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Carlos del Porto Blanco

El helio, uno de los elementos más fascinantes y útiles de la tabla periódica, tiene una historia de descubrimiento ligada a la astronomía y a la química experimental. Ese elemento químico dedicaré la columna hoy.

La química comienza en las estrellas. Las estrellas son la fuente de los elementos químicos, que son los componentes básicos de la materia. Peter Atkins.

El helio (del griego: ????? [h?lios] ‘Sol’, por haberse inferido en 1868 su existencia en la atmósfera solar) es el elemento químico de número atómico 2, símbolo He y peso atómico estándar de 4.002602. Pertenece al grupo 18 de la tabla periódica de los elementos, ya que al tener el nivel de energía completo presenta las propiedades de un gas noble. Es decir, en general es inerte (no reacciona), aunque hay excepciones, y al igual que éstos, es un gas monoatómico incoloro e inodoro que cuenta con el menor punto de ebullición de todos los elementos químicos (-268.93 grados Celsius) y solo puede ser licuado bajo presiones muy grandes y no puede ser congelado a presión atmosférica.

El helio es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante en el universo observable, constituyendo el 24 % de la masa de los elementos presentes en nuestra galaxia. Esa abundancia se encuentra en proporciones similares en el Sol y en Júpiter. Por masa se encuentra en una proporción doce veces mayor a la de todos los elementos más pesados juntos. La presencia tan frecuente de helio se debe a elevada energía de enlace del núcleo de helio-4 con respecto a los tres elementos que le siguen en la tabla periódica (litio, berilio y boro). Esa energía da como resultado la producción frecuente de helio tanto en la fusión nuclear como en la desintegración radioactiva.

La mayor parte del helio en el universo se encuentra presente en la forma del isótopo helio-4 (4He), el cual se cree que se formó unos 15 minutos después del Big Bang. Gracias a la fusión de hidrógeno en las estrellas activas, se crea una pequeña cantidad de helio nuevo, excepto en las de mayor masa, debido a que durante las etapas finales de su vida, estas estrella al no tener hidrógeno, generan su energía convirtiendo el helio en elementos más pesados. En la atmósfera de la Tierra se encuentran trazas de helio debido a la desintegración radioactiva de algunos elementos. En algunos depósitos naturales se encuentra en cantidad suficiente para la explotación. Hace poco se descubrió un yacimiento prometedor en Tanzania.

En la Tierra, la ligereza de helio provocó su evaporación de la nube de gas y polvo a partir de la cual se formó el planeta, por lo que es relativamente poco frecuente —con una fracción de 0.00052 por volumen— en la atmósfera terrestre. El helio presente en la Tierra hoy en día ha sido creado en su mayor parte por la desintegración radiactiva natural de los elementos radioactivos pesados (torio y uranio), esto se debe a que las partículas alfa emitidas en dichos procesos son núcleos de helio-4. Ese helio radiogénico es atrapado junto con el gas natural en concentraciones de hasta el 7 % por volumen, del que se extrae comercialmente por un proceso de separación a baja temperatura llamado destilación fraccionada. A diferencia de otros gases como el oxígeno o el nitrógeno, el helio no se forma en la atmósfera terrestre de manera significativa.

De la historia del helio.

La primera evidencia de la existencia del helio se observó el 18 de agosto de 1868 como una línea brillante de color amarillo con una longitud de 587.49 nanómetros en el espectro de la cromosfera del Sol. La línea fue detectada por el astrónomo francés Pierre Janssen durante un eclipse solar total en Guntur, India. En un principio se pensó que esa línea era producida por el sodio. El 20 de octubre del mismo año, el astrónomo inglés Joseph Norman Lockyer observó una línea amarilla en el espectro solar, a la cual nombró como la línea de Fraunhofer D3 porque estaba cerca de las líneas de sodio D1 y D2 ya conocidas. Lockyer llegó a la conclusión de que dicha línea era causada por un elemento existente en el Sol pero desconocido en la Tierra. Eduard Frankland confirmó los resultados de Janssen y propuso el nombre helium para el nuevo elemento, en honor al dios griego del sol (?????, Helios), con el sufijo -ium ya que se esperaba que el nuevo elemento fuera metálico.

En 1882, el físico italiano Luigi Palmieri detectó helio en la Tierra por primera vez, a través de su línea espectral D3, cuando analizó la lava del monte Vesubio. El 26 de marzo de 1895 Sir William Ramsay aisló el helio al tratar la cleveíta (una variedad de la uranita que contiene por lo menos un 10 % de tierras raras) con ácidos minerales. Ramsey en realidad buscaba argón, pero después de separar el nitrógeno y el oxígeno del gas liberado por el ácido sulfúrico, notó una brillante línea amarilla que coincidía con la línea D3 observada en el espectro solar. Las muestras fueron identificadas como helio por Lockyer y el físico británico William Crookes. Además, fue aislado de la cleveíta el mismo año independientemente por los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet en Upsala (Suecia), quienes pudieron obtener suficiente cantidad del gas para determinar acertadamente su peso atómico. El helio también fue aislado por el geoquímico estadounidense William Francis Hillebrand, aunque este atribuyó las líneas al nitrógeno.

En 1907 Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que las partículas alfa son núcleos de helio, al permitir a las partículas penetrar una delgada pared de un tubo de vidrio al vacío y después creando una descarga eléctrica dentro del mismo para estudiar el espectro del gas. En 1908 el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes produjo helio líquido por primera vez enfriando el gas hasta 0.9 grados Kelvin, lo que le hizo merecedor del premio Nobel. Él trató asimismo de solidificar el helio reduciendo su temperatura, aunque no lo logró debido a que ese elemento carece de un punto triple, temperatura a la cual las fases sólida, líquida y gaseosa existen en equilibrio. En 1926 su discípulo Willem Hendrik Keesom logró por vez primera solidificar un centímetro cúbico de helio.

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. Ese fenómeno está relacionado con la condensación de Bose-Einstein. En 1972, el mismo fenómeno se observó en el helio-3, pero a temperaturas mucho más cerca del cero absoluto, por los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee y Robert C. Richardson. Se cree que en el helio-3 el fenómeno está relacionado con la creación de pares de fermiones de este isótopo, de tal manera que se forman bosones, en analogía a los pares de Cooper que producen la superconductividad.

Usos y aplicaciones

El 90% del helio líquido se usa en criogenia, especialmente para enfriar imanes superconductores en resonancias magnéticas (MRI). Sin él, esos equipos médicos no funcionarían. También es esencial en la investigación científica: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra, Suiza, lo usa para mantener sus imanes con temperaturas cercanas al cero absoluto (-271 grados Celsius).

  • Medicina: Es vital para enfriar los imanes superconductores de los equipos de resonancia magnética.
  • Investigación científica: Se utiliza en criogenia y aceleradores de partículas.
  • Industria: Sirve como gas protector en soldadura y en la fabricación de semiconductores.
  • Exploración submarina: Se mezcla con oxígeno para evitar la narcosis por nitrógeno en inmersiones profundas.
  • Aeronáutica: Llena globos meteorológicos y dirigibles, ya que es más seguro que el hidrógeno. También en la limpieza de motores de cohetes o el mantenimiento de algunas partes de satélites.

Anécdotas y curiosidades

  • La clave de porque los globos que contiene helio flotan es que su densidad es siete veces menor que la del aire.
  • El helio líquido puede fluir hacia arriba en un recipiente debido a su superfluidez, un fenómeno cuántico descubierto en 1937.
  • Los códigos de barra de los productos de las tiendas se componen de helio y neón.
  • En las inmersiones en aguas profundas en la práctica de buceo, las mezclas que se utilizan llevan un alto porcentaje de helio
  • El helio fue esencial en la carrera de los dirigibles del siglo XX. Tras el desastre del Hindenburg en 1937, se abandonó el hidrógeno inflamable en favor del helio, a pesar de su menor poder ascensional.
  • La voz de Pato Donald: Inhalar helio distorsiona la voz porque es menos denso que el aire y las ondas sonoras viajan más rápido. ¡Pero ojo! Hacerlo en exceso es peligroso, pues desplaza el oxígeno.
  • El helio-3: Un isótopo raro (He-3) podría ser clave para la fusión nuclear limpia. La Luna lo acumula en su suelo por el viento solar, lo que ha desatado interés en la minería lunar.
  • En la década de 1920, Estados Unidos controlaba la mayor parte de las reservas mundiales de helio, lo que le dio una ventaja estratégica en la industria aeronáutica y militar.
  • En 1903, en Dexter, Kansas, unos perforadores de pozos de gas natural notaron que uno de los pozos no ardía cuando intentaron encenderlo. Eso llevó a un análisis que reveló altas concentraciones de helio, marcando el primer hallazgo comercial del gas en el mundo.
  • El helio es tan ligero que, si se libera en la atmósfera, escapa al espacio, lo que hace que sea un recurso no renovable en la Tierra. Aunque se encuentra en yacimientos de gas natural, su recuperación es costosa. Eso ha llevado a un llamado a su uso responsable y al desarrollo de técnicas más eficientes de reciclaje.
  • Durante el siglo XX, Estados Unidos acumuló enormes reservas de helio en cavernas subterráneas en Amarillo, Texas, Éstas llegaron a ser las más grandes del mundo durante la Guerra Fría y eran usadas en programas espaciales y de defensa. En 1996, el gobierno decidió privatizar esas reservas provocando una caída de precios, despilfarro y una escasez global entre 2006 y 2012, afectando hospitales, laboratorios y fabricantes de chips. Hoy, con la escasez global (el precio se multiplicó por 10 en 20 años), se buscan alternativas, como reciclarlo en hospitales o extraerlo de yacimientos de gas en Qatar y Rusia.

El helio es mucho más que un complemento festivo. Es un recurso estratégico para la ciencia, la medicina y la tecnología del futuro. Dado que no se renueva fácilmente en la Tierra y se escapa al espacio si no se captura adecuadamente, su gestión responsable es crucial. Mientras la humanidad sigue explorando el cosmos y avanzando en campos como la física cuántica o la exploración espacial, el humilde helio seguirá siendo un aliado silencioso, pero indispensable

Referencias

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