Reactores de fusión nuclear

42 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENO leza tra- por za- efec- dor to de en la in- Geoquímica ter- Iso- ac- tópi- ción ca, de y en los dis- rayos posi- cós- tivos mi- lu- cos mi- con no- los sos gases auto at- - ali- mos- men- féri- ta- cos. dos. Tam- An- bién tes ha era sido co- libe- mún rado em- tritio plear por el la tritio rea- co- liza- mo ción ra- de dio- prue- mar- bas ca- de dor ar- en ma- ex- men- peri- to men- nu- tos clear. quí- El mi- tritio cos y se bio- usa lógi- en cos, reac- pero cio- ac- nes tual- de men- fu- te se sión usa nu- me- clear, nos. co- mo El hidrógeno es el único elemento que posee diferentes

7.6. PRODUCCIÓN 43nombres comunes para cada uno de sus isótopos (natura- La electrólisis del agua es un método simple de producirles). Durante los inicios de los estudios sobre la radiacti- hidrógeno. Una corriente eléctrica de bajo voltaje fluye avidad, a algunos isótopos radiactivos pesados les fueron través del agua, y el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo,asignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usan- mientras que el gas hidrógeno se forma en el cátodo. Tí-do. Los símbolos D y T (en lugar de ²H y ³H) se usan a picamente, el cátodo está hecho de platino u otro metalveces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbo- inerte (generalmente platino o grafito), cuando se produ-lo P corresponde al fósforo y, por tanto, no puede usarse ce hidrógeno para el almacenamiento. Si, sin embargo,para representar al protio. La IUPAC declara que aunque el gas se destinara a ser quemado en el lugar, es deseableel uso de estos símbolos sea común, no es lo aconsejado. que haya oxígeno para asistir a la combustión, y entonces, ambos electrodos pueden estar hechos de metales inertes7.5 Reacciones biológicas (se deben evitar los electrodos de hierro, ya que consu- men oxígeno al sufrir oxidación). La eficiencia máximaH2 es un producto de algunos tipos de metabolismo anae- teórica (electricidad utilizada vs valor energético de hi-róbico y es producido por diversos microorganismos, por drógeno producido) es entre 80 y 94 %.[50]lo general a través de reacciones catalizadas por enzimasque contienen hierro o níquel llamadas hidrogenasas. Es- 2H2O₍ₐ ₎ → 2H2(g) + O2₍ ₎tas enzimas catalizan la reacción redox reversible entreH2 y sus componentes, dos protones y dos electrones. La En 2007, se descubrió que una aleación de aluminio ycreación de gas de hidrógeno ocurre en la transferencia de galio en forma de gránulos añadida al agua podía utilizar-reducir equivalentes producidos durante la fermentación se para generar hidrógeno. El proceso también producedel piruvato al agua.[46] alúmina, pero se puede reutilizar el galio, que previene la formación de una película de óxido en los gránulos. EstoLa separación del agua, en la que el agua se descom- tiene importantes implicaciones para la potenciales eco-pone en sus componentes, protones, electrones y oxí- nomía basada en el hidrógeno, ya que se puede producirgeno ocurre durante la fase clara en todos los organismos en el lugar y no tiene que ser transportado.[51]fotosintéticos. Algunas organizaciones —incluyendo elalga Chlamydomonas reinhardtii y cianobacteria— evo- 7.6.2 Industriallucionaron un paso más en la fase oscura en el que losprotones y los electrones se reducen para formar gas de El hidrógeno puede ser preparado por medio de variosH2 por hidrogenasas especializadas en el cloroplasto.[47] procesos, pero económicamente, el más importante con-Se realizaron esfuerzos para modificar genéticamente las siste en la extracción de hidrógeno a partir de hidrocar-hidrogenasas de cianobacterias para sintetizar de manera buros. El hidrógeno comercial producido en masa es nor-eficiente el gas H2 incluso en la presencia de oxígeno.[48] malmente producido por la reformación catalítica de gasTambién se realizaron esfuerzos con algas modificadas natural.[52] A altas temperaturas (700-1100 °C), el vaporgenéticamente en un biorreactor.[49] reacciona con metano para producir monóxido de car- bono y H2.7.6 Producción CH4 + H2O → CO + 3 H2El gas H2 es producido en los laboratorios de quími-ca y biología, muchas veces como un subproducto de la Esta reacción es favorecida a bajas presiones, pero es sindeshidrogenación de sustratos insaturados; y en la natura- embargo conducida a altas presiones (20 atm) porque elleza como medio de expulsar equivalentes reductores en H2 a altas presiones es el producto mejor comercializa-reacciones bioquímicas. do. La mezcla producida se la conoce como \"gas de sín- tesis\", ya que muchas veces se utiliza directamente para7.6.1 Laboratorio la producción de metanol y compuestos relacionados. Se pueden usar otros hidrocarburos, además de metano, pa- ra producir gas de síntesis con proporciones variables de los productos. Una de las muchas complicaciones para esta tecnología altamente optimizada es la formación de carbono:En el laboratorio, el gas H2 es normalmente preparado CH4 → C + 2 H2por la reacción de ácidos con metales tales como el zinc,por medio del aparato de Kipp. Por consiguiente, el reformación catalítica se hace típi- camente con exceso de H2O. El hidrógeno adicional seZn + 2 H+ → Zn2+ + H2 puede recuperar del vapor usando monóxido de carbono a través de la reacción de desplazamiento del vapor deEl aluminio también puede producir H2 después del tra- agua, especialmente con un catalizador de óxido de hie-tamiento con bases: rro. Esta reacción es también una fuente industrial común de dióxido de carbono:[52]2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2

44 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENOCO + H2O → CO2 + H2 La magnetita así cristalizada (Fe3O4) es termodinámica-Otros métodos importantes para la producción de H2 in- mente más estable que el hidróxido ferroso (Fe(OH)2 ).cluyen la oxidación parcial de hidrocarburos:[53]2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2 Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica dey la reacción de carbón, que puede servir como un pre- hierro y acero en aguas subterráneas sin oxígeno y en sue-ludio para la “reacción de desplazamiento” descrita ante- los reducidos por debajo del nivel freático.riormente 7.6.5 Ocurrencia geológica: la reacción de [52] serpentinizaciónC + H2O → CO + H2 En ausencia de oxígeno atmosférico (O2), en condicionesEl hidrógeno es a veces producido y consumido por el geológicas profundas que prevalezcan lejos de atmósfe-mismo proceso industrial, sin ser separado. En el proceso ra de la Tierra, el hidrógeno (H2) se produce durante elde Haber para la producción de amoníaco, se gene- proceso del serpentinización por la oxidación anaeróbi-ra hidrógeno a partir de gas natural.[54] Otro proceso ca de protones del agua (H+) del silicato ferroso (Fe2+)que produce hidrógeno como producto secundario es la presente en la red cristalina de la fayalita (Fe2SiO4, elelectrólisis de salmuera para producir cloro.[55] hierro olivino). La reacción correspondiente que condu- ce a la formación de magnetita (Fe3O4), cuarzo SiO2) e hidrógeno (H2) es la siguiente:7.6.3 Termoquímicos solares 3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2Existen más de 200 ciclos termoquímicos que pueden ser fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidró-utilizados para la separación del agua, alrededor de una genodocena de estos ciclos, tales como el ciclo de óxido dehierro, ciclo del óxido cerio (III)-óxido cerio(IV), ciclo Esta reacción se parece mucho a la reacción de Schikorrde óxido zinc-zinc, ciclo del azufre-yodo, ciclo del cobre- observada en la oxidación anaeróbica del hidróxido fe-cloro, ciclo híbrido del azufre están bajo investigación rroso en contacto con el agua.y en fase de prueba para producir hidrógeno y oxígenoa partir de agua y calor sin utilizar electricidad.[56] Un 7.6.6 Formación en transformadoresnúmero de laboratorios (incluyendo Francia, Alemania,Grecia, Japón y Estados Unidos) están desarrollando mé- De todos los gases de fallo formados en transformadorestodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de eléctricos, el hidrógeno es el más común y se genera bajoenergía solar y agua.[57] la mayoría de condiciones de fallo, por lo que, la forma- ción de hidrógeno es una primer indicio de problemas7.6.4 Corrosión anaerobia graves en el ciclo de vida del transformador.[58]En condiciones anaeróbicas, las aleaciones de hierro y 7.7 Aplicacionesacero se oxidan lentamente por los protones de agua con-comitante reducidos en hidrógeno molecular (H2). La Se necesitan grandes cantidades de H2 en las indus-corrosión anaeróbica de hierro conduce primero a la for- trias del petróleo y química. Una aplicación adicionalmación de hidróxido ferroso (óxido verde) y se puede de H2 es de tratamiento (“mejoramiento”) de combus-describir mediante la siguiente reacción: tibles fósiles, y en la producción de amoníaco. Los prin- cipales consumidores de H2 en una planta petroquími- Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2 ca incluyen hidrodesalquilación, hidrodesulfuración, y de hidrocraqueo. H2 también tiene varios otros usos impor-A su vez, bajo condiciones anaeróbicas, el hidróxido fe- tantes. El H2 se utiliza como un agente de hidrogenizante,rroso (Fe(OH)2 ) puede ser oxidado por los protones de particularmente en el aumento del nivel de saturación deagua para formar magnetita e hidrógeno molecular. Este las grasas y aceites insaturados (que se encuentran en ar-proceso se describe por la reacción de Schikorr: tículos como la margarina) y en la producción de metanol. Del mismo modo es la fuente de hidrógeno en la fabrica- 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 ción de ácido clorhídrico. El H2 también se utiliza como agente reductor de minerales metálicos.[59]hidróxido ferroso → magnetita + agua + hidró- Además de su uso como un reactivo, H2 tiene am-geno plias aplicaciones en la física y la ingeniería. Se utili-

7.9. INDUSTRIA DE SEMICONDUCTORES 45za como gas de protección en los métodos de soldadura de la energía, como un posible portador de energía futuratales como la soldadura de hidrógeno atómico.[60][61] a gran escala de la economía.[74] Por ejemplo, el secuestroH2 se utiliza como un enfriador de generadores en de CO2 seguido de captura y almacenamiento de carbonocentrales eléctricas, porque tiene la mayor conductividad podría realizarse al punto de producción de H2 a partir de combustibles fósiles.[75] El hidrógeno utilizado en eltérmica de todos los gases. H2 líquido se utiliza enla investigaciones criogénicas, incluyendo estudios de transporte se quemaría relativamente limpio, con algunassuperconductividad.[62] Dado que el H2 es más ligero que emisiones de NOx,[76] pero sin emisiones de carbono.[75]el aire, teniendo un poco más de 1/15 de la densidad del Sin embargo, los costos de infraestructura asociados conaire, fue ampliamente utilizado en el pasado como gas deelevación en globos aerostáticos y dirigibles.[63] la conversión total a una economía del hidrógeno podría ser sustancial.[77]En aplicaciones más recientes, se utiliza hidrógeno pu- 7.9 Industria de semiconductoresro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado forminggas) como gas indicador para detectar fugas. Las apli- El hidrógeno es empleado para saturar enlaces rotos decaciones pueden ser encontradas en las industrias au- silicio amorfo y carbono amorfo que ayuda a la estabi-tomotriz, química, de generación de energía, aeroes- lización de las propiedades del material.[78] Es tambiénpacial y de telecomunicaciones.[64] El hidrógeno es un un potencial donante de electrones en diferentes materia-aditivo alimentario autorizado (E 949) que permite la les óxidos, incluyendo ZnO,[79][80] SnO2, CdO, MgO,[81]prueba de fugas de paquetes, entre otras propiedades ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3,antioxidantes.[65] SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, y SrZrO3.[82]Los isótopos más raros de hidrógeno también poseen 7.10 Seguridad y precaucionesaplicaciones específicas para cada uno. El deuterio(hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de la fisión nu-clear como un moderador para neutrones lentos, y enlas reacciones de fusión nuclear.[14] Los compuestos dedeuterio tienen aplicaciones en la química y biologíaen los estudios de los efectos isotópicos.[66] El Tritio(hidrógeno-3), producido en los reactores nucleares, seutiliza en la producción de bombas de hidrógeno,[67] co-mo un marcador isotópico en las ciencias biológicas,[68]como una fuente de radiación en pinturas luminosas.[69]La temperatura de equilibrio del punto triple de hidró-geno es un punto fijo definido en la escala de temperaturaITS−90 a 13,8033 Kelvin.[70]7.8 Portador de energíaEl hidrógeno no es una fuente de energía,[71] excepto en La explosión en el dirigible Hindenburg.el contexto hipotético de las centrales nucleares de fu-sión comerciales que utilizan deuterio o tritio, una tecno- El hidrógeno genera diversos riesgos para la seguridadlogía actualmente lejos de desarrollo.[72] La energía del humana, de potenciales detonaciones e incendios cuan-sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, pero es- do se mezcla con el aire al ser un asfixiante en su formate proceso es difícil de lograr de forma controlable en la pura, libre de oxígeno.[83] Además, el hidrógeno líquidoTierra.[73] El hidrógeno elemental de fuentes solares, bio- es un criogénico y presenta peligros (tales como congela-lógicas, o eléctricas requieren más energía para crear lo ción) asociados con líquidos muy fríos.[84] El elemento seque es obtenido al quemarlo, por lo que, en estos casos, disuelve en algunos metales y, además de fuga, pueden te-sirve el hidrógeno como portador de energía, como una ner efectos adversos sobre ellos, tales como fragilizaciónbatería. Se puede obtener a partir de fuentes fósiles (tales por hidrógeno.[85] La fuga de gas de hidrógeno en el ai-como metano), pero estas fuentes son insustentables.[71] re externo puede inflamarse espontáneamente. Por otra parte, el fuego de hidrógeno, siendo extremadamente ca-La densidad de energía por unidad de volumen tanto del liente, es casi invisible, y por lo tanto puede dar lugar ahidrógeno líquido como del gas de hidrógeno comprimi- quemaduras accidentales.[86]do en cualquier presión posible es significativamente me-nor que aquella de fuentes de combustible tradicionales, Aunque incluso interpretar los datos de hidrógeno (in-aunque la densidad de energía por unidad de masa de cluyendo los datos para la seguridad) es confundido porcombustible sea más alta.[71] Sin embargo, el hidrógenoelemental ha sido ampliamente discutido en el contexto

46 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENOdiversos fenómenos. Muchas de las propiedades físicas [10] Kirchheim, R. (1988). «Hydrogen solubility and diffu-y químicas del de hidrógeno, dependen de la tasa de sivity in defective and amorphous metals». Progress inparahidrógeno/ortohidrógeno (por lo general llevar a días Materials Science 32 (4): 262-325. doi:10.1016/0079-o semanas a una temperatura determinada para llegar a 6425(88)90010-2.la tasa de equilibrio por el cual los resultados suelen apa-recer. los parámetros de detonación de hidrógeno, como [11] Kubas, G. J., Metal Dihydrogen and σ-Bond Complexes.la presión y temperatura crítica de fundición, dependen Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York, 2001.en gran medida de la geometría del recipiente.[83] [12] «Webelements – Hydrogen historical information». Con- sultado el 15 de septiembre de 2005.7.11 Véase también [13] «Hydrogen». Van Nostrand’s Encyclopedia of Chemistry. Wiley-Interscience. 2005. pp. 797-799. ISBN 0-471- 61525-0.7.12 Nota [14] Emsley, John (2001). Nature’s Building Blocks. Ox- ford: Oxford University Press. pp. 183-191. ISBN 0-19- [1] Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no 850341-5. está en la forma de bariones o elementos químicos. Véase materia oscura y energía oscura. [15] Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16-21. ISBN 0-19-508083-1.7.13 Referencias [16] Lehmann, Ernst A.; Mingos, Howard (1927). «1: German airships prepare for war». The Zeppelins: The Development of the Airship, with the Story of the Zepplins Air Raids in the World War. Consultado el 6 de noviembre de 2009.[1] Murphy, Ana Carolina (2009). «Hidrogênio é o Futuro». [17] (En inglés.) «Graf Zeppelin History.» Airships.net. Con- Revista Galileu, 2009 (en portugués). Consultado el 26 de sultado el 19 d mayo de 2016. noviembre de 2013. [18] Berman, R., Cooke, A. H., Hill, R. W. «Cryogenics»,[2] Palmer, David (13 de septiembre). «Hydrogen in the Uni- Ann. Rev. Phys. Chem. 7 (1956). 1-20. verse». NASA. Consultado el 1 de diciembre de 2008. [19] «Jefferson Lab – Hydrogen». Consultado el 15 de sep-[3] Staff (2009). «Hydrogen Basics — Production». Florida tiembre de 2005. Solar Energy Center. Consultado el 1º de diciembre de 2008. [20] Shriver, D. F.; Atkins, P. W.; Langford, C. H. Química Inorgánica. Vol. 1. Segunda edición. Reverté. 1997.[4] Gurov, Y. B., Aleshkin, D. V., Berh, M. N., Lapushkin, S. V., Morokhov, P. V., Pechkurov, V. A., Poroshin, N. [21] Miessler, G. L., Tarr, D. A. (2004). Inorganic Chemistry O., Sandukovsky, V. G., Tel'kushev, M. V., Chernyshev, 3rd ed. Pearson Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, B. A., Tschurenkova, T. D. (2004). «Spectroscopy of su- USA. perheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei.» Physics of Atomic Nuclei 68(3):491-497. [22] University of Southern Maine-Dihydrogen[5] Korsheninnikov, A. A. et al. (2003). «Experimental Evi- [23] Carcassi, M. N.; Fineschi, F. (Junio de 2005). «Deflagra- dence for the Existence of 7H and for a Specific Structure tions of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented of 8He.» Phys Rev Lett 90, 082501. multi-compartment environment». Energy 30 (8): 1439- 1451. doi:10.1016/j.energy.2004.02.012.[6] Rogers, H. C. (1999). «Hydrogen Embrittle- [24] National Academy of Engineering, National Academy ment of Metals». Science 159 (3819): 1057-1064. of Sciences (2004). The Hydrogen Economy: Opportu- doi:10.1126/science.159.3819.1057. PMID 17775040. nities, Costs,. National Academies Press. p. 240. ISBN 0309091632.[7] Christensen, C. H.; Nørskov, J. K.; Johannessen, T. (9 de julio de 2005). «Making society independent of fos- [25] Energía es por mol de material combustible, Hidrógeno. sil fuels — Danish researchers reveal new technology». 286 kJ/mol Technical University of Denmark. Consultado el 1º de di- ciembre de 2008. [26] Staff (10 de octubre). «Safety data for hydrogen». Chemi- cal and Other Safety Information (en inglés). The Physi-[8] Takeshita, T.; Wallace, W. E.; Craig, R. S. (1974). «Hy- cal and Theoretical Chemistry Laboratory, Oxford Uni- drogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or versity. Consultado el 15 de diciembre de 2008. thorium and nickel or cobalt». Inorganic Chemistry 13 (9): 2282-2283. doi:10.1021/ic50139a050. [27] Dziadecki, John (2005). «Hindenburg Hydrogen Fire» (en inglés). Consultado el 15 de diciembre de 2008.[9] Kirchheim, R.; Mutschele, T.; Kieninger, W. (1988). [28] Werthmüller, Andreas. «The Hindenburg Disaster». «Hydrogen in amorphous and nanocrystalline me- Swiss Hydrogen Association. Archivado desde el original tals». Materials Science and Engineering 99: 457-462. el 29 de noviembre de 2015. Consultado el 15 de diciem- doi:10.1016/0025-5416(88)90377-1. bre de 2008.

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7.15. ENLACES EXTERNOS 49 • Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements, second edition. Butterworth - Heinemann. 1997 ISBN 0-7506-3365-4 • Cotton, F. A.; Wilkinson, G. Advanced Inorganic Chemistry: a comprehensive text, fourth edition. John Wiley & Sons. 1980. ISBN 0-471-02775-8 • Gutiérrez Ríos, E. Química Inorgánica. Reverté. 1994. ISBN 84-291-7215-7 • Interacciones cuadripolares en SrZrO37.15 Enlaces externos • Wikiquote alberga frases célebres de o sobre Hidrógeno. Wikiquote • Wikimedia Commons alberga contenido multi- media sobre HidrógenoCommons. • Wikcionario tiene definiciones y otra informa- ción sobre hidrógeno.Wikcionario • WebElements.com • EnvironmentalChemistry.com • Es Elemental • Modelo del átomo de hidrógeno en escala • Cálculos Básicos de Hidrógeno en la Mecánica Cuántica • Asociación Nacional de Hidrógeno • Actualidad sobre el uso del hidrógeno en coches • Imágenes del Átomo de Hidrógeno • El hidrógeno como combustible • El hidrógeno, el combustible del futuro

Capítulo 8HelioEl helio es un elemento químico de número atómico 2, milares en el Sol y en Júpiter. Por masa se encuentra ensímbolo He y peso atómico estándar de 4,0026. Pertene- una proporción doce veces mayor a la de todos los ele-ce al grupo 18 de la tabla periódica de los elementos, ya mentos más pesados juntos. La presencia tan frecuente deque al tener el nivel de energía completo presenta las pro- helio es debida a elevada energía de enlace por nucleónpiedades de un gas noble. Es decir, es inerte (no reaccio- del helio-4 con respecto a los tres elementos que le siguenna) y al igual que estos, es un gas monoatómico incoloro en la tabla periódica (litio, berilio y boro). Esta energíae inodoro que cuenta con el menor punto de ebullición da como resultado la producción frecuente de helio tantode todos los elementos químicos y solo puede ser licuado en la fusión nuclear como en la desintegración radioacti-bajo presiones muy grandes y no puede ser congelado. va. La mayor parte del helio en el universo se encuentra presente en la forma del isótopo helio-4 (4He), el cual seDurante un eclipse solar en 1868, el astrónomo francés cree que se formó unos 15 minutos después del Big Bang.Pierre Janssen observó una línea espectral amarilla en Gracias a la fusión de hidrógeno en las estrellas activas,la luz solar que hasta ese momento era desconocida. se forma una pequeña cantidad de helio nuevo, exceptoNorman Lockyer observó el mismo eclipse y propuso que en las de mayor masa, debido a que durante las etapas fi-dicha línea era producida por un nuevo elemento, al cual nales de su vida generan su energía convirtiendo el heliollamó helio, con lo cual, tanto a Lockyer como a Janssen en elementos más pesados. En la atmósfera de la Tierrase les adjudicó el descubrimiento de este elemento. En se encuentran trazas de helio debido a la desintegración1903 se encontraron grandes reservas de helio en campos radioactiva de algunos elementos. En algunos depósitosde gas natural en los Estados Unidos, país con la mayor naturales el gas se encuentra en cantidad suficiente paraproducción de helio en el mundo. la explotación.Industrialmente se usa en criogenia (siendo su principal En la Tierra, la ligereza de helio ha provocado su eva-uso, lo que representa alrededor de un 28 % de la produc- poración de la nube de gas y polvo a partir de la cual seción mundial), en la refrigeración de imanes supercon- formó el planeta, por lo que es relativamente poco fre-ductores. Entre estos usos, la aplicación más importante cuente —con una fracción de 0,00052 por volumen— enes en los escáneres de resonancia magnética. También se la atmósfera terrestre. El helio presente en la Tierra hoyutiliza como protección para la soldadura por arco y otros en día ha sido creado en su mayor parte por la desinte-procesos, como el crecimiento de cristales de silicio, los gración radiactiva natural de los elementos radioactivoscuales representan el 20 % de su uso para el primer caso pesados (torio y uranio), debido a que las partículas alfay el 26 % para el segundo. Otros usos menos frecuentes, emitidas en dichos procesos constan de núcleos de helio-aunque popularmente conocidos, son el llenado de globos 4. Este helio radiogénico es atrapado junto con el gas na-y dirigibles, o su empleo como componente de las mez- tural en concentraciones de hasta el 7 % por volumen, delclas de aire usadas en el buceo a gran profundidad.[1] El que se extrae comercialmente por un proceso de separa-inhalar una pequeña cantidad de helio genera un cambio ción a baja temperatura llamado destilación fraccionada.en la calidad y el timbre de la voz humana. En la investi-gación científica, el comportamiento del helio-4 en forma 8.1 Características principaleslíquida en sus dos fases, helio I y helio II, es importantepara los científicos que estudian la mecánica cuántica (en A pesar de que la configuración electrónica del helio esespecial, el fenómeno de la superfluidez), así como para 1s², no figura en el grupo 2 de la tabla periódica de losaquellos que desean conocer los efectos ocurridos en la elementos, junto al hidrógeno en el bloque s, sino que semateria a temperaturas cercanas al cero absoluto (como coloca en el grupo 18 del bloque p, ya que al tener el nivelel caso de la superconductividad). de energía completo presenta las propiedades de un gas noble.El helio es el segundo elemento más ligero y el segundomás abundante en el universo observable, constituyendo En condiciones normales de presión y temperatura es unel 24 % de la masa de los elementos presentes en nuestragalaxia. Esta abundancia se encuentra en proporciones si- 50

8.1. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES 51gas monoatómico no inflamable, pudiéndose licuar sola- res semiintegrados de los números cuánticos. La teoríamente en condiciones extremas (de alta presión y baja del funcional de la densidad se utiliza para obtener lostemperatura). niveles de energía en su estado base del átomo de helio, junto con el método de Hartree-Fock.Tiene el punto de solidificación más bajo de todos los ele-mentos químicos, siendo el único líquido que no puede La relativa estabilidad del núcleo del helio-4 y su capasolidificarse bajando la temperatura, ya que permanece de electronesen estado líquido en el cero absoluto a presión normal.De hecho, su temperatura crítica es de tan solo 5,20 K ó El núcleo del átomo de helio-4, que es exactamente igual−267,96 grados Celsius. Los sólidos compuestos por ³He a una partícula alfa,[4] es particularmente interesante. Lay 4He son los únicos en los que es posible, incrementando razón de esto se debe a que experimentos de dispersiónla presión, reducir el volumen más del 30 %. El calor es- de electrones de alta energía han mostrado que su cargapecífico del gas helio es muy elevado y el helio vapor muy decrece de forma exponencial a partir de un máximo endenso, expandiéndose rápidamente cuando se calienta a su punto central, exactamente de la misma manera en quetemperatura ambiente. decrece la densidad de carga en su propia nube de elec- trones. Esta simetría refleja principios físicos similares:El helio sólido solamente existe a presiones del orden de el par de neutrones y de protones en el núcleo del he-100 MPa a 15 K (−258,15 °C). Aproximadamente a esa lio obedecen a las mismas reglas mecánico-cuánticas quetemperatura, sufre una transformación cristalina, de una los dos electrones que lo orbitan —aunque la unión deestructura cúbica centrada en las caras a una estructura las partículas en el núcleo se debe a un potencial diferen-hexagonal compacta. En condiciones más extremas (3 K, te al que mantiene a los electrones en la nube alrededoraunque presiones de 3 MPa) se produce un nuevo cambio, del átomo—. De esta manera, estos fermiones (es decir,empaquetándose los átomos en una estructura cúbica cen- tanto protones como electrones y neutrones) ocupan com-trada en el cuerpo. Todos estos empaquetamientos tienen pletamente los orbitales 1s en pares, ninguno de ellos po-energías y densidades similares, debiéndose los cambios see momento angular orbital y cada uno de ellos cancelaa la forma en la que los átomos interactúan.[2] el espín intrínseco del otro. El añadir otra de cualquiera de estas partículas requeriría momento angular y libera-8.1.1 El átomo de helio ría sustancialmente menos energía (de hecho, ningún nú- cleo con cinco nucleones es estable). Por esta razón, esteEl helio en la mecánica cuántica arreglo para estas partículas es extremadamente estable energéticamente, y dicha estabilidad da lugar a muchosEl helio es un elemento químico cuyo átomo es el más fenómenos cruciales inherentes al helio en la naturaleza.simple de resolver utilizando las reglas de la mecánicacuántica después del átomo de hidrógeno. Se compone 9de dos electrones en órbita alrededor de un núcleo quecontiene dos protones junto con uno o dos neutrones, de- 8 O16 Fe56 U235pendiendo del isótopo. Sin embargo, como en la mecá- C12 U238nica newtoniana, ningún sistema que consista de más de Energía de enlace promedio por nucleón (MeV)dos partículas se puede resolver con un enfoque de aná- 7 He4lisis matemático exacto (véase problema de los tres cuer-pos) y el helio no es la excepción. Así, los métodos ma- 6temáticos son necesarios, incluso para resolver el sistema Li7de un núcleo y dos electrones. Sin embargo, tales méto-dos de la química computacional se han utilizado para 5 Li6crear una imagen mecánico cuántica de las uniones delos electrones de helio con una precisión dentro de un 2 4% del valor correcto, con unos pocos pasos de cálculocomputacional.[3] En estos modelos se observa que cada 3 H3electrón evita parcialmente que el otro sienta la interac- He3ción con el núcleo, de tal manera que la carga nuclearefectiva Z es de aproximadamente 1,69 unidades, y no 2las 2 cargas de un “núcleo desnudo” clásico de helio. 1 H2 30 60 90 120 150 180 210 240 270El átomo de hidrógeno se utiliza ampliamente para ayu- 0 H1 Número de nucleones en el núcleodar a resolver el átomo de helio. El modelo atómico deBohr dio una explicación muy precisa del espectro del 0átomo de hidrógeno, pero cuando se intentó utilizar en elhelio el modelo falló. Werner Heisenberg desarrolló una Energía de enlace por nucleón para isótopos comunes. En el he-modificación del análisis de Bohr, en el que utilizó valo- lio esta energía es significativamente mayor que en los núclidos adyacentes. Como ejemplo de estos hechos debidos a la alta estabili- dad de la configuración electrónica del helio está la baja reactividad química de este elemento (la más baja de to- da la tabla periódica), así como la falta de interacción de sus átomos entre ellos mismos. Esto produce los puntos de fusión y de ebullición más bajos de todos los elemen- tos. De la misma manera, la estabilidad energética del núcleo de helio-4 da lugar a una fácil producción de estos en reacciones atómicas que involucran tanto emisión de

52 CAPÍTULO 8. HELIOpartículas pesadas como fusión nuclear. Cierta cantidad solamente el 2 % de la masa en forma de átomos del uni-de helio-3 estable se produce en reacciones de fusión a verso. El helio-4, por su parte, constituye cerca del 23 %partir del hidrógeno, pero es una fracción mucho menor de toda la materia ordinaria del universo, es decir, prácti-comparada con el helio-4. La estabilidad del helio-4 es la camente toda la materia ordinaria que no es hidrógeno.[7]razón por la cual el hidrógeno se convierte en esta for-ma de helio en el Sol, en vez de helio-3, deuterio u otros 8.1.2 Fases de gas y de plasmaelementos más pesados. Asimismo es parcialmente res-ponsable del hecho de que la partícula alfa es por muchoel tipo de partícula bariónica más comúnmente expeli-da por los núcleos atómicos. Dicho de otra manera, ladesintegración alfa es mucho más común que la desinte-gración en núcleos más pesados.[5]La inusual estabilidad del helio-4 es importante también Tubo de descarga lleno de helio puro.en cosmología. En los primeros minutos después del BigBang, el universo estaba compuesto por una mezcla de El helio es el gas noble menos reactivo después del neón ynucleones (protones y neutrones) libres. Esta «sopa» te- por tanto, el segundo elemento menos reactivo de todosnía originalmente una proporción de seis protones por ca- ellos. Es inerte y monoatómico en condiciones norma-da neutrón, y después de un tiempo se enfrió al punto tal les. Debido a su baja masa atómica, en la fase gaseosa, laque se pudo dar la fusión nuclear.[6] La estabilidad del he- conductividad térmica, el calor específico, y la velocidadlio provocó que casi todas las agregaciones de nucleones del sonido son mayores que en cualquier otro gas, excep-formadas en ese momento fueran núcleos de helio-4. La to el hidrógeno. Por razones similares, y también debidounión de protones y neutrones para formar helio-4 tiene al pequeño tamaño de sus átomos, su tasa de difusión atanta fuerza que, de hecho, la producción de este elemen- través de los sólidos es tres veces mayor que la del aire, yto consumió casi todos los neutrones libres en cuestión de alrededor del 65 % de la del hidrógeno.[8]minutos, antes de que dichos núcleos pudieran decaer pordesintegración beta. Esto dejó una cantidad muy pequeñade estas partículas para que se pudiera formar litio, berilioo boro. El enlace nuclear por cada nucleón en el helio-4es más fuerte que en cualquiera de estos tres elementos(véase nucleogénesis y energía de enlace). Por lo tanto,no había ningún mecanismo energético disponible, unavez que se hubo formado el helio, para crear los elemen-tos de número atómico 3, 4 y 5. En términos de energía,también era favorable la fusión del helio para formar el si-guiente elemento en la tabla periódica con menor energíapor nucleón: el carbono. No obstante, debido a la falta deelementos intermedios, este proceso requería la colisióncasi simultánea de tres núcleos de helio-4 (véase procesotriple-alfa), por lo que no hubo suficiente tiempo para queel carbono se formara en el Big Bang: en cuestión de mi-nutos, el universo temprano se enfrió a una temperaturay presión en las cuales la fusión de helio a carbono yano fue posible. Esto ocasionó que el universo tempranoposeyera un cociente hidrógeno/helio muy similar al ob-servado actualmente (en masa, tres partes de hidrógenopor una de helio-4), con casi todos los neutrones del uni-verso —como es el caso hoy en día— atrapados dentrode los núcleos de helio-4.Todos los elementos más pesados —incluyendo aquellos Tubo de descarga lleno de helio, adoptando el símbolo de esteque se necesitan para formar planetas rocosos como la elemento.Tierra y para la existencia de vida basada en el carbono—tuvieron que crearse posteriormente, en estrellas lo sufi- Asimismo es también menos soluble en agua que cual-cientemente calientes para quemar no solo hidrógeno — quier otro gas conocido,[9] y su índice de refracción esdado que esto solamente produce más helio— sino el mis- el más cercano a la unidad de todos los gases.[10] Estemo helio. Dichas estrellas son masivas y, por lo tanto, ra-ras. Lo anterior da lugar al hecho de que todos los elemen-tos químicos, aparte del hidrógeno y el helio, compongan

8.1. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES 53elemento tiene un coeficiente Joule-Thomson negativo a muy baja y una densidad de 0,145 g/mL, que es solo unatemperatura ambiente normal, lo que significa que se ca- cuarta parte del valor predicho por la física clásica.[8] Eslienta cuando se le permite expandirse libremente. So- necesario hacer uso de la mecánica cuántica para explicarlo por debajo de su temperatura de inversión de Joule- esta propiedad y, por tanto, ambos tipos de helio líquidoThomson (de 32 a 50 K a 1 atmósfera) se enfría en la ex- se llaman fluidos cuánticos, lo que significa que muestranpansión libre.[8] Una vez preenfriado debajo de esta tem- propiedades atómicas a escala macroscópica. Esto puedeperatura, el helio puede licuarse mediante el enfriamiento ser un efecto del hecho de que su punto de ebullición estádebido a su expansión. muy cerca del cero absoluto, lo que impide que el movi- miento molecular aleatorio (energía térmica) oculte susLa mayor parte del helio extraterrestre se encuentra en propiedades atómicas.[8]un estado de plasma, con propiedades muy diferentes a lasdel helio atómico. En el plasma, los electrones del helio no Helio IIestán ligados al núcleo, lo que hace que su conductividadeléctrica sea muy alta, aún cuando el gas está solo par-cialmente ionizado. Las partículas cargadas son altamen-te influenciadas por los campos magnéticos y eléctricos.Por ejemplo, en el viento solar, junto con el hidrógeno io-nizado, las partículas interactúan con la magnetosfera dela Tierra, dando lugar a la corriente de Birkeland y a lasauroras.[11]8.1.3 Fases líquida y sólidaA diferencia de cualquier otro elemento, el helio líquido Representación gráfica de la capacidad del Helio II para reptarse mantendrá así hasta el cero absoluto a presiones nor- por la superficie de los cuerpos con los que está en contacto.males. Este es un efecto directo de la mecánica cuántica:en concreto, la energía del punto cero del sistema es de-masiado alta para permitir la congelación. El helio sóli-do requiere una temperatura de 1 a 1,5 K (alrededor de−272 °C o −457 °F) y alrededor de 25 bar (2,5 MPa)de presión.[12] A menudo es difícil distinguir el helio só-lido del líquido ya que el índice de refracción de las dosfases es casi el mismo. El sólido tiene un marcado puntode fusión y estructura cristalina, pero es muy compresi-ble. Aplicar presión en un laboratorio puede reducir suvolumen en más del 30 %.[13] Con un módulo de compre-sibilidad del orden de 50 MPa,[13] es 50 veces más com-presible que el agua. El helio sólido tiene una densidadde 0,214 ± 0,006 g/ml a 1,15 K y 66 atm, la densidadproyectada a 0 K y 25 bar (2,5 MPa) es 0,187 ± 0,009g/ml.[14]Helio I El helio líquido por debajo de su punto lambda muestra características sumamente inusuales, en un estado llama-Por debajo de su punto de ebullición de 4,22 K, y por do helio II. La ebullición del helio II no es posible debidoencima del punto lambda de 2,1768 K, el isótopo helio-4 a su alta conductividad térmica; la entrada de calor causaexiste en un estado normal de líquido incoloro, llamado la evaporación del líquido directamente a gas. El isótopohelio I.[8] Al igual que otros líquidos criogénicos, el helio helio-3 también tiene una fase de superfluido, pero so-I hierve cuando se calienta y se contrae cuando baja su lo a temperaturas mucho más bajas. Como resultado, setemperatura. Por debajo del punto lambda, sin embargo, sabe menos sobre las propiedades de esta fase en dichoesta fase no hierve y se expande a medida que la tempe- isótopo.[8]ratura desciende aún más. El helio II es un superfluido, un estado cuántico de la ma-El helio tiene un índice de refracción similar al de un gas, teria con propiedades extrañas. Por ejemplo, cuando flu-de 1,026, lo que hace que su superficie sea muy difícil ye a través de capilares tan delgados como de 10−7 a 10−8de ver, de tal forma que se suelen utilizar flotadores de m, no tiene viscosidad medible. Sin embargo, cuando sepoliestireno extruido para ver en dónde se encuentra la realizan mediciones entre dos discos en movimiento, sesuperficie.[8] Este líquido incoloro, tiene una viscosidad observa una viscosidad comparable a la del helio gaseo- so. La teoría actual explica este fenómeno utilizando un

54 CAPÍTULO 8. HELIOmodelo de dos fluidos para el helio II. En este modelo, cia de descargas eléctricas o bombardeado con electronesel helio líquido por debajo del punto lambda se considera forma compuestos.que contiene una proporción de átomos de helio en estadobase, que componen el superfluido, y que fluyen con una El helio tiene una valencia cero y no es químicamen-viscosidad exactamente igual a cero; y una proporción de te reactivo bajo condiciones normales.[21] Es un aislanteátomos de helio en un estado excitado, que se comportan eléctrico a menos que esté ionizado. Al igual que los de-más como un fluido ordinario.[15] más gases nobles, tiene niveles de energía metaestables, lo que le permite seguir ionizado en una descarga eléctricaEn el efecto fuente, se construye una cámara que está co- con un voltaje por debajo de su potencial de ionización.[8]nectada a un depósito de helio II por medio de un disco El helio puede formar compuestos inestables, conocidossinterizado a través del cual el helio superfluido pasa fá- como excímeros, con el wolframio, yodo, flúor y fósforo,cilmente, pero aquellos líquidos que no son superfluidos cuando se somete a una descarga eléctrica luminiscente,no pueden. Si se calienta el interior del contenedor, el he- a un bombardeo de electrones, o bien es un plasma porlio deja de ser superfluido. A fin de mantener fracción de otra razón. Los compuestos moleculares HeNe, HgHe10equilibrio de helio superfluido, este se fuga a través del y WHe2, y los iones moleculares He+2, He2+2, HeH+, ydisco y aumenta la presión, haciendo que el líquido salga HeD+ se pueden crear de esta manera.[22] Esta técnicabrotando del recipiente.[16] también ha permitido la producción de la molécula neu- tra He2, que tiene un gran número de sistemas de bandasLa conductividad térmica del helio II es mayor que la de espectrales, y de la molécula HgHe, que aparentementecualquier otra sustancia conocida. Es un millón de veces solo se mantiene unida por fuerzas de polarización.[8] Enmayor que la del helio I y varios cientos de veces la del teoría, otros compuestos reales también son posibles, co-cobre.[8] Esto se debe a que la conducción de calor se pro- mo el fluorohidruro de helio (HHeF), que sería análogoduce por un mecanismo cuántico excepcional. La mayo- al fluorohidruro de argón, descubierto en 2000.[23] Losría de los materiales que son buenos conductores térmicos cálculos indican que dos nuevos compuestos que contie-tienen una banda de electrones de valencia libres que sir- nen un enlace de helio-oxígeno podrían ser estables.[24]ven para transferir el calor. El helio II no tiene banda de Dos nuevas especies moleculares, predichas teóricamen-valencia, pero conduce bien el calor. El flujo de calor se te, CsFHeO y N(CH3)4FHeO, son derivados de un aniónrige por ecuaciones similares a la ecuación de onda uti- metaestable [F-HeO], anticipado en 2005 en forma teó-lizada para caracterizar la propagación del sonido en el rica por un grupo de Taiwán. De confirmarse experimen-aire. Cuando se introduce calor, este se mueve a través talmente, estos compuestos acabarían con la inercia quí-de helio II en forma de ondas a 20 metros por segundo mica del helio, y el único elemento completamente inertea una temperatura de 1,8 K. Este fenómeno es conocido sería el neón.[25]como segundo sonido.[8] El helio ha sido colocado en jaulas moleculares de car-El helio II también presenta un efecto de ascensión. Cuan- bono (los fullerenos) por medio de calentamiento a al-do una superficie se extiende más allá del nivel de helio II, ta presión. Las moléculas de fullereno endohédrico for-este se mueve a lo largo de la superficie, contra la fuerza madas son estables hasta temperaturas altas. Cuando sede gravedad. El líquido se escapará de un contenedor que forman los derivados químicos de estos fullerenos, el he-no esté sellado reptando por las paredes del mismo hasta lio permanece dentro de ellos.[26] Si se utiliza helio-3,que encuentre una región con mayor temperatura donde se puede observar fácilmente por espectroscopia de reso-se evaporará. Este ascenso lo realiza en una película de nancia magnética nuclear.[27] Se han reportado una gran30 nm de espesor, independientemente del material de cantidad de fullerenos que contienen helio-3. Aunque lossuperficie. Esta película se llama película de Rollin y lle- dichos átomos no se encuentran ligados por medio deva el nombre de la primera persona que caracterizó este enlaces covalentes o iónicos, estas sustancias tienen pro-rasgo, Bernard V. Rollin.[8][17][18] Como resultado de este piedades distintas y una composición definida, al igualcomportamiento y de la habilidad del helio II de escapar que todos los compuestos químicos estequiométricos.a través de aberturas pequeñas, es muy difícil mantener aeste fluido confinado. Las ondas que se propagan a través 8.3 Isótoposde una película de Rollin se rigen por la misma ecuaciónde ondas de gravedad en aguas poco profundas, pero en Existen ocho isótopos conocidos del helio, pero tan sololugar de la gravedad, la fuerza de restauración es la fuerza el 3He y el 4He son estables. En la atmósfera terrestre hayde van der Waals.[19] Estas ondas son conocidas como ter- un átomo de ³He por cada millón de átomos de 4He.[28] Acer sonido.[20] diferencia de otros elementos, la abundancia isotópica del helio varía mucho por su origen, debido a los diferentes8.2 Compuestos procesos de formación. El isótopo más común, el 4He, se produce en la Tierra mediante la desintegración alfa deDado que el helio es un gas noble, en la práctica no par- elementos radiactivos más pesados; las partículas alfa queticipa en las reacciones químicas, aunque bajo la influen- aparecen son átomos de 4He completamente ionizado. El

8.4. ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN 55- + de unos pocos milikelvin. + Es posible producir isótopos exóticos de helio, los cuales rápidamente se descomponen en otras sustancias. El isó- topo pesado de menor duración es el 5He, con un periodo de semidesintegración de 7.6×10–22 segundos. El 6He se descompone emitiendo una partícula beta y su periodo de - desintegración es de 0,8 segundos. El 7He también emite partículas beta así como rayos gamma. Tanto el 7He y el 8He se crean mediante algunas reacciones nucleares.[8] El 6He y el 8He son conocidos por tener un halo nuclear. El ²He (que consiste en dos protones y ningún neutrón) es un radioisótopo que se desintegra en protio (hidrógeno) por medio de emisión de protones, con un periodo de de- sintegración de 3×10–27 segundos.[8]Representación esquemática de un átomo de 4He. 8.4 Abundancia y obtención4He tiene un núcleo inusualmente estable debido a que sus 8.4.1 Abundancia naturalnucleones están ordenados en capas completas. Además,este isótopo se formó en grandes cantidades durante la El helio es el segundo elemento más abundante delnucleosíntesis primordial en el Big Bang.[29] universo conocido tras el hidrógeno y constituye alrede- dor del 23 % de la masa bariónica del universo.[28] La ma-El ³He está presente hoy en día en la tierra tan solo en yor parte del helio se formó durante la nucleosíntesis deltrazas (la mayoría data desde la formación de la Tierra), Big Bang, en los tres primeros minutos después de este.aunque algo de este cae a la Tierra al ser atrapado en el De esta forma, la medición de su abundancia contribuyepolvo cósmico.[30] Algunos rastros también son produ- a los modelos cosmológicos. En las estrellas, el helio secidos mediante la desintegración beta del tritio.[31] Al- forma por la fusión nuclear del hidrógeno en reaccionesgunas rocas de la corteza terrestre tienen distintas pro- en cadena protón-protón y en el ciclo CNO, los cualesporciones de isótopos que varían hasta un factor de diez. forman parte de la nucleosíntesis estelar.[29]Estas proporciones pueden usarse para investigar el ori-gen de las rocas así como la composición del manto te- En la atmósfera terrestre la concentración de helio porrrestre.[30] El ³He es mucho más abundante en las estre- volumen es de tan solo 5,2 partes por millón.[36][37] Lallas como producto de la fusión nuclear. Por consiguien- concentración es baja y prácticamente constante a pesarte, en el medio interestelar, la proporción de ³He y 4He de la continua producción de nuevo helio, debido a que laes alrededor de 100 veces más grande que la que hay en mayor parte del helio en la atmósfera se escapa al espa-la Tierra.[32] El material extraplanetario, como regolitos cio debido a distintos procesos.[38][39] En la heterosferade asteroides y lunares, tiene trazas de ³He producto del terrestre, una parte de la atmósfera superior, el helio ybombardeo de los vientos solares contra ellos. La super- otros gases ligeros son los elementos más abundantes.ficie de la Luna tiene concentraciones de ³He de alrede-dor de 0,01 ppm.[33][34] Algunas personas, principalmen- Casi todo el helio presente en la Tierra es el resultadote Gerald Kulcinski en 1986,[35] han propuesto explorar de la desintegración radiactiva, y por tanto, un globo dela Luna, excavar los regolitos lunares, y utilizar el ³He helio terrestre es, en esencia, una bolsa de partículas al-para fusión nuclear. fa expelidas por este proceso. El helio se encuentra en grandes cantidades en minerales de uranio y torio, inclu-El 4He líquido puede ser enfriado hasta 1 kelvin utili- yendo cleveíta, pechblenda, carnotita y monacita, ya quezando enfriamiento por evaporación en recipientes en los estos emiten partículas alfa (núcleos de helio, He2+) y losque se puede alcanzar y mantener estas temperaturas. Un electrones se combinan de inmediato con ellas, tan pron-enfriamiento similar para el helio-3, que tiene un punto to como las partículas son detenida por la roca. De estade ebullición más bajo, se puede alcanzar alrededor de manera, se estima que unas 3.000 toneladas de helio selos 0,2 K en un refrigerador de helio-3. Las mezclas que generan al año en toda la litosfera.[40][41][42] En la cortezacontienen la misma proporción de helio-3 y helio-4 a una terrestre, la concentración de helio es de 8 partes por miltemperatura por debajo de 0,8 K se separan en dos fa- millones. En el mar, la concentración es de solo 4 partesses no miscibles debido a su incompatibilidad (cada una por billón. También hay pequeñas cantidades en manan-obedece a una estadística cuántica diferente: los átomos tiales de aguas minerales, gas volcánico, y hierro meteó-de helio-4 son bosones mientras que los átomos de helio-3 rico. Debido a que el helio es atrapado de manera similarson fermiones).[8] Los refrigeradores de dilución usan es- al gas natural por una capa impermeable de roca, las ma-ta imposibilidad de mezclado para alcanzar temperaturas yores concentraciones de este elemento en el planeta se

56 CAPÍTULO 8. HELIOencuentran en el gas natural, de donde se extrae la mayor les de helio se podrían satisfacer reinstrumentando todasparte del helio comercial. La concentración varía en una las plantas de destilación de aire. El helio puede ser sinte-amplia gama de unas pocas ppm hasta más del 7 % en un tizado por medio del bombardeo de litio o boro utilizandopequeño campo de gas en el condado de San Juan, Nuevo protones de alta velocidad. Sin embargo, este método deMéxico.[43][44] producción es totalmente inviable económicamente.[51]8.4.2 Extracción moderna 8.4.3 Agotamiento en los suministros de helioPara su uso a gran escala, se extrae por destilación frac-cionada a partir del gas natural, que contiene hasta un 7 Las reservas actuales de helio se están utilizando mucho% de helio.[45] Al tener un punto de ebullición más bajo más rápido de lo que este elemento se puede reponer. Da-que cualquier otro elemento, se utilizan bajas temperatu- da esta situación, hay grandes preocupaciones de que elras y altas presiones para licuar casi todos los demás gases suministro de helio pueda agotarse pronto. En las reser-(principalmente nitrógeno y metano). El helio crudo re- vas más grandes del mundo, en Amarillo, Texas, se esperasultante se purifica por medio de exposiciones sucesivas que este gas se agote en ocho años contando desde 2008.a temperaturas bajas, en la que casi todo el nitrógeno y Esto podría prevenirse si los actuales usuarios captura-los otros gases restantes se precipitan fuera de la mezcla sen y reciclasen el gas y si las compañías de petróleo ygaseosa.[8] Como una fase de purificación final, se utiliza gas natural hiciesen uso de técnicas de captura de helio alcarbón activado, lo que da como resultado helio grado A, extraerlos.[52][53]con una pureza del 99,995 %.[8] La principal impurezaen el helio grado A es el neón. En la fase final de la pro- 8.5 Aplicacionesducción, la mayoría del helio que se produce es licuadopor medio de un proceso criogénico. Esto es necesario El helio es más ligero que el aire y a diferencia delpara aplicaciones que requieren helio líquido y también hidrógeno no es inflamable, siendo además su poder as-permite a los proveedores de helio reducir el costo en el censional un 8 % menor que el de este, por lo que se em-transporte a larga distancia, dado que la mayoría de los plea como gas de relleno en globos y zepelines publicita-contenedores de helio líquido tienen una capacidad cinco rios, de investigación atmosférica e incluso para realizarveces mayor que la de los camiones cisterna que traspor- reconocimientos militares.tan helio gaseoso.[46][47] Aún siendo la anterior la principal, el helio tiene más apli-En 2008, alrededor de 169 millones de metros cúbicos caciones:estándar (SCM, por sus siglas en inglés, definidos comoun metro cúbico a una presión de 1 atm y a una tempe- • Las mezclas de helio-oxígeno se emplean en la in-ratura de 15 °C) de helio se extrajeron a partir del gas mersión a gran profundidad, ya que el helio es iner-natural o de reservas de helio. De estos, aproximadamen- te, menos soluble en la sangre que el nitrógeno y sete el 78 % provinieron de los Estados Unidos, el 10 % difunde 2,5 veces más deprisa que este, todo lo cualde Argelia, y del resto la mayor parte fueron extraídos reduce el tiempo requerido para la descompresión.en Rusia, Polonia y Catar.[48] En los Estados Unidos, la Sin embargo, esta última debe comenzar a mayormayor parte del helio se extrae a partir del gas natural profundidad, disminuyendo el riesgo de narcosisde los campos de Hugoton y otros cercanos en Kansas, (“borrachera de las profundidades”).Oklahoma y Texas.[49] En 2000, los Estados Unidos te-nían reservas de helio en complejos de pozos, de alrede- • Por su bajo punto de licuefacción y evaporacióndor de 4,2× 109 SCM. Esta cantidad es suficiente para puede utilizarse como refrigerante en aplicaciones aunos 25 años de uso mundial, o de 35 años de consumo temperatura extremadamente baja, como en imanesde Estados Unidos, aunque se espera que factores en el superconductores e investigación criogénica a tem-ahorro y el procesamiento impacten los números efecti- peraturas próximas al cero absoluto.vos de las reservas. Se estima que las reservas básicas dehelio aún no probadas que se pudieran obtener a partir de • En cromatografía de gases se usa como gas portadorgas natural en los Estados Unidos son de 3,1 a 5,3×1013 inerte.SCM, o aproximadamente cuatro órdenes de magnitudmayor que las reservas probadas.[50] • La atmósfera inerte de helio se emplea en la soldadura por arco y en la fabricación de cristalesEl helio se debe extraer principalmente del gas natural, de silicio y germanio, así como para presurizar com-debido a que su presencia en el aire es solo una fracción bustibles líquidos de cohetes.comparada con la de la del neón, y sin embargo, su de-manda es mucho mayor. Se estima que si toda la produc- • En túneles de viento supersónicos.ción de neón se reinstrumentara para ahorrar helio, se sa-tisfarían un 0,1 % de las demandas mundiales de helio. • Como agente refrigerante en reactores nucleares.Igualmente, solamente un 1 % de las demandas mundia-

8.5. APLICACIONES 57 • El helio líquido encuentra cada vez mayor uso en helio un gas bastante ligero, se moviliza más rápido por las aplicaciones médicas de la imagen por resonancia los espacios, produciendo que las cuerdas vocales se mue- magnética (RMI). van a mayor velocidad, provocando una onda sonora más veloz, y por tanto, más aguda. Sin embargo, la inhalación • Se utiliza en equipos láser como uno de los gases proveniente de una fuente comercial típica, como las uti- más comunes, principalmente la mezcla helio-neón. lizadas para rellenar globos, puede ser peligrosa debido al riesgo de asfixia por falta de oxígeno y al número de con-De la producción mundial total de helio en 2008, de 32 taminantes que pueden estar presentes. Entre estos pue-millones de kg, su mayor uso (alrededor del 22 % del to- den estar incluidas trazas de otros gases, además de aceitetal en 2008) fue en aplicaciones criogénicas. De estas la lubricante en aerosol. No obstante, al tratarse de produc-mayoría fueron en medicina en el enfriamiento de ima- tos infantiles, existen mecanismos que exigen garantizarnes superconductores en escáneres de resonancia magné- la no toxicidad del gas, como superar la “Conformidadtica.[54] Otros usos importantes (un total de cerca de 78 Europea” (marcado CE) obligatorio en juguetes y deri-% de su uso en 1996) fueron en los sistemas de presu- vados similares en el mercado europeo, para garantizarrización y saneamiento, el mantenimiento de atmósferas la seguridad del público infantil.controladas y la soldadura.[55] Por su baja solubilidad en el tejido nervioso, las mezclasEl helio se utiliza para muchos propósitos que requieren de helio, como trimix, heliox y Heliair se utilizan paraalgunas de sus propiedades únicas, tales como su bajo el buceo de profundidad para reducir los efectos de lapunto de ebullición, baja densidad, baja solubilidad, al- narcosis.[57][58] A profundidades por debajo de 150 me-ta conductividad térmica, o su baja reactividad química. tros, se agregan pequeñas cantidades de hidrógeno a laAsimismo, está disponible comercialmente tanto en for- mezcla de helio-oxígeno para contrarrestar los efectos delma líquida como gaseosa. Como líquido, puede ser sumi- síndrome nervioso de alta presión.[59] A estas profundi-nistrado en recipientes pequeños llamados frascos de De- dades se ha descubierto que la baja densidad del heliowar que permiten almacenar hasta 1.000 litros de helio, reduce considerablemente el esfuerzo en la respiración.o en los contenedores ISO de gran tamaño que tienen unacapacidad nominal de hasta 42 m³. En forma gaseosa, se Los láseres de helio-neón tienen varias aplicaciones, in-suministran pequeñas cantidades en cilindros de alta pre- cluyendo lectores de código de barras.sión que pueden contener un volumen equivalente a 8 m³estándar, mientras que grandes cantidades de gas a alta Detección de fugas industrialespresión son suministradas en camiones cisterna que tie-nen una capacidad que equivale 4.860 m³ estándar. Estoes debido a que el volumen del gas se reduce enormemen-te al ser sometido a altas presiones.Dirigibles, globos y cohetesDebido a que el helio es más ligero que el aire, los di- Una máquina en una cámara de pruebas para la detección derigibles y globos son inflados con este gas para elevar- fugas.los. Mientras que el hidrógeno experimenta una fuerza deempuje aproximadamente un 7 % mayor, el helio tiene la Una de las aplicaciones industriales del helio es la detec-ventaja de no ser inflamable (además de ser retardante del ción de fugas. Debido a que se difunde a través de sólidosfuego). En la industria espacial, se utiliza como un medio a una tasa tres veces mayor que la del aire, se utiliza co-de llenado para desplazar a los combustibles y oxidantes mo gas indicador para detectar fugas en el equipo de altoen los tanques de almacenamiento, y para condensar el vacío y recipientes a alta presión.[60]hidrógeno y el oxígeno a fin de producir combustible paracohetes. También se utiliza para depurar el combustible La tasa de fugas en recipientes industriales (generalmentey el oxidante de los equipos de apoyo en tierra antes del cámaras de vacío y tanques criogénicos) se mide hacien-lanzamiento, así como para preenfriar el hidrógeno líqui- do uso del helio, debido a su diámetro molecular pequeñodo en vehículos espaciales. Por ejemplo, el propulsor del y a su condición de gas inerte. Todavía no se conoce otraSaturno V utilizado en el Programa Apolo necesitó cerca sustancia inerte que se pueda filtrar a través de micro-de 370.000 m³ de helio para poner en marcha el cohete. fisuras o microporos en la pared de un contenedor a un ritmo mayor que el helio. Para encontrar fugas en con-Comercial y recreacional tenedores se utiliza un detector de fugas de helio (véaseEl helio es menos denso que el aire atmosférico, por loque cambia el timbre (mas no la altura) de la voz de unapersona cuando se inhala.[56] Esto se debe a que, al ser el

58 CAPÍTULO 8. HELIOespectrómetro de masas). Las fugas de helio a través de Hoy en día se utiliza helio líquido para refrigerar los imanes su-grietas no deben confundirse con la penetración de gas perconductores en los escáneres de resonancia magnética.a través de un material masivo. A pesar de que se handocumentado constantes de permeabilidad para el helio puede estimarse la edad de las rocas y minerales que con-a través de vidrios, cerámicas y materiales sintéticos, los tienen Uranio y Torio.gases inertes como el helio no se pueden permear a tra-vés de la mayoría de los metales masivos.[61] Si se nece- El helio líquido se utiliza para enfriar ciertos metales —sita conocer la tasa de fuga total del producto que se está por ejemplo, los imanes superconductores utilizados en laprobando (por ejemplo en bombas de calor o sistemas de tomografía por resonancia magnética— a temperaturasaire acondicionado), el objeto se coloca en una cámara extremadamente bajas, las cuales son necesarias para lade prueba, el aire dentro de ella se extrae con bombas de superconductividad. El Gran Colisionador de Hadronesvacío y el producto es rellenado con helio a una presión del CERN usa 96 toneladas de helio líquido para mante-específica. El helio que se escapa a través de las fugas es ner la temperatura a 1,9 K.[69] El helio a baja temperatu-detectado por un espectrómetro de masas aún a tasas de ra, también se usa en criogenia.fuga de hasta 10 −20 Pa·m³/s. El procedimiento de me-dición es normalmente automático, y se conoce «como El helio es un gas portador comúnmente utilizado en laprueba integral de helio». En una prueba más sencilla, cromatografía de gases.el producto se llena de helio y un operador busca ma-nualmente la fuga con un dispositivo llamado sniffer (delinglés «olfateador»).[62]Uso científicoPor su ausencia de reactividad y alta conductividad tér-mica, su transparencia a los neutrones, y debido a que noforma isótopos radiactivos en condiciones de reactor, seutiliza como medio de transmisión de calor en algunosreactores nucleares enfriados por gas.[60] Otra de sus uti-lidades consiste en usarlo como gas de protección en losprocesos de soldadura por arco en materiales que se con-taminan con facilidad por vía aérea.Debido a que es inerte, se utiliza como gas protector 8.6 Historiaen el crecimiento de cristales de silicio y germanio enla producción de titanio y circonio, además de en la 8.6.1 Descubrimiento científicocromatografía de gases. Por esta misma razón, por su con-ductividad térmica y por la alta velocidad del sonido den-tro de él, su naturaleza como gas ideal y el alto valor desu coeficiente de expansión adiabática, también es útil entúneles de viento supersónicos y en instalaciones de prue-ba donde se requiere una liberación súbita de la energíadel gas.[63][64]El helio, mezclado con un gas más pesado, como el xenón, Líneas espectrales del helio.es útil para la refrigeración termoacústica debido al ele-vado coeficiente de expansión adiabática resultante y su La primera evidencia de la existencia del helio se obser-bajo número de Prandtl.[65] El comportamiento inerte del vó el 18 de agosto de 1868 como una línea brillante dehelio tiene ventajas ambientales con respecto a los siste- color amarillo con una longitud de 587,49 nanómetros enmas de refrigeración convencionales, que contribuyen al el espectro de la cromosfera del Sol. La línea fue detec-agotamiento de la capa de ozono o al calentamiento glo- tada por el astrónomo francés Pierre Janssen durante unbal.[66] eclipse solar total en Guntur, India.[70] En un principio se pensó que esta línea era producida por el sodio. El 20 deEl uso del helio reduce los efectos de distorsión que pro- octubre del mismo año, el astrónomo inglés Joseph Nor-vocan las variaciones de temperatura en el espacio en las man Lockyer observó una línea amarilla en el espectrolentes de algunos telescopios, debido a su bajo índice de solar, a la cual nombró como la línea de Fraunhofer D3refracción. Este método es utilizado especialmente en te- porque estaba cerca de las líneas de sodio D1 y D2 yalescopios solares, en los cuales un tubo de vacío fuerte- conocidas.[8] Lockyer llegó a la conclusión de que dichamente sellado resultaría demasiado pesado.[67][68] línea era causada por un elemento existente en el Sol peroMediante un proceso conocido como datación por helio,

8.6. HISTORIA 59desconocido en la Tierra. Eduard Frankland confirmó losresultados de Janssen y propuso el nombre helium para elnuevo elemento, en honor al dios griego del sol ( Ἥλιος,Helios), con el sufijo -ium ya que se esperaba que el nuevoelemento fuera metálico.[71][72][73]En 1882, el físico italiano Luigi Palmieri detectó helio en Un recipiente de gas lleno con helio.la Tierra por primera vez, a través de su línea espectralD3, cuando analizó la lava del monte Vesubio.[74] 8.6.2 Extracción y usoEl 26 de marzo de 1895 Sir William Ramsay aisló el helio Después de que una operación de perforación de petró-al tratar la cleveíta (una variedad de la uranita que con- leo en 1903 en Dexter, Kansas, produjera un géiser de gastiene por lo menos un 10 % de tierras raras) con ácidos que no se podía quemar, el geólogo Erasmus Haworth re-minerales. Ramsey en realidad buscaba argón, pero des- cogió muestras de los gases que emanaban y se las llevópués de separar el nitrógeno y el oxígeno del gas liberado a la Universidad de Kansas en Lawrence, donde, con lapor el ácido sulfúrico, notó una brillante línea amarilla ayuda de los químicos Hamilton Cady y David McFar-que coincidía con la línea D3 observada en el espectro land, descubrió que el gas consistía, en volumen, de 72solar.[8][75][76][77] Las muestras fueron identificadas co- % de nitrógeno, 15 % de metano (un porcentaje que semo helio por Lockyer y el físico británico William Croo- puede quemar únicamente con suficiente oxígeno), 1 %kes. Además fue aislado de la cleveíta el mismo año in- de hidrógeno, y 12 % de un gas no identificado.[84] En undependientemente por los químicos Per Teodor Cleve y análisis posterior, Cady y McFarland descubrieron que elAbraham Langlet en Upsala (Suecia), quienes pudieron 1,84 % de la muestra de gas era helio.[85][86] Esto demos-obtener suficiente cantidad del gas para determinar acer- tró que a pesar de su rareza global en la Tierra, el heliotadamente su peso atómico.[28][78][79] El helio también estaba concentrado en grandes cantidades debajo de lasfue aislado por el geoquímico estadounidense William Grandes Llanuras de Estados Unidos, disponible para suFrancis Hillebrand, aunque este atribuyó las líneas al ni- extracción como un subproducto del gas natural.[87] Lastrógeno. mayores reservas de helio se encontraban en los campos de gas del suroeste de Kansas, de Texas y Oklahoma.En 1907 Ernest Rutherford y Thomas Royds demostra-ron que las partículas alfa son núcleos de helio, al permitir Esto permitió a los Estados Unidos convertirse en el prin-a las partículas penetrar una delgada pared de un tubo de cipal productor de helio en el mundo. Siguiendo una su-vidrio al vacío y después creando una descarga eléctrica gerencia de Sir Richard Threlfall, la marina de este paísdentro del mismo para estudiar el espectro del gas. En patrocinó tres pequeñas plantas experimentales de pro-1908 el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes produ- ducción de helio durante la Primera Guerra Mundial. Eljo helio líquido por primera vez enfriando el gas hasta objetivo era proporcionar a los globos de defensa un gas0,9 K,[80] lo que le hizo merecedor del premio Nobel. Él no inflamable más ligero que el aire. Con este programatrató asimismo de solidificar el helio reduciendo su tem- se produjeron un total de 5.700 m³ de helio al 92 %, a pe-peratura, aunque no lo logró debido a que este elemento sar de que previamente solo se había obtenido menos decarece de un punto triple, temperatura a la cual las fases un metro cúbico de gas. Parte de él se utilizó en la primerasólida, líquida y gaseosa existen en equilibrio. En 1926 su aeronave inflada con helio de la Marina estadounidense,discípulo Willem Hendrik Keesom logró por vez primera que hizo su primer viaje de Hampton Roads, Virginia, asolidificar 1 cm³ helio.[81] Bolling Field en Washington D. C., el 1 de diciembre de 1921.[88]En 1938, el físico ruso Pyotr Leonidovich Kapitsa des-cubrió que el helio-4 casi no tiene viscosidad a tempe-raturas cercanas al cero absoluto, un fenómeno que aho-ra se llama superfluidez.[82] Este fenómeno está relacio-nado con la condensación de Bose-Einstein. En 1972, elmismo fenómeno se observó en el helio-3, pero a tem-peraturas mucho más cerca del cero absoluto, por losfísicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M.Lee y Robert C. Richardson. Se cree que en el helio-3el fenómeno está relacionado con la creación de pares defermiones de este isótopo, de tal manera que se formanbosones, en analogía a los pares de Cooper que producenla superconductividad.[83] Aunque el proceso de extracción usando licuefacción de gas a baja temperatura no se desarrolló a tiempo para ser

60 CAPÍTULO 8. HELIOrelevante durante la Primera Guerra Mundial, la produc- Catar y la otra en Skikda, Argelia. Sin embargo a prin-ción continuó. El helio se utilizó principalmente como cipios de 2007, Ras laffen estaba funcionando al 50 %,un gas de elevación en aeronaves más ligeras que el ai- y Skikda aún no había sido puesta en marcha. Argeliare. La demanda para este uso, así como para la soldadura se convirtió rápidamente en el segundo principal produc-por arco fue mayor durante la Segunda Guerra Mundial. tor de helio.[46] A través de este tiempo, tanto el con-El espectrómetro de masas de helio también fue vital en sumo de helio, como los costos de producción de heliola bomba atómica desarrollada por el Proyecto Manhat- aumentaron.[95] Entre 2002 y 2007 el precio del helio setan.[89] duplicó, y solo en 2008 los principales proveedores au- mentaron sus precios en un 50 %.[96]El gobierno de los Estados Unidos creó la Reserva Nacio-nal de helio en 1925 en Amarillo, Texas, con el objetivo 8.7 Precaucionesde suministrárselo a las aeronaves militares en tiempo deguerra, y a las aeronaves comerciales en tiempos de paz. El helio neutro en condiciones normales no es tóxico, noDebido a un embargo militar de Estados Unidos contra juega ningún papel biológico y se encuentra en trazas enAlemania en el que el suministro de helio quedó restrin- la sangre humana. Si se inhala suficiente helio de formagido, el LZ-129 Hindenburg se vio obligado a utilizar el tal que remplace al oxígeno necesario para la respiración,hidrógeno como gas elevador. El uso de helio después de puede generar asfixia. Las precauciones que se deben dela Segunda Guerra Mundial se redujo, pero las reservas tomar para el helio usado en criogenia son similares a lasse ampliaron en la década de 1950 para garantizar su su- del nitrógeno líquido. Su temperatura extremadamenteministro en forma líquida como refrigerante para crear baja puede causar quemaduras por congelación y la tasacombustible de hidrógeno y oxígeno (entre otros usos) de expansión de líquido a gas puede causar explosiones sipara los cohetes durante la carrera espacial y la Guerra no se utilizan mecanismos de liberación de presión.Fría. El uso de helio en los Estados Unidos en 1965 fuede más de ocho veces el consumo máximo en tiempo de Los depósitos de helio gaseoso a temperaturas de 5 a 10guerra.[90] K deben almacenarse como si contuvieran helio líquido debido al gran incremento de presión y a la significativaLa Oficina de Minas de Estados Unidos dispuso de cinco dilatación térmica que se produce al calentar el gas des-plantas privadas para recuperar helio a partir del gas natu- de una temperatura a menos de 10 K hasta temperaturaral. Para este programa de conservación de helio, la Ofi- ambiente.[21]cina construyó 684 km de tuberías desde Bushton, Kan-sas para conectarlas con las plantas del Gobierno parcial- 8.8 Efectos biológicosmente agotadas en el campo de gas de Cliffside, cercade Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio y nitrógeno fue La velocidad del sonido en el helio es casi tres veces lainyectada y almacenada en el campo de gas de Cliffsi- velocidad del sonido en el aire. Debido a la frecuenciade hasta que se necesitara, y hasta que fuera purificada fundamental de una cavidad llena de gas es proporcio-posteriormente.[91] nal a la velocidad del sonido en el gas. Si se inhala he- lio se produce un aumento correspondiente en las altu-Para 1995 se habían almacenado cerca de mil millones de ras de las frecuencias de resonancia de las cuerdas voca-metros cúbicos de gas, y las reservas constituían una deu- les.[97] (El efecto contrario, la reducción de frecuencias,da de 1.400 millones de dólares, lo que en 1996 obligó se puede obtener por la inhalación de un gas denso comoal Congreso de los Estados Unidos a eliminarlas. El he- el hexafluoruro de azufre).lio producido entre 1930 y 1945 tenía aproximadamen-te un 98,3 % de pureza (con un 2 % de nitrógeno), lo Su inhalación puede ser peligrosa si se hace en exceso,cual fue suficiente para llenar los dirigibles. En 1945, se ya que es un gas asfixiante y desplaza al oxígeno necesa-usó una pequeña cantidad de helio a 99,9 %, para ha- rio para la respiración normal.[98] La respiración de heliocer soldaduras.[92] Para 1949 había disponibles cantida- puro continua, causa la muerte por asfixia en pocos mi-des comerciales de helio grado A al 99,9 %. nutos. La inhalación de helio directamente de cilindros a presión es extremadamente peligrosa, ya que la alta velo-Durante muchos años, los Estados Unidos han produci- cidad de flujo puede resultar en la ruptura de los tejidosdo más del 90 % de helio que puede utilizarse comer- pulmonares.[98][99] Sin embargo, la muerte causada por elcialmente en el mundo, mientras que las plantas de ex- helio es muy rara, en los Estados Unidos solo se registra-tracción en Canadá, Polonia, Rusia y otros países produ- ron dos fallecimientos entre 2000 y 2004.[99]cen el resto.[93] A mediados de la década de 1990, unanueva planta en Arzew, Argelia entró en funcionamiento A altas presiones (más de 20 atm o dos MPa), una mezclay produjo 17 millones de metros cúbicos de helio, con de helio y oxígeno (heliox) puede conducir al síndromeuna producción suficiente para cubrir toda la demanda de alta presión nerviosa; una especie de efecto anestésicode Europa. Mientras tanto, en 2000, el consumo de he- inverso. Añadiendo una pequeña cantidad de nitrógeno alio dentro de los Estados Unidos había aumentado a másde 15 millones de kg por año.[94] Entre 2004 y 2006, seconstruyeron dos plantas adicionales, una en Ras laffen,

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Capítulo 9DeuterioEl deuterio (del griego Δεύτερος segundo), cuyo sím-bolo es ²H, es un isótopo estable del hidrógeno que seencuentra en la naturaleza con una abundancia del 0,015% átomos de hidrógeno (uno de cada 6500). El núcleodel deuterio está formado por un protón y un neutrón (elhidrógeno tiene solamente un protón). Cuando el isótopopierde su electrón el ion resultante recibe el nombre dedeuterón.El deuterio también recibe el nombre de hidrógeno pe- Representación 3D animada de un deuterio. Hay que tener ensado. Se puede nombrar como ²H o como D. Aunque no cuenta que la órbita del electrón se trata sólo de una represen-es un elemento diferenciado en el sentido estricto (es hi- tación artística, pues en realidad es una onda descrita por unadrógeno), la diferenciación entre las propiedades de los función de probabilidad. Además se ha exagerado el tamaño re-isótopos es tanto más acusada cuanto más ligero sea el lativo del núcleo.elemento químico al que pertenecen. En el caso del deu-terio las diferencias son máximas ya que tiene el doble de diar reacciones químicas y cambios metabólicos, debi-masa atómica que el hidrógeno. do a que químicamente se comporta semejantemente al hidrógeno ordinario, pero puede ser distinguido del hi-El deuterio fue detectado en 1931 por Harold Clayton drógeno ordinario por su masa, usando espectrometría deUrey, un químico de la Universidad de Columbia. Urey masa o espectrometría infrarroja.ganó, en 1934, el Premio Nobel de química por este tra-bajo. 9.2 AntideuterioLa existencia del deuterio en la tierra, otras partes del Sis- El antideuterio es la antipartícula del deuterio. Estátema Solar (según lo confirmado por las sondas planeta- compuesto por un antiprotón y un antineutrón en elrias), y en los espectros de estrellas, es un dato importante núcleo y un positrón ligado a este, de la misma formaen cosmología. La fusión estelar destruye el deuterio y no en que lo está el electrón en el átomo de deuterio. El áto-hay procesos de creación naturales conocidos con excep- mo completo todavía no ha sido creado, pero sí su núcleoción de la nucleosíntesis primordial, que pudo haber pro- (antiprotón y antineutrón), producido por primera vez enducido el deuterio en una abundancia cercana a la natural 1965 en el Proton Synchrotron del CERN CERN[1] y enobservada en este elemento. Esta abundancia parece ser el National Laboratory de Brookhaven.[2]una fracción muy similar a la del hidrógeno, dondequieraque se encuentre este. Así, la existencia del deuterio esuna de las discusiones a favor de la teoría del Big Bang envez de la teoría del estado estacionario del universo.El deuterio combinado con el oxígeno forma agua pesada.9.1 Aplicaciones del deuterioEl deuterio es útil en los procesos de fusión nuclear junto 9.3 Véase tambiéncon el tritio debido a la gran sección eficaz de la reacción.También se experimenta con él en otras reacciones como • Agua pesadala deuterio + deuterio o deuterio + helio-3. • Fusión nuclearEn química y bioquímica, el deuterio se utiliza como tra-zalíneas isotópico no radiactivo en moléculas para estu- 65

66 CAPÍTULO 9. DEUTERIO• Hidrógeno• Isótopo• Lámpara de deuterio• Tritio[1] Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. (1965). «Experimental obser- vation of antideuteron production». Il Nuovo Ci- mento 39: 10-14. Bibcode:1965NCimS..39...10M. doi:10.1007/BF02814251.[2] Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. (junio de 1965). «Observa- tion of Antideuterons». Phys. Rev. Lett. 14 (24): 1003-1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003.

Capítulo 10TritioEl tritio es un isótopo natural del hidrógeno; es radiac- radiactiva.[3][4] Willard Frank Libby descubrió que el tri-tivo. Su símbolo es ³H. Su núcleo consta de un protón y tio se podría utilizar para la datación del agua, y, por lodos neutrones. Tiene un periodo de semidesintegración tanto, del vino.[5]de 12,3 años. El tritio se produce por bombardeo conneutrones libres de blancos de litio, boro o nitrógeno. Su 10.2 Véase tambiénproducto de desintegración es ³He+1 • IsótopoAl tener su núcleo tres nucleones que participan en la • Hidrógeno-1interacción fuerte, y sólo un protón cargado eléctricamen- • Hidrógenote, con el tritio se puede realizar la fusión nuclear más • Deuteriofácilmente que con el isótopo más común del hidrógeno • Fusión nuclear(hidrógeno-1).El tritio (hidrógeno-3) es producido naturalmente por laacción de los rayos cósmicos sobre los gases atmosféri-cos. También puede ser obtenido artificialmente en el la-boratorio.A medida que el núcleo del tritio se transmuta, emite un 10.3 Notaselectrón, causando una liberación de energía en forma deradiación beta. Se forma entonces un nuevo núcleo con [1] Oliphant, M. L.; Harteck, P.; Rutherford (1934).dos protones y un neutrón, de forma tal que se convierte «Transmutation Effects observed with Heavy Hydrogen».en una forma no radiactiva de helio (helio-3). Nature 133 (3359): 413. Bibcode:1934Natur.133..413O. doi:10.1038/133413a0.El tritio produce emisiones beta de baja energía y no emi-te ningún otro tipo de radiación primaria. De hecho, el [2] Oliphant, M. L. E.; Harteck, P.; Rutherford, L.tritio emite el nivel más bajo de energía por radiación (1934). «Transmutation Effects Observed with Heavybeta de todos los isótopos (en la práctica implica que sus Hydrogen». Proceedings of the Royal Society A:partículas beta son fácilmente detenidas por finas capas Mathematical, Physical and Engineering Sciencesde cualquier material sólido). 144 (853): 692. Bibcode:1934RSPSA.144..692O. doi:10.1098/rspa.1934.0077.Se espera que a medio o largo plazo la tecnología logrefusionar de forma controlada tritio y deuterio. Esta fuente [3] Alvarez, Luis; Cornog, Robert (1939). «He-de energía, al contrario que la nuclear actual, sería limpia lium and Hydrogen of Mass 3». Physical Re-e inagotable, pues el deuterio está presente en el agua de view 56 (6): 613. Bibcode:1939PhRv...56..613A.mar y el tritio se produce con litio, que también es muy doi:10.1103/PhysRev.56.613.abundante en la corteza terrestre. El producto de la fusiónde ambos elementos es el helio, que no es radiactivo. [4] Alvarez, Luis W; Peter Trower, W (1987). Discovering Al- varez: selected works of Luis W. Alvarez, with commentary10.1 Historia by his students and colleagues. pp. 26-30. ISBN 978-0- 226-81304-2.El tritio fue producido por primera vez en 1934 a par- [5] Kaufman, Sheldon; Libby, W. (1954). «The Na-tir del deuterio, otro isótopo del hidrógeno, por Ernest tural Distribution of Tritium». Physical ReviewRutherford, trabajando con Mark Oliphant y Paul Har- 93 (6): 1337. Bibcode:1954PhRv...93.1337K.teck.[1][2] Rutherford fue incapaz de aislar el tritio, un doi:10.1103/PhysRev.93.1337.trabajo que hicieron Luis Walter Alvarez y Robert Cor-nog, que dedujeron correctamente que la sustancia era 67

Capítulo 11Helio-3El helio-3, He-3, o 3He es un isótopo ligero del ele- Se cree que puede encontrarse en abundancia en la super-mento químico helio. Es estable y no es radiactivo. El ficie de la Luna, incrustado en la capa superior de regolito,helión, núcleo del átomo de helio-3, está constituido por acumulado allí por el viento solar durante millones dedos protones y un solo neutrón, en contraste con el helio años como consecuencia de la ausencia de atmósfera en laordinario (helio-4), que tiene dos neutrones. De acuerdo luna. Puede encontrarse también en los gigantes gaseososa CODATA, la masa de un helión es 5,006 411 92(0) × del Sistema Solar (restos de la nebulosa protosolar origi-10–27 kg. nal).11.1 Producción y aplicaciones 11.3 Enlaces externosEl helio-3 se puede producir a partir de la desintegración • La visibilidad de los fenómenos cuánticos (Periódicoradiactiva del tritio, que a su vez se produce por bombar- “El País”)deo con neutrones de blancos de litio, boro o nitrógeno. • Nobel de Física para los 'padres’ de la superconduc-Además de aplicaciones en fusión nuclear, el helio-3 tividad (Periódico “El Mundo”)también se utiliza en instrumentación para investigar ladispersión de neutrones y como componente en detecto- • 2002 CODATA: masa de un helión.res de neutrones. Sus propiedades criogénicas son impor-tantes porque a temperaturas cercanas al cero absoluto secomporta como un superfluido.Además de las aplicaciones en física, como el relativa-mente alto contenido de helio-3 es una de las caracterís-ticas distintivas del manto terrestre, se utiliza en estudiosde geoquímica isotópica, debido a la diferente relaciónentre el helio-3 y el helio-4 en el manto, la corteza y laatmósfera terrestre. El helio-3 es uno de los isótopos am-bientales que se utilizan en investigaciones hidrológicas ehidrogeológicas.11.2 ReservasEl helio-3 es raro en la Tierra, pero abundante en eluniverso; es muy buscado para usarlo en investigación enfusión nuclear. Procede del interior de las estrellas y loproduce el Sol, que lo expele en el viento solar lo trans-porta por el sistema solar. La atmósfera y el campo mag-nético de la Tierra lo rechazan, siendo el poco que hayen nuestro planeta el restante atrapado en el interior de laTierra durante la formación del planeta. El helio-3 tam-bién se ha añadido a la Tierra mediante el polvo de losmeteoritos que caen sobre la Tierra, más frecuentementesobre los océanos. 68