El Tamiz

Continuamos hoy con la segunda entrega de la serie Conoce tus elementos, que se inició con el hidrógeno. Como recuerdas, los átomos de ese elemento tenían un protón (y un electrón si no estaban ionizados); hoy seguimos con el elemento que tiene dos protones: el helio.

Por cierto, esta es una entrada importante en la serie, porque vamos a hablar de conceptos (como las capas electrónicas) que serán muy útiles para entender posteriores artículos. De modo que, aunque tardemos en hablar del helio, es esencial que lo hagamos antes de cosas más abstractas.

El helio es el segundo elemento más común del Universo (ya dijimos que el hidrógeno era el primero), pero paradójicamente no fue descubierto hasta muy tarde, debido a que no es demasiado fácil de encontrar en la Tierra (si no sabes dónde buscar), y a que, como veremos, no reacciona con nada y escapa de la atmósfera muy rápido.

Antes de hablar de cómo fue descubierto este elemento, tenemos que dar un recordatorio rápido y simple de lo que es la espectroscopía, pues fue con ella que se identificó al helio. Básicamente, cuando se proporciona energía a los átomos de un elemento, ya sea mediante calor, electricidad u otro método, los electrones del átomo se excitan, es decir, saltan a niveles energéticos mayores que los normales. Al cabo del tiempo vuelven a caer a donde “deberían estar”, y liberan en forma de radiación electromagnética la energía que habían absorbido - es decir, brillan. Puesto que cada elemento tiene un número y una configuración de electrones determinada, cada elemento emite radiación de longitudes de onda muy específicas.

La espectroscopía es el análisis de esa radiación, para identificar un elemento. Supongamos que alguien me da un trozo de metal que puede ser sodio o potasio. Puedo calentarlo hasta que esté incandescente, medir las longitudes de onda de la radiación que emite, mirar una tabla y comprobar si es sodio o potasio. Y lo que es más importante: puedo llegar a esa conclusión sin necesidad de tocarlo ni estar cerca de él, si está caliente y brilla. De hecho, puedo hacerlo aunque esté a cien mil años-luz de mí, mientras que pueda verlo brillar (así es como identificamos de qué están hechas las estrellas, por ejemplo).

Bien, en el siglo XIX la espectroscopía proporcionó horas y horas de diversión a los científicos, que se dedicaron a analizar las longitudes de onda de todo lo que caía en sus manos. Uno de los primeros lugares brillantes a los que mirar, por supuesto, fue el Sol: y nuestra estrella da para mucho, porque tiene muchos elementos en su interior. Desde luego, hay mucho más de unos que de otros, pero pueden verse líneas espectrales de oxígeno, hidrógeno, carbono, sodio…

En 1868, los astrónomos ya habían confirmado la presencia de muchísimos elementos conocidos en la luz del Sol. Pero había una línea que no encajaba con ninguna conocida - Pierre Janssen, el primero en verla, pensó que tal vez era del sodio (por ser parecida a las de este metal). Pero el inglés Norman Lockyer se dio cuenta de lo que estaba pasando: se trataba de un elemento desconocido en la Tierra. ¡Acababan de descubrir un elemento nuevo sin siquiera tocarlo! Junto con el químico Edward Frankland, dieron al nuevo elemento el nombre del dios griego del Sol, Helios, en la forma de “helio”.

Espectro del Sol. Sí, las líneas del helio están ahí. Crédito: NOAO/AURA/NSF

El helio tiene dos protones y, por lo tanto, dos electrones (salvo que se ionice). Como ya dijimos, el número de neutrones no es demasiado importante, pero el isótopo más común tiene dos neutrones. De modo que el helio es bastante más pesado que nuestro anterior elemento, el hidrógeno (unas cuatro veces más). Pero las diferencias entre ellos van mucho más allá.

Como hemos mencionado en la serie Esas maravillosas partículas, el electrón es un fermión: no puede haber dos con el mismo conjunto de números cuánticos, es decir, en el mismo estado. Esto hace que, cuando los electrones se acercan a los protones y neutrones para formar átomos, aunque los protones los atraen, no se “apelotonen” todos junto al núcleo. Forman una serie de capas, como las de una cebolla. Las más cercanas al núcleo tienen menos energía, y las más externas tienen más energía.

Dicho de otra manera: el átomo es una especie de cuenco, con el núcleo en el centro, y los electrones son canicas dentro del cuenco. Si empiezo a tirar canicas dentro, no pueden estar todas en el fondo; las primeras van al fondo y ocupan un espacio, las siguientes están alrededor de esas y tienen un poco más de energía (están más elevadas), etc.

Pero hay una diferencia importante: la variación de energía en los electrones no es continua como en un cuenco de paredes suaves - tiene “escalones”. Cada capa concéntrica con el núcleo puede albergar un número de electrones que tienen (más o menos) la misma energía, la siguiente capa tiene un poco más, la siguiente más, etc. Puedes imaginarlo como un cuenco en forma de circo romano, con cada fila de asientos más elevada que la anterior.

La primera capa (la más cercana al núcleo) puede albergar dos electrones. La segunda puede albergar ocho electrones - por ahora, dejémoslo aquí. Y lo importante es, la estructura del átomo es estable cuando todas sus capas están completas. Sé que esto va a doler a más de un químico, pero puedes pensarlo así: un átomo es como una cebolla, y según se añaden electrones se van formando capas alrededor del centro. El átomo es estable cuando la cebolla tiene capas cerradas, completas y perfectas.

Como los electrones (igual que las canicas) caen al nivel de energía más bajo disponible, salvo que pase algo raro, todas las capas estarán repletas excepto la última, que puede no estarlo. Por ejemplo, supón que un átomo tiene cuatro electrones: los dos primeros están en la primera capa (que puede tener dos, de modo que está llena), y los otros dos están en la segunda capa (que puede tener ocho). Este átomo sería una cebolla con una capa completa y la siguiente incompleta… un átomo energéticamente inestable.

Piensa en el hidrógeno: tiene un solo electrón, de modo que tiene la primera capa únicamente, y ni siquiera ésa está completa…cabría otro electrón más. El hidrógeno atómico no es estable, y en cuanto tiene posibilidad de asociarse con otros átomos, lo hace, de modo que cierre la capa y sea estable. Por eso el hidrógeno reacciona tan fácilmente con otros elementos (piensa en lo bien que arde, por ejemplo).

Pero ¿y el helio? Tiene dos electrones…la capa está completa. El helio es como una mini-cebolla con una sola capa perfecta y cerrada. O como un circo romano con dos espectadores en la primera fila. El helio es energéticamente estable, no le hace falta reaccionar con ningún otro átomo para alcanzar la estabilidad que ya posee. Por eso, el helio no reacciona con nadie (salvo condiciones muy extremas), como un noble altanero que no se junta con la plebe - es un gas noble.

Como sigue siendo un gas muy ligero, como el hidrógeno, escapa rápidamente de la atmósfera. Y como no reacciona con otros elementos, no lo encontramos en otros compuestos (como era el caso del hidrógeno). De ahí que tardáramos tanto en darnos cuenta de que existe, a pesar de que 1 de cada 4 kilos de materia conocida en el Universo es helio.

El helio tiene otras propiedades interesantes: al tener átomos muy ligeros, conduce muy bien el calor (para ser un gas), lo mismo que el sonido (que va tres veces más rápido en helio que en el aire). Es transparente, insípido e inodoro - no voy a poner una imagen, porque no verías nada. Como no reacciona con nada, no es combustible, ni tóxico, ni nada de nada…aunque sí tiene cierto peligro, del que hablaremos luego.

Es posible ver helio líquido, pero hace falta una temperatura muy baja (a presión atmosférica): unos 269 grados bajo cero, sólo 4 por encima del cero absoluto de temperatura. De hecho, es posible incluso ver helio sólido, pero para eso no sólo hace falta mucho frío (272 bajo cero) sino también una presión enorme (unas 25 veces la atmosférica). Sí, lees bien: si cogieras helio y consigueras enfriarlo, a presión atmosférica, hasta llegar a 0K, seguiría siendo un líquido. Por cierto, el helio sólido, a pesar de serlo, es muy ligero: un trozo de helio sólido flotando en el agua tendría casi un 80% de su volumen fuera del agua. Por supuesto, estaría a 1K, de modo que al ponerlo en contacto con agua líquida la diversión no habría hecho más que empezar.

¿De dónde sacamos entonces el helio que utilizamos en la Tierra? Bien, resulta que, además de su fuente principal en el Universo (la fusión nuclear del hidrógeno en las estrellas), también se producen núcleos de helio (partículas alfa) en la desintegración radiactiva espontánea de elementos como el uranio o el torio. De modo que, en la Tierra, sí se produce helio. Por supuesto, si escapa a la atmósfera, su densidad es tan pequeña que la gravedad terrestre no logra retenerlo, pero una cantidad aceptable queda retenida bajo tierra, generalmente en depósitos en los que también hay gas natural.

De hecho, cuando se extrae gas natural, suele haber helio mezclado con él - hasta un 7% en algunos sitios. De ahí se obtiene, mediante una destilación selectiva. Por supuesto, una vez separado hay que guardarlo con cuidado para que no escape de la atmósfera.

El helio se utiliza fundamentalmente por su baja densidad y por ser tan inerte: es un gas muy seguro de utilizar en globos, zeppelines, etc. Sin embargo, también se emplea, por ejemplo, como refrigerante: al mantenerse líquido a temperaturas tan bajas como 2K, y conducir tan bien el calor, es un refrigerante óptimo cuando se quiere mantener algo muy, muy frío. Por ejemplo, como ya mencionamos aquí hace un tiempo, los imanes superconductores del LHC se mantienen fríos utilizando helio líquido.

Es muy conocido el truco de inhalar helio y hablar: la voz sale muy aguda. La razón es la elevada velocidad del sonido en el helio; al llenar los pulmones con este gas, la frecuencia del sonido generado (que es proporcional a la velocidad del sonido en el medio) aumenta, haciéndose más agudo.

Sin embargo, esto tiene cierto peligro - no porque el helio sea tóxico porque, como hemos dicho, no lo puede ser en absoluto al no reaccionar con nada. La razón es más sutil. Mucha gente piensa que la sensación de “falta de oxígeno” o de ahogo cuando no respiras se debe a que, como el nombre indica, no tienes oxígeno; sin embargo, esto no es así. Bueno, excepto en algunos mamíferos como las focas.

Nuestro cerebro manda la señal “me estoy ahogando” cuando la concentración de dióxido de carbono es más grande de lo que debería ser: si, por ejemplo, meto la cabeza en una bolsa de plástico, cada vez hay más CO₂ y menos oxígeno. Mi cerebro se da cuenta y noto que me ahogo. De ese modo, hago algo (lucho, me quito la bolsa, busco aire fresco) antes de que haya peligro. Lo mismo pasa si simplemente no respiro: la concentración de dióxido de carbono aumenta en los pulmones.

Pero cuando respiras helio, desplaza al oxígeno de tus pulmones y no respiras oxígeno. Y también desplaza al dióxido de carbono, de modo que tu cerebro no se da cuenta de que se está iniciando la asfixia - puede ser peligroso porque no te des cuenta de la falta de oxígeno hasta que te marees. Desde luego, no es un peligro extremo, pero si haces ese truco, asegúrate de no hacerlo demasiado tiempo y expeler todo el helio de tus pulmones y respirar aire fresco pronto.

Pero, trucos de voz aparte, quedémonos con lo fundamental: el helio es un gas inerte, muy ligero, y el primer elemento en ser descubierto fuera de nuestro planeta (a pesar de existir en él). Sin embargo, añadiendo sólo un protón (llegando a tres), la próxima edición describirá un elemento de características muy diferentes: el litio.

El texto de Conoce tus elementos - El helio , por Pedro Gómez-Esteban, salvo donde se mencione explícitamente, está publicado bajo Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.