Heliu

Heliul este elementul chimic cu numărul atomic 2 și este reprezentat prin simbolul He. Este un gaz monoatomic inert, incolor, inodor, insipid, ce este primul în grupa sa în tabelul periodic al elementelor. Are cel mai scăzut punct de fierbere și cel mai scăzut punct de topire dintre elementele chimice și se prezintă doar în stare gazoasă, în afara unor condiții extreme.

    Scurtă introducere

O linie spectrală neobișnuită a fost observată în lumina solară prima oară într-o eclipsă solară din anul 1868 de către astronomul francez Pierre Janssen.

Janssen este recunoscut pentru descoperirea elementului împreună cu Norman Lockyer, care a observat aceeași eclipsă și a fost primul să propună că linia era din cauza unui nou element, necunoscut până atunci, pe care el l-a numit Heliu. În 1903, mari reyerve de heliu au fost găsite în rezervele de gaz natural din Statele Unite ale Americii, care este pe departe cel mai mare provizor de gaze. Heliul este ultilizat în criogenie, în dispoyitive de resiprat sub apă, pentru răcirea magneților, în datarea heliului, pentru baloanele și zepelinele cu heliu, pentru a înălța aeroplanele și navele spațiale și ca un gaz protector pentru mai multe întrebuințări industriale (ca și [[sudarea arcelor]). Inhalând un volum mic de heliu, timbrul vocal uman se subțiază. Comportamentul Heliului-4 lichid este important pentru oamenii de știință care studiază mecanica cuantică (în particular fenomenul de [[superfluiditatea]) și pentru cei care studiază efectele pe care le are materia aproape de punctul zero absolut (ca și superconductibilitatea).

Heliul este al doilea element usor si al doilea cel mai abundent element chimic in universul observabil, fiind prezent in univers in cantitati de 12 ori mai mult decat al celorlalte elemente mai grele ca heliul combinate. Abundenta heliului este de asemenea similara cu cea a Soarelui si a lui Jupiter.

   Istorie

 Descoperiri stiintifice

Heliul a fost observat pentru prima data la data de 18 august 1868 sub forma unei linii de un galben intens cu o lungime de unda de 587.49 nanometri in spectrul cromosferei Soarelui. Linia a fost detectata de astronomul francez Pierre Janssen in timpul unei eclipse totale de Soare in Guntur, India. Initial, linia era crezuta a fi provocata de existenta sodiului. Pe 20 octombrie 1868, astronomul englez Norman Lockyer a observat o linie galbena in spectrul solar, numind-o linia Fraunhofer D₃, deoarece era destul de apropiata de liniile cunoscute D₁ si D₂ ale sodiului.  A concluzionat ca era cauzata de un element existent in Soare, si necunoscut pe Pamant. Lockyer si chimistul englez Edward Frankland au denumit elementul prin termenul grecesc pentru Soare, ἥλιος (helios)."

La data de 26 martie 1895, chimistul britanic Sir William Ramsay a izolat heliul prin tratarea unui mineral numit cleveit (o varietate a uraninitului ce contine cel putin 10% din pamanturile rare) cu acizi minerali. Ramsay dorea sa obtina argonul, insa dupa ce separase oxigenul si azotul din gazul eliberat de acidul sulfuric, a observat o fasie intensa de Culoare galbena ce se potriva cu fasia de D₃ observata in spectrul solar. Aceste mostre au fost identificate ca fiind heliu de catre Lockyer si fizicianul britanic William Crookes. A fost izolat independent din cleveit in acelasi an de catre chimistii Per Teodor Cleve si Abraham Langlet in Uppsala, Sweden, care au colectat destul gaz, suficient cat sa poata determina cu acuratete masa atomica a acestuia. Heliul a fost de asemenea izolat de catre geochimistul american William Francis Hillebrand inaintea descoperirii lui Ramsay, cand acesta observase niste linii spectrale neobisnuite in timp ce studiase o mostra din uraninit. Totusi, Hillebrand a atribuit aceste linii azotului. Scrisoarea sa de multumire adresata lui Ramsay a oferit un caz interesant de descoperire in stiinta.

În 1907, Ernest Rutherford și Thomas Royds au demonstrat că particulele alfa sunt nuclei de heliu prin penetrarea unui perete subțire de sticlă al unui tub evacuat, apoi creând o descărcare în tub pentru a studia spectrul noului gaz din interiorul acestuia. În 1908, heliul a fost lichefiat pentru prima dată de către fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes prin răcirea gazului la o temperatură mai mică decât un kelvin. A încercat să îl solidifice prin continuarea reducerii temperaturii, însa a eșuat deoarece helil nu are un punct triplu al temperaturii la care este starea de agregare solidă, lichidă si de gaz sunt la echilibru. Studentul lui Onnes, Willem Hendrik Keesom, a reușit în cele din urmă să solidifice 1cm de heliu în 1926.

În 1938, fizicianul rus Pyotr Leonidovich Kapitsa a descoperit că heliu-4(42He sau 4He, izotop usor si non-radioactiv al heliului) nu este vâscos la temperaturi absolute, fenomen numit superfluiditate. Acest fenomen este corelat cu condensarea Bose-Eistein. În 1972, același fenomen a fost observat la heliu-3, însa la temperaturi aproape de zero absolut, de către fizicienii americani Douglas D. Osheroff, David M. Lee si Robert C. Richardson. Se crede că fenomenul este legat de împerecherea unui fermion al heliului-3 pentru obținerea bozonilor, în analogie cu perechile Cooper de electroni pentru producerea superconductivității.

 Extragere si utilizare

După ce o operațiune de forare pentru depistarea petrolului din anul 1903 Dexter, Kansas produce un geizer gazos care nu ardea, geologul local Erasmus Hawortha a colectat mostre din gazul emanat si le-a adus la Universitatea din Kansas la Lawrence unde, cu ajutorul chimiștilor Hamilton Cady și David McFarland, a descoperit că gazul era constituit din 72% azot, 15% metan (un procent combustibil doar cu suficient oxigen), 1% hidrogen și 12% de gaz neidentificat.Printr-o analiza indelungata, Cady si McFarland au descoperit ca 1.84% din mostra gazoasa era heliu. Acest lucru a indicat faptul ca, in ciuda faptului ca este un element rar intalnit pe Pamant, heliul era intalnit in concentratii mari sub Marile Campii Americane, care erau viabile pentru extractie ca bioprodus al gazului natural. Cele mai mari rezerve se aflau în Hugoton, în apropierea terenurilor bogate în gaz metan din sud-estul statului Kansas și în fâșiile de pământ din Texas și Oklahoma.

Aceste resurse au transformat Statele Unite in cel mai mare distribuitor mondial de heliu. Urmand indrumarea lui Sir Richard Threlfall, marina militară americană a sponzorizat trei masinarii mici de producere a acestui gaz in timpul Primului Razboi Mondial. Scopul acestui experiment era crearea unui combustibil neinflamabil si mai usor decat aerul pentru a alimenta baloanele de baraj. Pe parcursul acestui program a fost obtinuta o cantitate de 5,700 m de heliu (puritate 92%) față de 100 litri produsi anterior. O cantitate din acest gaz a fost utilizat la prima aeronavă cu combustibil din heliu (C-7, fabricată de US Navy), care a avut primul zbor intre Hampton Roads, Virginia si Bolling Field in Washington, D.C. pe 1 decembrie 1921.

Chiar dacă procesul de extractie bazat pe lichefierea gazului la temperaturi joase nu a fost dezvoltat la timp pentru a fi folosit in Primul Razboi Mondial, producerea acestuia a continuat. Heliul a fost utilizat initial pe post de combustibil mai usor decat aerul, această intrebuintare cunoscand o dezvoltare importantă in timpul Celui De-al Doilea Razboi Mondial la sudarea in arc electric. Spectrometrul de masă cu heliu a fost o parte importantă in proiectarea bombei atomice din Proiectul Manhattan.

Guvernul Statelor Unite a infiintat rezerva nationala de heliu in 1925 in orasui Amarillo din statul Texas, avand ca scop aprovizionarea aeronavelor militar in timpul razboielor si aeronavelor comerciale pe timp de pace. Din cauza embargoului militar american impotriva Germaniei, rezerva de heliu a fost diminuata, astfel Hindenburg a folosit hidrogenul pe post de combustibil. Utilizarile heliului au inregistrat o scadere după Al doilea razboi mondial, insa a fost extinsa in anii 1950 pentru a asigura o cantitate de heliu lichid ce a fost folosit ca agent de racire pentru a crea combustibil de rachetă pe bază de amestec de oxigen si hidrogen in timpul Razboiului Rece si al cursei spatiale. În 1965, folosirea gazului in Statele Unite era de opt ori mai mare decat in timpul celui de-al doilea razboi mondial.

După emiterea „Amendamentelor legate de heliu in 1960” (legea publică 86–777), Biroul minelor al Statelor Unite a pregatit cinci masinarii private pentru a recupera heliul din gazul natural. Pentru acest program, Biroul a construit 684 km de conducte din Bushton, Kansas pentru a le conecta cu rezervele de gaz din Cliffside, teren aflat langa Amarillo, Texas. Acest amestec de heliu si azot a fost injectat in pamant si apoi purificat.

După 1995, a fost colectată o cantitate de un bilion de metrii cubi, rezerva de gaz avand datorii de 1,4 bilioane de dolari americani. Astfel Congresul Statelor Unite a hotarat un an mai tarziu oprirea succesivă a acesteia. „Actul de privatizare a heliului din 1996” prevedea golirea rezervei pana in 2005.

Heliul produs între 1930 si 1945 avea o puritate de aproximativ 98,3% (2% fiind azot), cantitate adecvată pentru aeronave. În 1945, o cantitate mică era utilizată pentru sudare. Din 1949 au inceput sa fie disponibile cantitati de heliu de puritate 99.9%.

Statele Unite a fost țara ce producea circa 90% din cantiatea de heliu folosită la nivel mondial, în timp ce extracțiile din Canada, Polonia, Rusia și a altor națiuni erau infime. La mijlocul anilor 1990, o nouă exploatare s-a realizat la Arzew, Algeria, unde se produceau 17 milioane metrii cubi, cantitate necesară pentru a acoperi nevoile tuturor țărilor europene. Între timp, în anii 2000, consumul de gaz de pe teritoriul Statelor Unite s-a ridicat la peste 15 000 de tone. In 2004–2006, alte doua exploatari, in Ras Laffen, Qatar si in Skikda, Algeria au fost construite, însa până în 2007 cea de la Ras Laffen funcționa la capacitate de 50%, iar cealaltă încă nu a fost inaugurată. Astfel, Algeria a devenit într-un timp scurt al doilea producător mondial de heliu. In aceasta perioada, pretul de consum si de producere al gazului a crescut. Intre 2002 si 2007 acesta s-a dublat, iar in timpul anului 2008 producatorii au marit pretul cu 50%.

 Caracteristici

 Atomul de heliu

Heliul în mecanica cuantică

Heliul are în alcătuirea sa 2 electroni care orbitează în jurul unui nucleu ce conține doi protoni și între doi și 10 neutroni (în funcție de izotop). Mecanica clasică nu poate descrie structura atomului de heliu deoarece nu se poate scrie o ecuație pentru două particule utilizând regulile acesteia. Însă există metode în mecanica cuantică ce explică compoziția sa, valorile determinate astfel având o eroare mai mică de 2% fațăa de cele obținute experimental. În aceste modele, electronii sunt ecranați, astfel că sarcina nucleară efectivă a fiecareia este de 1,69 unități față de 2 unități, valoare ce reprezintă sarcina nucleară efectivă a nucleului de heliu fără a se fi luat în considerare cei doi electroni.

Stabilitatea relativă a nucleului și învelișului de electroni ale He-4

Nucleu atomului de heliu-4, care este identic cu o particulă alfa, prezintă un interes deosebit deoarece sarcina sa scade exponențial de la un maxim în punctul central, exact la fel ca densitatea sarcinii propriului nor de electroni al heliului. Motivul acestei simetrii este simplu: perechea de neutroni și perechea de electroni din nucleu se supun exact acelorași reguli de mecanică cuantică ca și perechea de electroni ai heliului (deși particulele nucleare se supun unor potențiale de legătură diferite), astfel că toți acești fermioni ocupă complet stratul 1s în perechi nici unul neavând un moment orbital angular, fiecare anulându-și reciproc spin-ul intrinsec. Această aranjare este extrem de stabilă energetic pentru toate particulele, și această stabilitate explică multe caracteristici cruciale ale heliului în natură.

De exemplu, stabilitatea și energia joasă a norului elecronic al heliului explică faptul că este cel mai inert element chimic, și de asemenea lipsa de interacțiune a atomilor de heliu între ei, fapt care determină punctul cel mai scăzut de topire, respectiv de fierbere, dintre toate elementele chimice cunoscute.

Într-un mod similar, stabilitatea energetică particulară a nucleului de heliului-4, produs de efecte similare, se ia în calcul pentru producerea mai ușoară a heliului-4 în reacțiile atomice incluzând atât elemente cu emisii de particule grele, și fuziunea. Stabilitatea of heliului-4 este motivul pentru care hidrogenul este convertit în heliu-4 (exceptând deuteriul sau heliul-3 sau elemente chimice mai grele) în Soare. Este deasemenea responsabil pentru faptul că particulele alfa sunt pe departe cel mai comun tip de particule barionice care sunt eliminate din nucleii atomici, deci descompunerea particulelor alfa este mult mai comună decât descompunerea oricăror altor particule.

Stabilitatea neobișnuită a nucleului de heliului-4 este deasemenea importantă în cosmologie — aceasta explică faptul că în primele minute de după Big Bang, când grămada de protoni și neutroni care au fost creați în raport de 6:1, când s-a răcit atmosfera până în punctul în care legăturile nucleare au fost posibile, primii nuclei care au fost creați au fost cei de heliu-4. Legătura de heliu-4 de fapt, încât a consumat toți neutronii liberi înainte ca ei să se dezintegreze în particule beta , lăsând foarte puțini care să mai creeze litiu, beriliu, sau bor. Legătura nucleară a heliului-4 este mai puternică decât a altor elemente (vezi nucleogeneza și energia de legătură) și astfel nici o descărcare energetică nu era disponibilă, când heliul s-a format, a format și elementele 3, 4 și 5.

 Fazele de gaz si plasma

 Starea II a heliului

Heliul lichid la temperaturi sub punctul lui lambda point începe să se conpoarte foarte ciudat și ajunge într-o stare numită starea a 2-a a heliului. Fierberea Heliului în starea a 2-a nu este posibilă din cauza conductibilității ei termale foarte mare; orice încercare de încălzire va duce doar la evaporarea lichidului direct în gaz. Izotopul de Heliu-3 are deasemenea o stare superfluidă, dar numai la temperaturi mult mai mici; ca un rezultat, se cunoaște puțin despre aceste proprietăți ale izotopului de Heliu-3.

Compuși

Heliul are valenta zero si este inert chimic in conditii normale. Este un izolator electric, conducand curecntul electric doar daca este ionizat. Ca si celellalte gaze nobil, heliul are nivelele energetice foarte stabile (datorita straturilor complet ocupate cu electroni), acest lucru permitand ca gazul sa ramana ionizat la tensiune electrica mai mica decat potentialul sau de ionizare. Heliul poate forma compusi chimici instabili prin descarcari electrice sau bombardare cu electroni cu wolframul, iodul, fluorul, sulful si fosforul. Substantele sintetizate pana acum sunt HeNe, HgHe₁₀, WHe₂, He₂, He₂, HeH si HeD. Prin aceasta tehnica a fost obtinuta si molecula neutra de He₂, ce are un numar mari de benzi spectrale, cei doi atomi fiind uniti prin intermediul unei legaturi trielectronice bicentrice si HgHe, care este stabilizata prin forte de polarizare. Prin electroscopie s-au putut studia heliurile PbHe₂, PtHe si PdHe. Teoretic mai pot exista si alti compusi ai heliului, cum ar fi fluorhidrura de heliu (HHeF) ce reprezinta analogul fluorhidrurii de argon (HArF), descoperita in 2000. In urma calculelor s-a constatat ca mai pot exista doi compusi ce contin legaturi heliu-oxigen ce ar putea fi stabili. Aceste doua noi specii, CsFHeO si N(CH₃)₄FHeO, sunt derivati din anionul foarte stabil [F– HeO] teoretizat pentru prima oara in Taivan in 2005. Daca un asemenea compus va fi confirmat si experimental, dat fiind faptului ca heliul este cel mai nobil element, singurul gaz rar ce ar putea forma asemenea specii chimice ar fi neonul.

Heliul poate fi înglobat în structura de tip cușcă a unei rețele fulerenice prin încălzire la presiuni înalte. Structura de fulerenă endohedrală ce se formează este stabilă la temperaturi înalte. La formarea compușilor chimici ai fulerenei endohedrale, heliul rămâne înglobat în structura compusului. În cazul folosirii izotopului He, procesul de captare, se poate observa imediat prin spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară a heliului. Multe fulerene continand heliu-3 au fost descoperite. Chiar daca atomii de heliu nu sunt uniti prin legaturi ionice sau covalente, aceste substante au proprietati si compozitie bine definite, fiind compusi chimici stoichiometrici.

 Raspandire in natura si productie

 Aspecte de securitate

Heliul neutru in conditii standard nu este toxic, nu provoaca afectiuni biologice si se pot gasi urme de acest gaz in sange. Daca se inhaleaza o cantitate mare de heliu astfel incat sa dislocuiasca oxigenul necesar respirarii, el poate provoca asfixierea. Conditiile de siguranta pentru heliul criogenic sunt similare celor pentru heliul lichid; temperatura sa foarte scazuta poate provoca arsuri la rece si din cauza raportul de expansiune gaz-lichid se pot provoca incendii daca nu sunt instalante depresurizatoare. Recipientele cu heliu gazos la temperaturi intre 5 si 10 kelvini trebuiesc manipulate intocmai ca cele ce contin heliu lichid din cauza expansiunii termice rapide si semnificative care se produce la mai putin de 10 K, cand heliul gazos este incalzit la temperatura camerei.

 Efecte biologice

Vocea umana nu este asemanatoare cu un instrument cu coarde, unde un corp ce vibreaza stabileste complet inaltimea unui sunet. La om, mai degraba, faldurile vocale actioneaza ca o sursa de vibratie politonica, asemeni reed(s) intalnite la instrumentele muzicale din lemn. Petru a produce sunete, corzile vocale umane vibrează în aerul pe care îl expirăm din plămâni, viteza acestui proces determinând tonalitatea vocii (cu cât ele vibrează mai repede, cu atât tonalitatea este mai înaltă). Deoarece densitatea heliului este mai mică decât cea a mediului ambiant, corzile vocale vibrează mai rapid și astfel se schimbă tonalitatea, devenind mai înaltă. Efectul invers, cel în care se obțin frecvențe mai joase, poate fi obținut prin inhalarea kriptonului. Inspirarea heliului in exces poate fi daunatoare, producand asfixierea prin inlocuirea oxigenului necesar respirarii. Inhalarea heliului pur in mod continuu duce la moarte in cateva minute. Respirarea lui direct din cilindrii presurizati este extrem de periculoasa, cauzand barotraumatisme, astfel rupand tesutul plamanilor. Totusi, decesele cauzate de heliu sunt rare, intre 2000 si 2004 inregistrandu-se doua cazuri in Statele Unite.

La presiuni ridicate (mai mult de 2 MPa), un amestec de oxigen si heliu (Heliox) poate provoca Sindromul Nervos al Înaltelor Presiuni, afectiune ce poate fi ameliorata prin adaugarea unei mici cantitati de azot.