El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

Conoce tus elementos - El helio

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 solar 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.

Conoce tus elementos, Química

34 comentarios

De: cruzki
2007-06-06 22:35:09

como siempre genial :) esperando que lleguemos a elementos mas "raros" que esos seguro q van a ser interesnates

De: Michael
2007-06-06 22:38:55

Me parece increíble que puedas escribir artículos tan interesantes de algo que parece tan aburrido como es la tabla periódica! Sigue adelante, felicidades!

De: Dapepan
2007-06-06 23:17:45

Hola,Hay un vínculo roto al principio de la entrada cuando se enlaza al post sobre el hidrógeno, dos http:// seguidos. Muy bueno el contenido de la entrada en particular y del blog en general.Un saludo

De: DanielSantos
2007-06-06 23:31:53

"Por supuesto, estaría a 1K, de modo que al ponerlo en contacto con agua líquida la diversión no habría hecho más que empezar."
Un diez , divertido a la vez que interesante.Daniel Santos
http://psinretorno.blogspot.com

De: Rober
2007-06-07 00:31:02

Tengo entendido que en algunas ocasiones el helio que se vende viene con un cierto porcentaje de oxígeno para evitar accidentes por su inhalación, pero estoy de acuerdo contigo: si no lo sabes con seguridad, mejor no intentes inhalarlo, puede ser peligroso.Aprovecho para felicitarte por tu blog.

De: Cesar
2007-06-07 01:17:02

"Sí, lees bien: si coges helio y lo enfrías a presión atmosférica hasta llegar a 0K, seguiría siendo un líquido."
Puede que diga una tontería pero...:
1º: ¿Es posible enfriar un elemento hasta los 0K? Teniendo en cuenta que 0K significa que no existe ningún movimiento en sus partículas... ¿puede existir un átomo en el que sus electrones no giren?
2º: En el caso de que no se pueda, si tomamos una temperatura relativamente baja (que tienda a 0K) ¿podría ser sólido a la presión de 1atm?
3º: Esto puede ser aún una tontería más grande: ¿puede un fotón estar a 0K?
Seguramente me he equivocado en algo.
Felicidades una vez más por los artículos. Saludos.

De: Pedro
2007-06-07 07:14:35

Cesar,1º No, en la práctica no se puede enfriar algo a 0K (el récord es 0.00000000045 K). Por si crea confusión, cambiaré "enfrías" por "pudieras enfriar".2º No, el helio no puede ser sólido a 1 atm, a ninguna temperatura.3º No, la temperatura es una medida de la energía cinética de las partículas que componen la materia, de modo que un fotón no tiene temperatura. De lo que sí se puede hablar (y a veces se dice temperatura de la radiación en ese caso) es de la temperatura a la que estaría un "cuerpo negro" que emitiese un fotón como ése - cuanto más caliente, menor longitud de onda. Un fotón "a 100K", por ejemplo, sería un fotón emitido por un cuerpo negro a 100K. No has dicho ninguna tontería, y aunque lo hicieras, todos somos humanos ;) ¡Gracias por los comentarios!

De: Pedro
2007-06-07 07:19:35

Respuestas varias:Dapepan, gracias, muchas veces copio-pego y no me doy cuenta del http:// inicial. Corregido.Rober, no tenía ni idea de que ponían oxígeno con el helio...es curioso que tengan en cuenta algo así.Gracias a todos por los comentarios y ánimos.

De: serxio
2007-06-17 04:36:34

Hola, sigo esta web desde hace unos dias y me parece estupenda. Acabo de leer este artículo y no he podido dejar de echar en falta algún comentaro sobre los isotopos del helio con sus características de superfluidez a temperaturas próximas al cero absoluto. Estaría bién un artículo hablando de esto ;)

De: martinez
2007-08-21 19:47:41

quisiera que me expliquen
1. porque los electrones de las capas más cercanas al núcleo poseen mayores niveles de energía.
2. Cual es la energía de enlace que debe ser suministrada a un electrón de la capa 7 del átomo de H.

De: gracel
2007-08-21 19:51:27

estos articulos son muy bueno y satisfacen varias dudas que tengo.

De: Pedro
2007-08-21 20:01:45

martinez,1. Los electrones de las capas más cercanas al núcleo tienen niveles de energía MENORES, no mayores. La razón es que son cargas negativas y cuanto más cerca están de las cargas positivas más pequeña es su energía potencial (igual que un satélite tiene menos energía potencial cuanto más cerca del planeta).2. La pregunta no es completa: energía para llevarlo ¿a dónde? ¿a qué otro nivel de energía? ¿o es para arrancarlo del átomo? En cualquier caso, ten en cuenta que un electrón en el nivel 7 del H es un electrón excitado: en el hidrógeno sólo la primera capa tiene un electrón, y el nivel séptimo debería estar vacío salvo que ya se le haya dado energía a ese electrón.

De: Astro Web — La vida privada de las estrellas 5 - Las entrañas de una estrella
2007-12-12 19:00:56

[...] o el ciclo CNO), al final lo que sucede es que va desapareciendo el hidrógeno y va apareciendo helio. Al ser el helio más denso que el hidrógeno, la estrella se va comprimiendo poco a poco y, a la [...]


De: Gabriel
2008-04-11 15:13:39

Hace poco tiempo mi hermano me introdujo al placer de la lectura de los articulos del Tamiz y me he convertido en un fiel seguidor de varias de las secciones, intentando entender algo de cosas que siempre me han resultado tan complicadas.

En estos días comence a leer, ordenadamente, esta serie sobre los elementos. Como siempre, muy buenas, claras y entretenidas las notas.

Ahora en el caso del helio, me surgio una duda, probablemente muy tonta, pero acudiendo a tu paciencia te la formulo:

dada la abundancia de este elemento y que, si entendi bien el articulo, el mismo no suele aparecer "combinado" con otros elementos (como si pasa con el hidrogeno) ¿donde se encuentra esa cantidad de helio?

gracias y felicitaciones (desde Uruguay)


De: Pedro
2008-04-11 17:24:23

Gabriel,

No es una duda tonta en absoluto: de hecho, significa que entiendes lo que has leído y te haces preguntas lógicas.

Puesto que el helio no se combina con nada, no forma parte de moléculas (como el hidrógeno). Salvo que el cuerpo celeste en el que se encuentra el helio sea muy masivo (como una estrella), la gravedad no es suficiente para tenerlo "atrapado" y escapa al espacio. En la Tierra hay algo, pero muy muy poco, por esa misma razón. Sin embargo, en el Sol hay muchísimo porque nuestra estrella --que lo produce en la fusión-- sí dispone de un campo gravitatorio suficientemente intenso como para mantenerlo ahí.


De: Mekeo
2008-05-11 18:35:38

Hola, antes de nada enhorabuena por el blog tan logrado. Lo conozco desde hace poco tiempo y es ya uno de mis favoritos.

Leyendo este artículo despues del hidrógeno me surge una duda;

" 1 de cada 4 kilos de materia conocida en el Universo es helio. " , es decir, el 25%.

En el artículo del hidrógeno decía ... " el 90% de todos los átomos que existen son de hidrógeno"

Esto no me cuadra, ya que 90+25 = 115% ... sobra materia ?
Gracias Pedro, y un saludo!


De: Pedro
2008-05-11 19:12:04

Mekeo,

Tienes que tener en cuenta que en un caso estamos hablando de masa y en el otro de número de átomos. El porcentaje de hidrógeno en masa no es el 90%, ni el de helio un 25% en número de átomos. El aparente error se debe únicamente a sumar porcentajes de cosas diferentes.

Bienvenido, y espero que disfrutes de todos los artículos que tienes por leer si has llegado hace poco :)


De: Mekeo
2008-05-11 20:28:19

Ups! Cierto, se me ha pasado por alto. Entonces el hidrógeno debe ser un porcentaje de masa ínfima del universo pese a ser el 90% en átomos.

Bienhallado, hay por aquí tantos artículos interesantes que falta tiempo, intentaré porneme al día poco a poco.


De: Pedro
2008-05-11 20:34:14

Mekeo,

Aquí tienes las proporciones en masa de los distintos elementos (como verás, el hidrógeno es casi un 74% y el helio un 24%, todo el resto sólo componen un 2%): http://en.wikipedia.org/wiki/Element_abundance


De: Mekeo
2008-07-09 04:17:49

Nos quedamos sin helio ? http://www.scientificblogging.com/news_releases/next_on_the_endangered_list_helium


De: kemero
2008-10-24 21:14:02

Si, en serio... nos estamos quedando si helio?

Pedro, una cosita... el link al litio no anda :P


De: Pedro
2008-10-24 22:15:20

@ kemero,

Gracias, arreglado :)


De: Takion
2008-10-25 16:36:54

Hace unos pocos dias que descubrí este sitio.Me parece extraordinario.Las explicaciones son claras y precisas.Sea pues este primer comentario aquí una felecitación para el autor o autores de esta fascinante web.


De: Toranks
2009-09-04 14:44:19

¿Qué significa que escapa de la atmósfera? ¿Escapa al vacío? ¿Cómo consigue superar la velocidad de escape de la Tierra?


De: Toranks
2009-09-04 15:06:49

Lo he pensado mejor y quizás la explicación exacta sea esta:
-El Helio, al ser tan ligero, flota hasta alcanzar las capas más altas de la atmósfera, como dice el artículo. Allí, la velocidad de escape es mejor.
-Además, al ser la estratosfera un lugar tan accidentado (auroras boreales, choque con partículas del viento solar, etc...), los átomos de Helio logran reaccionar y van escapando, poco a poco, al espacio exterior al alcanzar estos choques la velocidad de escape.
¿Estoy en lo correcto?


De: Juan Carlos Giler
2011-03-15 22:22:40

Hola. Hace poco leí (muy superficialmente, la verdad) una artículo en la revista Nathional Geographic, que indicaba que el Helio de la tierra se está "acabando".

Que un globo de fiestas relleno de He, debería costar cerca de $100 en lugar de los $0.05 o $0.10 actuales !!


De: Regonn
2012-01-04 12:43:52

Entiendo que la unica manera de producir helio en la tierra sería por la tan buscada fusion nuclear? Y logicamente serían cantidades minimas, no?

gracias, como siempre!!


De: Antonio E.
2012-01-04 15:54:08

No es la única manera:

El helio que se extrae de la tierra (como subproducto de la extracción de gas natural) proviene fundamentalmente de la desintegración alfa de nucleos pesados como el uranio o el torio. Recuerda que una partícula alfa es un núcleo de helio. Así, el helio que utilizamos se "recolecta".

Podría "fabricarse" helio fisionando o rompiendo nucleos pesados que al romperse emitan estas partículas alfa. O "cultivarse" si dejamos que la radiactividad natural haga el trabajo.

Y, como tú apuntas, también podría obtenerse como subproducto de la fusión controlada, en caso de que algún día se domine esa tecnología.


De: WL
2013-06-03 15:31:46

No sé si esto lo debería preguntar en este artículo, pero todavía no entiendo lo de la voz aguda. Dices que la frecuencia es proporcional a la velocidad en el medio, pero yo siempre he tenido entendido que es independiente, ¿no? Es decir, al frecuencia depende de la distancia temporal entre dos vibraciones de las cuerdas vocales, y si las vibraciones o pulsos o lo que sean van más rápidos habrá una mayor distancia entre dos pulsos pero llegarán con la misma diferencia de tiempo independientemente del medio. O sea, que el medio no afectaría a la frecuencia... no sé si me explico.


De: peluche
2013-08-17 17:11:05

Wow que interesante y accesible lo explicas, muchísimas gracias, parece que me estoy enganchando a esta serie :)


De: Javier
2014-06-28 19:39

Genial esta serie, no me entenderán muchos cuando en este mismo momento están jugando en el mundial Chile-Brasil. Soy asín...

Duda: dijiste que los átomos de hidrógeno constituyen el 90% del universo pero a su vez indicas que 1 de cada 4 kg de materia es helio.

No lo entiendo.

Saludos, da gusto descubrir rincones como este.

De: Pedro
2014-06-28 22:43

Javier, es que cada átomo de helio típico pesa lo que 4 átomos de hidrógeno típicos (el helio suele tener dos protones y dos neutrones, el hidrógeno un protón y ningún neutrón), con lo que medir en número de átomos y en masa son cosas muy diferentes.

¿Tiene sentido?

De: Lihiel
2015-08-21 09:03

Hace tres dias en un foro de libros alguien mencionó este Blog. Puse a San Google a trabajar hasta que lo encontró. El primer artículo que apareció fue el del elemnto Sr. Quedé fascinado. Decidí seguir el orden según la tabla. He confirmado la primera impresión. No puedo dejar tanta calidad y sencillez en la información sin leerla. Después seguiré con los otros temas. Gracias.

De: Lihiel
2015-08-21 09:06

Gracias también a los comentaristas. Muy interesantes sus aportes.

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