HELIUM: SEJARAH, PROPERTI, STRUKTUR, RISIKO, PENGGUNAAN - KIMIA - 2024

The helium adalah unsur kimia dengan simbol Dia. Ini adalah gas mulia pertama dalam tabel periodik, dan biasanya terletak di paling kanan darinya. Dalam kondisi normal ia adalah gas inert, karena tidak ada satupun senyawanya yang stabil; Ia juga mengembang dengan sangat cepat dan merupakan zat dengan titik didih terendah dari semuanya.

Pada tingkat yang populer, ini adalah gas yang terkenal, karena dalam acara yang tak terhitung jumlahnya atau pesta anak-anak, adalah hal biasa untuk menyaksikan balon naik sampai hilang di langit. Namun, apa yang benar-benar dan selamanya hilang di sudut-sudut tata surya, dan seterusnya, adalah atom helium yang dilepaskan setelah balon meledak atau mengempis.

Balon yang dipompa helium, yang paling dekat dengan elemen ini dalam situasi sehari-hari. Sumber: Pixabay.

Faktanya, ada orang yang, dan dengan alasan yang bagus, menganggap bahwa balon helium mewakili praktik yang tidak tepat untuk gas ini. Untungnya, ia memiliki kegunaan yang lebih penting dan menarik, berkat sifat fisik dan kimianya yang memisahkannya dari unsur kimia lainnya.

Misalnya, helium cair sangat dingin sehingga dapat membekukan apa saja, seperti paduan logam, mengubahnya menjadi bahan superkonduktor. Demikian pula, itu adalah cairan yang memanifestasikan kelebihan cairan, mampu memanjat dinding wadah kaca.

Namanya karena fakta bahwa ia diidentifikasi untuk pertama kalinya di Matahari dan bukan di Bumi. Ini adalah unsur paling melimpah kedua di seluruh Alam Semesta dan, meskipun konsentrasinya dapat diabaikan di kerak bumi, ia dapat diperoleh dari cadangan gas alam dan mineral radioaktif uranium dan torium.

Di sini helium menunjukkan fakta aneh lainnya: itu adalah gas yang jauh lebih melimpah di lapisan bawah tanah daripada di atmosfer, di mana ia akhirnya lepas dari Bumi dan medan gravitasinya.

Sejarah

Helium tidak ditemukan di Bumi melainkan di Matahari. Faktanya, namanya berasal dari kata Yunani 'helios' yang berarti matahari. Keberadaan unsur itu sendiri kontras dengan tabel periodik Dmitri Mendeleev, karena tidak ada tempat di dalamnya untuk gas baru; Dengan kata lain, saat itu sama sekali tidak ada yang dicurigai tentang gas mulia.

Nama 'helium', ditulis sebagai 'helium' dalam bahasa Inggris, diakhiri dengan sufiks -ium yang mengacu padanya sebagai logam; justru karena keberadaan gas selain oksigen, hidrogen, fluor, klor dan nitrogen tidak dapat diterima.

Nama ini ditunjuk oleh astronom Inggris Norman Lockyer, yang mempelajari dari Inggris apa yang diamati oleh astronom Prancis Jules Janssen di India, selama gerhana matahari pada tahun 1868.

Itu adalah garis spektrum kuning dari elemen yang sampai sekarang tidak diketahui. Lockyer mengklaim bahwa ini disebabkan oleh adanya unsur kimia baru yang ditemukan di Matahari.

Pada tahun 1895, hampir dua puluh tahun kemudian, ahli kimia Skotlandia Sir William Ramsay mengenali spektrum yang sama dari gas sisa ketika dia mempelajari mineral radioaktif: cleveite. Jadi ada helium di Bumi juga.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan

Ampul dengan sampel helium yang bersinar setelah disetrum listrik. Sumber: Gambar Elemen Kimia Resolusi Tinggi

Helium adalah gas tidak berwarna dan tidak berbau yang tidak memiliki rasa dan juga inert. Namun, bila sengatan listrik diterapkan, dan tergantung pada perbedaan tegangan, ia mulai bersinar seperti kabut ungu keabu-abuan (gambar di atas), kemudian bersinar dengan kilau oranye. Oleh karena itu, lampu helium berwarna oranye.

Nomor atom (Z)

dua

Masa molar

4,002 g / mol

Titik lebur

-272,2 ºC

Titik didih

-268,92 ºC

Massa jenis

-0,1786 g / L, dalam kondisi normal, dalam fase gas.

-0,145 g / mL, pada titik leleh, helium cair.

-0,125 g / mL, tepat saat helium mulai mendidih.

-0,187 g / mL, pada 0 K dan 25 atm, yaitu helium padat pada kondisi tekanan dan suhu tertentu.

Tiga poin

2,177 K dan 5,043 kPa (0,04935 atm)

Titik kritis

5.1953 K dan 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Panas fusi

0,0138 kJ / mol

Panas penguapan

0,0829 kJ / mol

Kapasitas panas molar

20,78 J / (mol K)

Tekanan uap

0,9869 atm pada 4,21 K. Nilai ini memberi Anda gambaran tentang seberapa cepat helium dapat terjadi dan seberapa mudah helium dapat lepas pada suhu kamar (mendekati 298 K).

Energi ionisasi

-Pertama: 2372.3 kJ / mol (He ⁺ gas)

-Kedua: 5250.5 kJ / mol (Dia ²⁺ gas)

Energi ionisasi helium sangat tinggi karena atom gas harus kehilangan elektron, yang mengalami muatan inti efektif yang kuat. Ini juga dapat dipahami dengan mempertimbangkan ukuran atom yang kecil dan seberapa "dekat" kedua elektron dengan inti (dengan dua proton dan dua neutronnya).

Kelarutan

Di dalam air 0,97 mL dilarutkan untuk setiap 100 mL air pada suhu 0 ºC, yang artinya air sulit larut.

Reaktivitas

Helium adalah unsur kimia paling reaktif kedua di alam. Dalam kondisi normal, dikatakan bahwa ini adalah gas inert; Senyawa helium tidak pernah (tampaknya) dapat dimanipulasi di ruangan atau laboratorium tanpa tekanan yang sangat besar yang bekerja padanya; atau mungkin, suhu yang sangat tinggi atau rendah.

Contohnya terlihat pada senyawa Na ₂ He, yang stabil hanya di bawah tekanan 300 GPa, direproduksi dalam sel landasan intan.

Meskipun ikatan kimia dalam Na ₂ He "aneh" karena elektron mereka terletak dengan baik di dalam kristal, mereka jauh dari interaksi Van der Walls yang sederhana dan, oleh karena itu, tidak hanya terdiri dari atom helium yang terperangkap oleh agregat molekul. . Di sinilah muncul dilema antara senyawa helium mana yang nyata dan mana yang tidak.

Misalnya, molekul nitrogen pada tekanan tinggi dapat menjebak atom helium untuk membentuk sejenis klatrat, He (N ₂ ) ₁₁ .

Demikian pula, ada kompleks endohedral dari kation fullerene, C ₆₀ ^{+ n} dan C ₇₀ ^{+ n} , yang rongga-rongga tersebut dapat menampung atom helium; dan kation molekul HeH ⁺ (He-H ⁺ ), ditemukan di nebula yang sangat jauh.

Bilangan oksidasi

Curiosity yang mencoba untuk menghitung jumlah oksidasi untuk helium di setiap senyawanya akan menemukan bahwa ini adalah sama dengan 0. Dalam Na ₂ telah, misalnya, mungkin berpikir bahwa rumus berkorespondensi ke hipotetis Na ₂ ⁺ I ^2- ; tetapi hal itu akan mengasumsikan bahwa ia memiliki karakter ionik murni, padahal pada kenyataannya ikatannya jauh dari itu.

Lebih lanjut, helium tidak memperoleh elektron karena tidak dapat menampungnya di orbital 2s, secara energetik tidak tersedia; Juga tidak mungkin kehilangan mereka, karena ukuran atomnya yang kecil dan muatan inti efektif yang besar dari nukleusnya. Itulah sebabnya helium selalu berpartisipasi (dalam teori) sebagai atom He ⁰ dalam senyawa turunannya.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Helium, seperti semua gas yang diamati pada skala makro, menempati volume wadah yang menyimpannya, sehingga memiliki bentuk tak terbatas. Namun, saat suhu turun dan mulai mendingin di bawah -269 ºC, gas mengembun menjadi cairan tak berwarna; helium I, yang pertama dari dua fase cair untuk elemen ini.

Alasan mengapa helium mengembun pada suhu rendah adalah karena gaya hamburan rendah yang menahan atomnya; apa pun fase yang dipertimbangkan. Ini dapat dijelaskan dari konfigurasi elektroniknya:

1 dtk ²

Di mana dua elektron menempati orbital atom 1s. Atom helium dapat divisualisasikan sebagai bola yang hampir sempurna, pinggiran elektronik homogennya tidak mungkin terpolarisasi oleh muatan inti efektif dari dua proton dalam inti.

Dengan demikian, momen dipol spontan dan terinduksi jarang terjadi dan sangat lemah; jadi suhu harus mendekati nol mutlak sehingga atom He mendekati cukup lambat dan mencapai bahwa gaya dispersifnya menentukan cairan; atau bahkan lebih baik, kristal helium.

Dimers

Pada fase gas, ruang yang memisahkan atom He sedemikian rupa sehingga dapat diasumsikan selalu terpisah satu sama lain. Sedemikian rupa sehingga dalam botol volume kecil, helium tampak tidak berwarna sampai terkena pelepasan listrik, yang mengionisasi atomnya dalam kabut keabu-abuan dan cahaya redup.

Namun, dalam fase cair, atom He, bahkan dengan interaksinya yang lemah, tidak dapat lagi "diabaikan". Sekarang gaya dispersal memungkinkan mereka untuk bergabung sejenak untuk membentuk dimer: He-He atau He ₂ . Oleh karena itu, helium I dapat dianggap sebagai gugus He _{2 yang sangat besar} dalam kesetimbangan dengan atomnya dalam fase uap.

Itulah sebabnya helium I sangat sulit dibedakan dari uapnya. Jika cairan ini keluar dari wadah kedap udara, cairan tersebut akan keluar sebagai semburan keputihan.

Helium II

Ketika suhu semakin turun, menyentuh 2.178 K (-270.972 ºC), terjadi transisi fase: helium I diubah menjadi helium II.

Dari titik ini, cairan helium yang sudah menarik menjadi cairan superfluida atau cairan kuantum; yaitu, sifat makroskopisnya bermanifestasi seolah-olah dimer He ₂ adalah atom individu (dan mungkin memang demikian). Ia tidak memiliki viskositas lengkap, karena tidak ada permukaan yang dapat menghentikan atom selama meluncur atau "mendaki".

Itulah sebabnya helium II dapat memanjat dinding wadah kaca mengatasi gaya gravitasi; tidak peduli seberapa tinggi mereka, selama permukaannya tetap pada suhu yang sama dan karenanya tidak menguap.

Oleh karena itu, helium cair tidak dapat disimpan dalam wadah kaca, karena akan terlepas dari celah atau celah sekecil apa pun; sangat mirip dengan bagaimana hal itu akan terjadi dengan gas. Sebaliknya, baja tahan karat digunakan untuk mendesain kapal semacam itu (tangki Dewars).

Kristal

Bahkan jika suhu turun menjadi 0 K (nol mutlak), gaya hamburan antara atom He tidak akan cukup kuat untuk mengaturnya menjadi struktur kristal. Agar pemadatan terjadi, tekanan harus naik hingga kira-kira 25 atm; dan kemudian kristal helium heksagonal kompak (hcp) muncul.

Studi geofisika menunjukkan bahwa struktur hcp ini tetap tidak berubah tidak peduli berapa banyak tekanan meningkat (hingga urutan gigapascal, GPa). Namun, ada daerah sempit dalam diagram suhu-tekanan di mana kristal hcp ini mengalami transisi ke fase kubik berpusat tubuh (bcc).

Di mana menemukan dan memperoleh

Kosmos dan bebatuan

Helium mewakili unsur paling melimpah kedua di alam semesta dan 24% massanya. Sumber: Pxhere.

Helium adalah unsur paling melimpah kedua di seluruh alam semesta, nomor dua setelah hidrogen. Bintang terus-menerus menghasilkan atom helium dalam jumlah yang tak terukur dengan menggabungkan dua inti hidrogen selama proses nukleosintesis.

Demikian pula, setiap proses radioaktif yang memancarkan partikel α adalah sumber produksi atom helium jika berinteraksi dengan elektron di lingkungan; misalnya, dengan tubuh batuan dalam deposit mineral radioaktif uranium dan thorium. Kedua unsur ini mengalami peluruhan radioaktif, dimulai dengan uranium:

Peluruhan radioaktif uranium dalam pembentukan partikel alfa, yang kemudian diubah menjadi atom helium di endapan bawah tanah. Sumber: Gabriel Bolívar.

Oleh karena itu, pada batuan tempat mineral radioaktif terkonsentrasi, atom helium akan terperangkap, yang akan terlepas setelah tercerna di media asam.

Di antara beberapa mineral tersebut adalah cleveite, carnotite, dan uraninite, semuanya terdiri dari uranium oksida (UO ₂ atau U ₃ O ₈ ) dan pengotor thorium, logam berat dan logam tanah jarang. Helium, yang diairi melalui saluran bawah tanah, dapat terakumulasi di reservoir gas alam, mata air mineral atau di besi meteorik.

Diperkirakan massa helium yang setara dengan 3000 ton diproduksi setiap tahun di litosfer, dari peluruhan radioaktif uranium dan thorium.

Udara dan laut

Helium tidak terlalu larut dalam air, jadi lebih cepat daripada nanti helium akhirnya naik dari kedalaman (di mana pun asalnya), sampai melintasi lapisan atmosfer dan akhirnya mencapai luar angkasa. Atomnya sangat kecil dan ringan sehingga medan gravitasi bumi tidak dapat menahannya di atmosfer.

Akibat hal tersebut diatas maka konsentrasi helium baik di udara (5,2 ppm) maupun di laut (4 ppt) sangatlah rendah.

Jika seseorang kemudian ingin mengekstraknya dari salah satu dari dua media ini, pilihan "terbaik" adalah udara, yang pertama-tama harus dicairkan untuk mengembunkan semua komponen gasnya, sementara helium tetap dalam bentuk gas.

Namun, tidak praktis untuk mendapatkan helium dari udara, tetapi dari batuan yang diperkaya dengan mineral radioaktif; atau lebih baik lagi, dari cadangan gas alam, di mana helium dapat mewakili hingga 7% dari total massanya.

Pencairan dan distilasi gas alam

Daripada mencairkan udara, lebih mudah dan lebih menguntungkan menggunakan gas alam, yang komposisi heliumnya pasti jauh lebih besar. Jadi, keunggulan bahan baku (komersial) untuk memperoleh helium adalah gas alam, yang juga dapat mengalami distilasi fraksional.

Produk akhir distilasi selesai dimurnikan dengan karbon aktif, yang dilewati helium yang sangat murni. Dan terakhir, helium dipisahkan dari neon melalui proses kriogenik di mana helium cair digunakan.

Isotop

Helium terjadi terutama di alam sebagai isotop ⁴ He, yang nukleusnya adalah partikel α yang terkenal. Atom ⁴ He ini memiliki dua neutron dan dua proton. Dalam kelimpahan yang lebih sedikit adalah isotop ³ He, yang hanya memiliki satu neutron. Yang pertama lebih berat (memiliki massa atom lebih tinggi) daripada yang kedua.

Jadi, pasangan isotop ³ He dan ⁴ He adalah yang menentukan sifat terukur dan apa yang kita pahami tentang helium sebagai unsur kimia. Mengingat bahwa ³ He lebih ringan, diasumsikan bahwa atom-atomnya memiliki energi kinetik yang lebih tinggi dan, oleh karena itu, membutuhkan suhu yang lebih rendah untuk bergabung menjadi superfluida.

The ³ Ia dianggap sebagai spesies yang sangat langka di Bumi; namun, di tanah bulan jumlahnya lebih melimpah (kira-kira 2000 kali lebih banyak). Itulah mengapa Bulan telah menjadi subjek proyek dan cerita sebagai kemungkinan sumber ³ He, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir untuk pesawat ruang angkasa masa depan.

Di antara isotop helium lainnya yang dapat disebutkan, dengan waktu paruh masing-masing: ⁵ He (t _1/2 = 7.6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0.8 s) dan ⁸ He (t _1/2 = 0,119 detik).

Resiko

Helium adalah gas inert dan karenanya tidak berpartisipasi dalam reaksi apa pun yang terjadi di dalam tubuh kita.

Atomnya secara praktis keluar masuk dihembuskan tanpa interaksinya dengan biomolekul yang menghasilkan efek tersembunyi; kecuali dalam suara yang dipancarkan dari pita suara, yang menjadi lebih tinggi dan lebih sering.

Orang yang menghirup helium dari balon (dalam jumlah sedang) berbicara dengan suara bernada tinggi, mirip dengan suara tupai (atau bebek).

Masalahnya adalah jika orang seperti itu menghirup helium dalam jumlah yang tidak tepat, mereka berisiko mati lemas, karena atom-atomnya menggantikan molekul oksigen; dan karena itu, Anda tidak akan bisa bernapas sampai Anda mengembuskan semua helium itu, yang pada gilirannya karena tekanannya dapat merobek jaringan paru-paru atau menyebabkan barotrauma.

Kasus orang yang meninggal karena menghirup helium telah dilaporkan karena apa yang baru saja dijelaskan.

Di sisi lain, meskipun tidak mewakili risiko kebakaran karena kurangnya reaktivitas terhadap oksigen (atau zat lain), jika disimpan di bawah tekanan tinggi dan lolos, kebocorannya dapat membahayakan secara fisik.

Aplikasi

Sifat fisik dan kimia helium tidak hanya menjadikannya gas khusus, tetapi juga zat yang sangat berguna untuk aplikasi yang membutuhkan suhu yang sangat rendah. Di bagian ini beberapa dari aplikasi atau penggunaan ini akan dibahas.

Sistem tekanan dan pembuangan

Dalam beberapa sistem perlu untuk meningkatkan tekanan (bertekanan), dan untuk ini gas harus diinjeksikan atau disuplai yang tidak berinteraksi dengan salah satu komponennya; misalnya, dengan reagen atau permukaan yang sensitif terhadap reaksi yang tidak diinginkan.

Dengan demikian, tekanan dapat ditingkatkan dengan volume helium, yang kelembaman kimianya membuatnya ideal untuk tujuan ini. Dalam kasus tertentu, atmosfer lembam yang dihasilkannya melebihi nitrogen.

Untuk proses sebaliknya, yaitu pembersihan, helium juga digunakan karena kemampuannya untuk memasukkan semua oksigen, uap air, atau gas lainnya, yang keberadaannya ingin Anda hapus. Dengan cara ini tekanan sistem berkurang setelah helium dikosongkan.

Deteksi kebocoran

Helium dapat bocor melalui celah sekecil apapun, sehingga berfungsi juga untuk mendeteksi kebocoran pada pipa, wadah vakum tinggi atau tangki kriogenik.

Terkadang deteksi dapat dilakukan secara visual atau dengan sentuhan; namun, ini sebagian besar adalah detektor yang "memberi sinyal" di mana dan berapa banyak helium yang keluar dari sistem yang sedang diperiksa.

Gas pembawa

Atom helium, seperti yang disebutkan untuk sistem pembersihan, dapat membawa serta molekul yang lebih berat, tergantung pada tekanannya. Misalnya, prinsip ini digunakan setiap hari dalam analisis kromatografi gas, karena dapat menyeret sampel yang diatomisasi di sepanjang kolom, di mana ia berinteraksi dengan fase diam.

Balon dan kapal udara

Helium digunakan untuk mengembangkan kapal udara dan jauh lebih aman daripada hidrogen karena ia bukan gas yang mudah terbakar. Sumber: Pixabay.

Karena kepadatannya yang rendah dibandingkan dengan udara dan, sekali lagi, kurangnya reaktivitas dengan oksigen, telah digunakan untuk mengembang balon di pesta anak-anak (dicampur dengan oksigen sehingga tidak ada yang mati lemas saat menghirupnya), dan kapal udara (gambar atas) , tanpa menunjukkan risiko kebakaran.

Menyelam

Helium adalah salah satu komponen utama tangki oksigen yang digunakan para penyelam untuk bernapas. Sumber: Pxhere.

Saat penyelam turun ke kedalaman yang lebih dalam, mereka merasa sulit bernapas karena tekanan besar yang diberikan oleh air. Itulah sebabnya helium ditambahkan ke tangki oksigen mereka untuk mengurangi kepadatan gas yang dihirup dan dihembuskan oleh penyelam, dan dengan demikian, dapat dihembuskan dengan sedikit kerja.

Lasan busur

Dalam proses pengelasan, busur listrik memberikan panas yang cukup bagi kedua logam untuk bersatu. Jika dilakukan di bawah atmosfer helium, logam pijar tidak akan bereaksi dengan oksigen di udara menjadi oksida masing-masing; oleh karena itu, helium mencegah hal ini terjadi.

Superkonduktor

Helium cair digunakan untuk mendinginkan magnet yang digunakan dalam pemindai pencitraan resonansi magnetik nuklir. Sumber: Jan Ainali

Helium cair sangat dingin sehingga dapat membekukan logam menjadi superkonduktor. Berkat ini, dimungkinkan untuk membuat magnet yang sangat kuat, yang, didinginkan dengan helium cair, telah digunakan dalam pemindai gambar atau spektrometer resonansi magnetik nuklir.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Andy Perpanjangan. (17 April 2019). Ion helium hidrida terdeteksi di luar angkasa untuk pertama kalinya: bukti yang ditemukan untuk kimiawi yang sulit dipahami dari menit pertama alam semesta. Diperoleh dari: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19 Agustus 2009). Helium. Kimia dalam Unsurnya. Diperoleh dari: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Struktur Kristal dan Densitas Helium hingga 232 Kbar. Diperoleh dari: artikel.adsabs.harvard.edu
6. Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi. (2019). Helium. Database PubChem. CID = 23987. Diperoleh dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 Februari 2017). Ke atas, ke atas dan ke luar: Ahli kimia mengatakan 'ya,' helium dapat membentuk senyawa. Universitas Negeri Utah. Diperoleh dari: phys.org
8. Steve Gagnon. (sf). Isotop Unsur Helium. Jefferson Lab. Diperoleh dari: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Diperoleh dari: chemistryexplained.com