El material extraplanetario, como el regolito lunar y de asteroides , tiene trazas de helio-3 por haber sido bombardeado por los vientos solares . La superficie de la Luna contiene helio-3 en concentraciones del orden de 10 ppb , mucho más alto que los aproximadamente 5 ppt encontrados en la atmósfera terrestre. ^{[104] [105]} Varias personas, comenzando con Gerald Kulcinski en 1986, ^[106] han propuesto explorar la luna, extraer el regolito lunar y usar el helio-3 para la fusión .

Helio-4 líquido puede enfriarse a aproximadamente 1 K (-272,15 ° C; -457,87 ° F) utilizando enfriamiento por evaporación en una olla 1-K . Un enfriamiento similar del helio-3, que tiene un punto de ebullición más bajo, puede alcanzar aproximadamente0,2 kelvin en un refrigerador de helio-3 . Mezclas iguales de líquido³
El y⁴
El abajo0.8 K se separan en dos fases inmiscibles debido a su disimilitud (siguen diferentes estadísticas cuánticas : los átomos de helio-4 son bosones mientras que los átomos de helio-3 son fermiones ). ^[26] 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-5 con una vida media de7,6 × 10 ⁻²²  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 . ^[26] Se sabe que el helio-6 y el helio-8 exhiben un halo nuclear . ^[26]

Estructura del ion hidruro de helio , HHe ⁺

Estructura del presunto anión fluoroheliato, OHeF ^-

El helio tiene una valencia de cero y no es químicamente reactivo en todas las condiciones normales. ^[89] Es un aislante eléctrico a menos que esté ionizado . Al igual que con los otros gases nobles, el helio tiene niveles de energía metaestable que le permiten permanecer ionizado en una descarga eléctrica con un voltaje por debajo de su potencial de ionización . ^[26] El helio puede formar compuestos inestables , conocidos como excímeros , con tungsteno, yodo, flúor, azufre y fósforo cuando se somete a una descarga luminiscente , al bombardeo de electrones o se reduce a plasma por otros medios. Los compuestos moleculares HeNe, HgHe ₁₀ y WHe ₂ , y los iones moleculares He⁺
₂, Él²⁺
₂, Je+y HeD⁺
han sido creados de esta manera. ^{[107] El} 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 de forma aislada, ya que protona cualquier molécula o contraanión con el que contacte. 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. ^[26]

Los compuestos de helio de Van der Waals también se pueden formar con gas helio criogénico y átomos de alguna otra sustancia, como LiHe y He 2 . ^[108]

Teóricamente, pueden ser posibles otros compuestos verdaderos, como el fluorohidruro de helio (HHeF), que sería análogo al HArF , descubierto en 2000. ^{[109] Los} cálculos muestran que dos nuevos compuestos que contienen un enlace helio-oxígeno podrían ser estables. ^[110] Dos nuevas especies moleculares, predicho utilizando la teoría, CsFHeO y N (CH ₃ ) ₄ FHEO, son derivados de un FHEO metaestable ^- aniones primera teorizado en 2005 por un grupo de Taiwán. Si se confirma mediante un experimento, el único elemento restante sin compuestos estables conocidos sería el neón . ^[111]

Los átomos de helio se han insertado en las moléculas huecas de la jaula de carbono (los fullerenos ) mediante calentamiento a alta presión. Las moléculas de fullereno endoédrico formadas son estables a altas temperaturas. Cuando se forman derivados químicos de estos fullerenos, el helio permanece en el interior. ^[112] Si se utiliza helio-3 , se puede observar fácilmente mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear de helio . ^[113] Se ha informado de 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 . ^[114] El aislante electride Na 2 Se ha demostrado que es termodinámicamente estable a presiones superiores a 113 GPa. Tiene una estructura de fluorita . ^[115]

Abundancia natural

Aunque es raro en la Tierra, el helio es el segundo elemento más abundante del Universo conocido, constituyendo el 23% de su masa bariónica . Solo el hidrógeno es más abundante. ^[24] La gran mayoría del helio se formó por nucleosíntesis del Big Bang entre uno y tres minutos después del Big Bang. Como tal, las mediciones de su abundancia contribuyen a los modelos cosmológicos. En las estrellas , está formado por la fusión nuclear de hidrógeno en reacciones en cadena protón-protón y el ciclo CNO , parte de la nucleosíntesis estelar . ^[100]

En la atmósfera de la Tierra , la concentración de helio en volumen es de solo 5,2 partes por millón. ^{[116] [117]} La concentración es baja y bastante constante a pesar de la producción continua de nuevo helio porque la mayor parte del helio en la atmósfera de la Tierra escapa al espacio mediante varios procesos. ^{[118] [119] [120]} En la heteroesfera de la Tierra , 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 desintegración radiactiva . El helio se encuentra en grandes cantidades en minerales de uranio y torio , incluida la uraninita y sus variedades cleveita y pitchblenda , ^{[16] [121]} carnotita y monacita (un nombre de grupo; "monacita" generalmente se refiere a monacita- (Ce) ), ^{[ 122] [123]} porque emiten partículas alfa (núcleos de helio, He ²⁺ ) a las 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 . ^{[124] [125] [126]} En la corteza terrestre, la concentración de helio es de 8 partes por mil millones. En el agua de mar, la concentración es de solo 4 partes por billón. También hay pequeñas cantidades en manantiales minerales , gas volcánico y hierro meteórico . Debido a que el helio está 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 campo de gas en el condado de San Juan, Nuevo México . ^{[127] [128]}

A partir de 2011^[actualizar]las reservas mundiales de helio se estimaron en 40 mil millones de metros cúbicos, y una cuarta parte de eso se encuentra en el campo de gas condensado South Pars / North Dome, propiedad conjunta de Qatar e Irán. ^{[ cita requerida ]} En 2015 y 2016 se anunció la existencia de reservas probables adicionales bajo las Montañas Rocosas en América del Norte ^[129] y en el Rift de África Oriental . ^[130]

Extracción y distribución moderna

Para un uso a gran escala, el helio se extrae mediante destilación fraccionada del gas natural, que puede contener hasta un 7% de helio. ^[131] 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 bruto resultante se purifica mediante exposiciones sucesivas a temperaturas más bajas, en las que casi todo el nitrógeno restante y otros gases se precipitan de la mezcla gaseosa. El carbón activado se utiliza como paso de purificación final, lo que generalmente resulta en helio de grado A puro al 99,995%. ^[26] La principal impureza del helio de grado A es el neón . En un paso de producción final, la mayor parte del helio que se produce se licúa 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. ^{[74] [132]}

En 2008, aproximadamente 169 millones de metros cúbicos estándar (SCM) de helio se extrajeron del gas natural o de las reservas de helio, aproximadamente el 78% de los Estados Unidos, el 10% de Argelia y la mayor parte del resto de Rusia, Polonia y Qatar. ^[133] En 2013, los aumentos en la producción de helio en Qatar (bajo la empresa RasGas administrada por Air Liquide ) habían aumentado la fracción de la producción mundial de helio de Qatar al 25 por ciento y lo habían convertido en el segundo exportador más grande después de Estados Unidos. ^[134] En 2016 se encontró en Tanzania un depósito estimado de 54 mil millones de pies cúbicos (1,5 × 10 ⁹  m ³ ) de helio. ^[135] En 2020 se inauguró una planta de helio a gran escala en Ningxia , China. ^[136]

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. ^{[74] [137]} Gran parte de este gas se envió una vez por gasoducto 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, ^{[134] en} virtud de la Ley de octubre de 2013 Ley de administración y administración responsable del helio (HR 527). ^[138]

La difusión de gas natural crudo a través de membranas semipermeables especiales y otras barreras es otro método para recuperar y purificar el helio. ^[139] En 1996, EE. UU. Tenía reservas probadas de helio, en dichos complejos de pozos de gas, de aproximadamente 147 mil millones de pies cúbicos estándar (4,2 mil millones de SCM). ^[140] A las tasas de uso en ese momento (72 millones de SCM por año en los EE. UU.; Ver el gráfico circular a continuación), esto habría sido suficiente helio para aproximadamente 58 años de uso en EE. UU., Y menos que esto (quizás el 80% del tiempo ) a tasas de uso mundiales, aunque los factores de ahorro y procesamiento afectan las cifras de reserva efectivas.

El helio debe extraerse del gas natural porque está presente en el aire a solo una fracción del neón, pero la demanda es mucho mayor. Se estima que si se reestructurara toda la producción de neón para ahorrar helio, se satisfaría el 0,1% de la demanda mundial de helio. De manera similar, solo el 1% de la demanda mundial de helio podría satisfacerse con la remodelación de todas las plantas de destilación de aire. ^[141] 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. ^[142]

El helio está disponible comercialmente en forma líquida o gaseosa. Como líquido, se puede suministrar en pequeños contenedores aislados llamados dewars que contienen hasta 1.000 litros de helio, o en grandes contenedores ISO que tienen capacidades nominales de hasta 42 m ³ (alrededor de 11.000 galones estadounidenses ). En forma gaseosa, se suministran pequeñas cantidades de helio en cilindros de alta presión con capacidad para 8 m ³ (aproximadamente 282 pies cúbicos estándar), mientras que grandes cantidades de gas a alta presión se suministran en remolques tubulares que tienen capacidades de hasta como 4.860 m ³ (aproximadamente 172.000 pies cúbicos estándar).

Defensores de la conservación

Según conservacionistas del helio como el físico y premio Nobel Robert Coleman Richardson , que escribieron en 2010, el precio de mercado libre del helio ha contribuido al uso "derrochador" (por ejemplo, para globos de helio ). Los precios en la década de 2000 habían sido reducidos por la decisión del Congreso de los Estados Unidos de vender las grandes reservas de helio del país para 2015. ^[143] 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 & Glowacki (2012) también propusieron crear una Agencia Internacional de Helio (IHA) para construir un mercado sostenible para este preciado producto. ^[144]

El uso individual más grande del helio líquido es enfriar los imanes superconductores en los escáneres de resonancia magnética modernos.

Si bien los globos son quizás el uso más conocido de helio, son una parte menor de todo el uso de helio. ^[69] 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 total mundial de helio en 2014 de aproximadamente 32 millones de kg (180 millones de metros cúbicos estándar) de helio por año, el uso más grande (aproximadamente el 32% del total en 2014) es en aplicaciones criogénicas, la mayoría de las cuales implica enfriar los imanes superconductores en Escáneres médicos de resonancia magnética y espectrómetros de resonancia magnética nuclear . ^[146] 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. ^[145]

Atmósferas controladas

El helio se utiliza como gas protector en el crecimiento de silicio y germanio cristales, en titanio y circonio producción, y en cromatografía de gases , ^[89] , ya que es inerte. Debido a su inercia, naturaleza perfecta térmica y calóricamente , alta velocidad del sonido y alto valor de la relación de capacidad calorífica , también es útil en túneles de viento supersónicos ^[147] e instalaciones de impulso . ^[148]

Soldadura por arco de tungsteno con gas

El helio se utiliza como gas protector 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. ^[24] Se utilizan varios gases de protección inertes en la soldadura por arco de tungsteno con gas, pero se utiliza helio en lugar de argón más barato, especialmente para soldar materiales que tienen una mayor conductividad térmica , como el aluminio o el cobre .

Usos menores

Detección de fugas industriales

Una máquina de detección de fugas de helio de doble cámara

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 utiliza como gas trazador para detectar fugas en equipos de alto vacío (como tanques criogénicos) y contenedores de alta presión. ^[149] El objeto probado se coloca en una cámara, que luego se evacua 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 ⁻⁹ mbar · L / s (10 ⁻¹⁰ Pa · m ³ / 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 de mano. ^[150]

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 ha documentado constantes de permeación (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. ^[151]

Vuelo

Debido a su baja densidad e incombustibilidad, el helio es el gas preferido para llenar aeronaves como el dirigible Goodyear .

Debido a que es más liviano que el aire , los dirigibles y los globos se inflan con helio para levantarlos . Mientras que el gas hidrógeno es más flotante y escapa a través de una membrana a una velocidad menor, el helio tiene la ventaja de ser no inflamable y, de hecho , retardador del fuego . Otro uso menor es en cohetería , donde el helio se usa como medio vacío para desplazar combustible y oxidantes en tanques de almacenamiento y para condensar hidrógeno y oxígeno para producir combustible para cohetes . También se utiliza para purgar combustible y oxidante del equipo de apoyo terrestre antes del lanzamiento y para preenfriar hidrógeno líquido en vehículos espaciales . Por ejemplo, el cohete Saturno V utilizado en el programa Apollo necesitó unos 370.000 m ³ (13 millones de pies cúbicos) de helio para su lanzamiento. ^[89]

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 al aumentar la profundidad. ^{[152] [153]} A medida que la presión aumenta con la profundidad, la densidad del gas respirable también aumenta, y se encuentra que el bajo peso molecular del helio reduce considerablemente el esfuerzo respiratorio 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 respiratorio. ^{[154] [155]} 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 . ^[156] Este efecto puede contrarrestarse hasta cierto punto añadiendo una cantidad de gas narcótico, como hidrógeno o nitrógeno, a una mezcla de helio y oxígeno. ^[157]

Los láseres de helio-neón , un tipo de láser de gas de baja potencia que produce un rayo 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 . ^[24]

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 . ^[149]

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 . ^[158] La inercia del helio tiene ventajas medioambientales sobre los sistemas de refrigeración convencionales que contribuyen al agotamiento del ozono o al calentamiento global. ^[159]

El helio también se utiliza en algunas unidades de disco duro . ^[160]

Usos científicos

El uso de helio reduce los efectos distorsionantes de las variaciones de temperatura en el espacio entre lentes en algunos telescopios , debido a su índice de refracción extremadamente bajo . ^[26] Este método se utiliza especialmente en telescopios solares donde un tubo de telescopio hermético al vacío sería demasiado pesado. ^{[161] [162]}

El helio es un gas portador comúnmente utilizado para la cromatografía de gases .

La edad de las rocas y minerales que contienen uranio y torio se puede estimar midiendo el nivel de helio con un proceso conocido como datación por helio . ^{[24] [26]}

El helio a bajas temperaturas se utiliza en criogenia y en determinadas 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 la formación de imágenes por 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). ^[163]

Usos médicos

El helio fue aprobado para uso médico en los Estados Unidos en abril de 2020 para humanos y animales. ^{[164] [165]}

Si bien es químicamente inerte, la contaminación por helio afectará el funcionamiento de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) de modo que los iPhones pueden fallar. ^[166]

Efectos

El helio neutro en condiciones estándar no es tóxico, no desempeña ningún papel biológico y se encuentra en pequeñas cantidades 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. ^{[24] [167]} Este aumento en la frecuencia de resonancia del amplificador (el tracto vocal) da una mayor amplificación a los componentes de alta frecuencia de la onda de sonido producida por la vibración directa de las cuerdas vocales, en comparación con el caso cuando el La laringe está llena de aire. Cuando una persona habla después de inhalar gas helio, los músculos que controlan la laringe aún 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 lo hace. Sin cambio. ^[168] Sin embargo, la amplificación preferida de alta frecuencia provoca un cambio en el timbre del sonido amplificado, lo que resulta en una calidad vocal aflautada y parecida a un pato. El efecto opuesto, la disminución de las frecuencias de resonancia, se puede obtener inhalando un gas denso como el hexafluoruro de azufre o el xenón .

Peligros

La inhalación de helio puede ser peligrosa si se hace en exceso, ya que el helio es un asfixiante simple y, por lo tanto, desplaza el oxígeno necesario para la respiración normal. ^{[24] [169]} Las muertes se han registrado, incluyendo a un joven que se ahogó en Vancouver en 2003 y dos adultos que sofocó en el sur de la Florida en 2006. ^{[170] [171]} En 1998, una niña australiana de Victoria cayó inconsciente y temporalmente se volvió azul después de inhalar todo el contenido de un globo de fiesta. ^{[172] [173] [174]} Inhalar helio directamente de cilindros presurizados o incluso válvulas de llenado de globos es extremadamente peligroso, ya que el flujo y la presión elevados pueden provocar un barotrauma , que rompa fatalmente el tejido pulmonar. ^{[169] [175]}

La muerte causada por helio es rara. El primer caso registrado por 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. ^{[172] [173] [174]}

En los Estados Unidos, sólo se informaron dos muertes entre 2000 y 2004, incluido un hombre que murió en Carolina del Norte de barotrauma en 2002. ^{[170] [175]} Un joven asfixiado en Vancouver durante 2003, y un hombre de 27 años en Australia tuvo una embolia después de respirar de un cilindro en 2000. ^[170] Desde entonces, dos adultos se asfixiaron en el sur de Florida en 2006, ^{[170] [171] [176]} y hubo casos en 2009 y 2010, uno de los cuales era un joven californiano encontrado con una bolsa en la cabeza, unida a un tanque de helio, ^[177] y otro adolescente en Irlanda del Norte murió de asfixia. ^[178] En Eagle Point, Oregon, una adolescente murió en 2012 de barotrauma en una fiesta. ^{[179] [180] [181]} Una niña de Michigan murió de hipoxia a finales de año. ^[182]

El 4 de febrero de 2015 se reveló que, durante la grabación de su programa de televisión principal el 28 de enero, un miembro de 12 años (nombre oculto) del grupo de cantantes japonés 3B Junior sufrió de embolia gaseosa , 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. ^{[183] [184]} El personal de TV Asahi celebró una conferencia de prensa de emergencia para comunicar que la miembro había sido llevada al hospital y muestra signos de rehabilitación como ojos y extremidades en movimiento, pero su conciencia aún no se ha recuperado lo suficiente. La policía ha iniciado una investigación debido a la negligencia de las medidas de seguridad. ^{[185] [186]}

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 provocar explosiones si no se instalan dispositivos de alivio de presión. Los contenedores de helio gaseoso de 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 . ^[89]

A altas presiones (más de aproximadamente 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. ^{[187] [156]}