Helio

La primera evidencia de helio se observó el 18 de agosto de 1868, como una brillante línea amarilla con una longitud de onda de 587,49 nanómetros en el espectro de la cromosfera del Sol . La línea fue detectada por el astrónomo francés Jules Janssen durante un eclipse solar total en Guntur , India. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Inicialmente se asumió que esta línea era sodio . El 20 de octubre del mismo año, el astrónomo inglés Norman Lockyer observó una línea amarilla en el espectro solar, a la que llamó D ₃ porque estaba cerca de las conocidas líneas de Fraunhofer D ₁ y D ₂ del sodio. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Concluyó que era causada por un elemento en el Sol desconocido en la Tierra. Lockyer nombró al elemento helio, de la palabra griega para Sol, ἥλιος ( helios ). ^{[ 32 ] [ 33 ]} A veces se dice que el químico inglés Edward Frankland también participó en la denominación, pero esto es improbable, ya que dudaba de la existencia de este nuevo elemento. La terminación "-io" es inusual, ya que normalmente se aplica solo a elementos metálicos; probablemente Lockyer, al ser astrónomo, desconocía las convenciones químicas. ^{[ 34 ]}

En 1881, el físico italiano Luigi Palmieri detectó helio en la Tierra por primera vez a través de su línea espectral D ₃ , cuando analizó un material que había sido sublimado durante una erupción reciente del Monte Vesubio . ^{[ 35 ]}

El 26 de marzo de 1895, el químico escocés Sir William Ramsay aisló helio en la Tierra tratando el mineral cleveíta (una variedad de uraninita con al menos un 10 % de elementos de tierras raras ) con ácidos minerales . Ramsay buscaba argón , pero después de separar el nitrógeno y el oxígeno del gas, liberado por el ácido sulfúrico , notó una línea amarilla brillante que coincidía con la línea D ₃ observada en el espectro del Sol. ^{[ 31 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} Estas muestras fueron identificadas como helio por Lockyer y el físico británico William Crookes . ^{[ 40 ] [ 41 ]} Fue aislado independientemente de la cleveíta ese mismo año por los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet en Uppsala , Suecia, quienes recolectaron suficiente gas para determinar con precisión su peso atómico . ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 29 ] [ 44 ]} Antes de conocer la identidad con el helio de Lockyer, Ramsay originalmente pretendía llamar al nuevo gas kriptón , un nombre que luego reutilizó para uno de los gases nobles más pesados . ^{[ 34 ]} El helio también fue aislado por el geoquímico estadounidense William Francis Hillebrand antes del descubrimiento de Ramsay, cuando notó líneas espectrales inusuales mientras analizaba una muestra del mineral uraninita. Hillebrand, sin embargo, atribuyó las líneas al nitrógeno . ^{[ 45 ]} Su carta de felicitación a Ramsay ofrece un caso interesante de descubrimiento, y casi descubrimiento, en la ciencia. ^{[ 46 ]}

En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que las partículas alfa son núcleos de helio al permitir que las partículas penetraran la delgada pared de vidrio de un tubo al vacío , creando luego una descarga en el tubo, para estudiar el espectro del nuevo gas en su interior. ^{[ 47 ]} En 1908, el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes licuó helio por primera vez enfriando el gas a menos de 5 K (−268,15 °C; −450,67 °F) . ^{[ 48 ] [ 49 ]} Intentó solidificarlo reduciendo aún más la temperatura, pero fracasó, porque el helio no se solidifica a presión atmosférica. El estudiante de Onnes, Willem Hendrik Keesom, finalmente logró solidificar 1 ^cm³ de helio en 1926 aplicando presión externa adicional. ^{[ 50 ] [ 51 ]}    

En 1913, Niels Bohr publicó su "trilogía" ^{[ 52 ] [ 53 ]} sobre la estructura atómica que incluía una reconsideración de la serie Pickering-Fowler como evidencia central en apoyo de su modelo del átomo . ^{[ 54 ] [ 55 ]} Esta serie lleva el nombre de Edward Charles Pickering , quien en 1896 publicó observaciones de líneas previamente desconocidas en el espectro de la estrella ζ Puppis ^{[ 56 ]} (ahora se sabe que estas ocurren con Wolf-Rayet y otras estrellas calientes). ^{[ 57 ]} Pickering atribuyó la observación (líneas en 4551, 5411 y 10123 Å ) a una nueva forma de hidrógeno con niveles de transición semi-enteros. ^{[ 58 ] [ 59 ]} En 1912, Alfred Fowler ^{[ 60 ]} logró producir líneas similares a partir de una mezcla de hidrógeno-helio y apoyó la conclusión de Pickering sobre su origen. ^{[ 61 ]} El modelo de Bohr no permite transiciones semienteras (tampoco la mecánica cuántica) y Bohr concluyó que Pickering y Fowler estaban equivocados, y en su lugar asignó estas líneas espectrales al helio ionizado, He ⁺ . ^{[ 62 ]} Fowler fue inicialmente escéptico ^{[ 63 ]} pero finalmente se convenció ^{[ 64 ]} de que Bohr tenía razón, ^{[ 52 ]} y para 1915 "los espectroscopistas habían transferido [la serie de Pickering-Fowler] definitivamente [del hidrógeno] al helio". ^{[ 55 ] [ 65 ]} El trabajo teórico de Bohr sobre la serie de Pickering había demostrado la necesidad de "una reevaluación de problemas que parecían ya resueltos dentro de las teorías clásicas" y proporcionó una confirmación importante para su teoría atómica. ^{[ 55 ]} 

En 1938, el físico ruso Pyotr Leonidovich Kapitsa descubrió que el helio-4 tiene una viscosidad casi nula a temperaturas cercanas al cero absoluto , un fenómeno que ahora se denomina superfluidez . ^{[ 66 ]} Este fenómeno está relacionado con la condensación de Bose-Einstein . En 1972, los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff , David M. Lee y Robert C. Richardson observaron el mismo fenómeno en el helio-3 , pero a temperaturas mucho más cercanas al cero absoluto. Se cree que el fenómeno en el helio-3 está relacionado con el apareamiento de fermiones de helio-3 para formar bosones , de forma análoga a los pares de Cooper de electrones que producen superconductividad . ^{[ 67 ]}

En 1961, Vignos y Fairbank informaron sobre la existencia de una fase diferente del helio-4 sólido, denominada fase gamma. Esta existe en un rango estrecho de presión entre 1,45 y 1,78 K. ^{[ 68 ]}

Después de una operación de perforación petrolera en 1903 en Dexter, Kansas, que produjo un géiser de gas que no ardía, el geólogo de Kansas Erasmus Haworth recogió muestras del gas que escapaba y las llevó a la Universidad de Kansas en Lawrence, donde, con la ayuda de los químicos Hamilton Cady y David McFarland, descubrió que el gas consistía, en volumen, en un 72 % de nitrógeno, un 15 % de metano (un porcentaje combustible solo con suficiente oxígeno), un 1 % de hidrógeno y un 12 % de un gas no identificable. ^{[ 29 ] [ 70 ]} Con un análisis más detallado, Cady y McFarland descubrieron que el 1,84 % de la muestra de gas era helio. ^{[ 71 ] [ 72 ]} Esto demostró que, a pesar de su rareza general en la Tierra, el helio se concentraba en grandes cantidades bajo las Grandes Llanuras americanas , disponible para su extracción como subproducto del gas natural . ^{[ 73 ]}

Siguiendo una sugerencia de Sir Richard Threlfall , la Armada de los Estados Unidos patrocinó tres pequeñas plantas experimentales de helio durante la Primera Guerra Mundial. El objetivo era suministrar globos de barrera con el gas no inflamable y más ligero que el aire. En el programa se produjeron un total de 5700 m³ (200 000 ft³ ) de helio ^{al 92 % ,} a pesar de que anteriormente se había obtenido menos de un metro cúbico del gas. ^{[ 31 ]} Parte de este gas se utilizó en el primer dirigible lleno de helio del mundo, el dirigible C-7 de clase C de la Armada de los Estados Unidos , que realizó su viaje inaugural desde Hampton Roads, Virginia , hasta Bolling Field en Washington, DC, el 1 de diciembre de 1921, ^{[ 74 ]} casi dos años antes de que el primer dirigible rígido lleno de helio de la Armada , el USS Shenandoah construido por la Naval Aircraft Factory , volara en septiembre de 1923.  

Aunque el proceso de extracción mediante licuefacción de gas a baja temperatura no se desarrolló a tiempo para tener una importancia significativa durante la Primera Guerra Mundial, la producción continuó. El helio se utilizaba principalmente como gas de elevación en aeronaves más ligeras que el aire. Durante la Segunda Guerra Mundial, aumentó la demanda de helio para gas de elevación y para soldadura por arco protegido . El espectrómetro de masas de helio también fue fundamental en el Proyecto Manhattan , que desarrolló la bomba atómica . ^{[ 75 ]}

El gobierno de los Estados Unidos estableció la Reserva Nacional de Helio en 1925 en Amarillo, Texas , con el objetivo de abastecer a los dirigibles militares en tiempos de guerra y a los dirigibles comerciales en tiempos de paz. ^{[ 31 ]} Debido a la Ley del Helio de 1925 , que prohibía la exportación del escaso helio sobre el cual Estados Unidos tenía entonces el monopolio de la producción, junto con el costo prohibitivo del gas, los zepelines alemanes se vieron obligados a usar hidrógeno como gas de elevación, lo que se haría tristemente célebre en el desastre del Hindenburg . El mercado del helio después de la Segunda Guerra Mundial se vio afectado negativamente, pero la reserva se amplió en la década de 1950 para asegurar el suministro de helio líquido como refrigerante para crear combustible de cohetes de oxígeno/hidrógeno (entre otros usos) durante la carrera espacial y la Guerra Fría . El uso de helio en los Estados Unidos en 1965 fue más de ocho veces superior al consumo máximo en tiempos de guerra. ^{[ 76 ]}

Tras las Enmiendas a las Leyes del Helio de 1960 (Ley Pública 86-777), la Oficina de Minas de los Estados Unidos dispuso que cinco plantas privadas recuperaran helio del gas natural. Para este programa de conservación de helio, la Oficina construyó un gasoducto de 684 km (425 millas) desde Bushton, Kansas , para conectar dichas plantas con el yacimiento de gas Cliffside, propiedad del gobierno y parcialmente agotado, cerca de Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio y nitrógeno se inyectaba y almacenaba en el yacimiento de Cliffside hasta su uso, momento en el que se purificaba aún más. ^{[ 77 ]} 

Para 1995, se habían recolectado mil millones de metros cúbicos de gas y la reserva tenía  una deuda de US$1.4 mil millones, lo que llevó al Congreso de los Estados Unidos en 1996 a descontinuar la reserva. ^{[ 29 ] [ 78 ]} La Ley de Privatización del Helio de 1996 resultante ^{[ 79 ]} (Ley Pública 104–273) ordenó al Departamento del Interior de los Estados Unidos vaciar la reserva, con ventas que comenzarían en 2005. ^{[ 80 ]}

El helio producido entre 1930 y 1945 tenía una pureza de aproximadamente el 98,3 % (2 % de nitrógeno), suficiente para dirigibles. En 1945, se produjo una pequeña cantidad de helio al 99,9 % para soldadura. Para 1949, ya se disponía de cantidades comerciales de helio de grado A al 99,95 %. ^{[ 81 ]}

Durante muchos años, Estados Unidos produjo más del 90% del helio comercialmente utilizable del mundo, mientras que las plantas de extracción en Canadá, Polonia, Rusia y otras naciones producían el resto. A mediados de la década de 1990, una nueva planta en Arzew , Argelia, con una capacidad de producción de 17 millones de metros cúbicos (600 millones de pies cúbicos) , comenzó a operar, con suficiente producción para cubrir toda la demanda de Europa. Mientras tanto, para el año 2000, el consumo de helio en Estados Unidos había aumentado a más de 15 millones de kg por año. ^{[ 82 ]} Entre 2004 y 2006, se construyeron plantas adicionales en Ras Laffan , Qatar , y Skikda , Argelia. Argelia se convirtió rápidamente en el segundo mayor productor de helio. ^{[ 83 ]} Durante este tiempo, tanto el consumo de helio como los costos de producción de helio aumentaron. ^{[ 84 ]} De 2002 a 2007, los precios del helio se duplicaron. ^{[ 85 ]}  

A partir de 2012La Reserva Nacional de Helio de Estados Unidos representaba el 30 por ciento del helio mundial. ^{[ 86 ]} Se esperaba que la reserva se agotara en 2018. ^{[ 86 ]} A pesar de ello, un proyecto de ley propuesto en el Senado de Estados Unidos permitiría a la reserva seguir vendiendo el gas. Otras grandes reservas se encontraban en Hugoton, Kansas , Estados Unidos, y en los campos de gas cercanos de Kansas y las regiones fronterizas de Texas y Oklahoma . Se programó la apertura de nuevas plantas de helio en 2012 en Qatar , Rusia y el estado estadounidense de Wyoming , pero no se esperaba que aliviaran la escasez. ^{[ 86 ]}

En 2013, Qatar puso en marcha la unidad de helio más grande del mundo, ^{[ 87 ]} aunque la crisis diplomática de Qatar de 2017 afectó gravemente la producción de helio allí. ^{[ 88 ]} Se reconoció ampliamente que 2014 fue un año de exceso de oferta en el negocio del helio, después de años de escasez notoria. ^{[ 89 ]} Nasdaq informó (2015) que para Air Products , una corporación internacional que vende gases para uso industrial, los volúmenes de helio siguen bajo presión económica debido a las limitaciones en el suministro de materia prima. ^{[ 90 ]}

El helio es el segundo gas noble menos reactivo después del neón y, por lo tanto, el segundo menos reactivo de todos los elementos. ^{[ 97 ]} Es químicamente inerte y monoatómico en todas las condiciones estándar. Debido a la masa molar (atómica) relativamente baja del helio, su conductividad térmica , calor específico y velocidad del sonido en fase gaseosa son mayores que los de cualquier otro gas, excepto el hidrógeno . Por estas razones y el pequeño tamaño de las moléculas monoatómicas de helio, este se difunde a través de los sólidos a una velocidad tres veces mayor que la del aire y alrededor del 65 % de la del hidrógeno. ^{[ 31 ]}

El helio es el gas monoatómico menos soluble en agua, ^{[ 98 ]} y uno de los menos solubles en agua de cualquier gas ( CF ₄ , SF ₆ , y C ₄ F ₈ tienen solubilidades de fracción molar más bajas: 0,3802, 0,4394 y 0,2372 x ₂ /10 ^{−5 , respectivamente, frente a 0,70797 x} ₂ /10 ⁻⁵ del helio ), ^{[ 99 ]} y el índice de refracción del helio está más cerca de la unidad que el de cualquier otro gas. ^{[ 100 ]} El helio tiene un coeficiente Joule-Thomson negativo a temperaturas ambiente normales, lo que significa que se calienta cuando se le permite expandirse libremente. Solo por debajo de su temperatura de inversión Joule-Thomson (de aproximadamente 32 a 50  K a 1 atmósfera) se enfría al expandirse libremente. ^{[ 31 ]} Una vez preenfriado por debajo de esta temperatura, el helio puede licuarse mediante enfriamiento por expansión.

La mayor parte del helio extraterrestre se encuentra en forma de plasma estelar, con propiedades muy diferentes a las del helio atómico. En un plasma, los electrones del helio no están ligados a su núcleo, lo que resulta en una conductividad eléctrica muy alta, incluso cuando el gas está solo parcialmente ionizado. Las partículas cargadas se ven fuertemente influenciadas por los campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar , junto con el hidrógeno ionizado, las partículas interactúan con la magnetosfera terrestre , dando lugar a las corrientes de Birkeland y a la aurora . ^{[ 101 ]}

El helio se licúa al enfriarse por debajo de 4,2  K a presión atmosférica. Sin embargo, a diferencia de cualquier otro elemento, el helio permanece líquido hasta el cero absoluto . Esto es un efecto directo de la mecánica cuántica: específicamente, la energía del punto cero del sistema es demasiado alta para permitir la congelación. Se requieren presiones superiores a unas 25 atmósferas para congelarlo. Existen dos fases líquidas: el helio I es un líquido convencional y el helio II, que se presenta a una temperatura más baja, es un superfluido .

Helio II

El helio líquido por debajo de su punto lambda (llamado helio  II ) presenta características muy inusuales. Debido a su alta conductividad térmica , al hervir no burbujea, sino que se evapora directamente de su superficie. El helio-3 también tiene una fase superfluida , pero solo a temperaturas mucho más bajas; por consiguiente, se sabe menos sobre las propiedades de este isótopo. ^{[ 31 ]}

El helio  II es un superfluido, un estado cuántico de la materia con propiedades extrañas. Por ejemplo, cuando fluye a través de capilares tan delgados como de 10 a 100 nm, no tiene viscosidad medible . ^{[ 29 ]} Sin embargo, cuando se realizaron mediciones entre dos discos en movimiento, se observó una viscosidad comparable a la del helio gaseoso. La teoría existente explica esto utilizando el modelo de dos fluidos para el helio II. En este modelo, se considera que el helio líquido por debajo del punto lambda contiene una proporción de átomos de helio en un estado fundamental , que son superfluidos y fluyen con viscosidad exactamente cero, y una proporción de átomos de helio en un estado excitado, que se comportan más como un fluido ordinario. ^{[ 103 ]}

En el efecto fuente , se construye una cámara conectada a un depósito de helio  II mediante un disco sinterizado a través del cual el helio superfluido se filtra fácilmente, pero el helio no superfluido no puede pasar. Si se calienta el interior del recipiente, el helio superfluido se transforma en helio no superfluido. Para mantener la fracción de equilibrio del helio superfluido, este se filtra y aumenta la presión, provocando que el líquido salga a chorro del recipiente. ^{[ 104 ]}

La conductividad térmica del helio  II es mayor que la de cualquier otra sustancia conocida, un millón de veces mayor que la del helio  I y varios cientos de veces mayor que la del cobre . ^{[ 31 ]} Esto se debe a que la conducción del calor se produce mediante un mecanismo cuántico excepcional. La mayoría de los materiales que conducen bien el calor tienen una banda de valencia de electrones libres que sirven para transferir el calor. El helio  II no tiene dicha banda de valencia, pero aun así conduce bien el calor. El flujo de calor se rige por ecuaciones similares a la ecuación de onda utilizada para caracterizar la propagación del sonido en el aire. Cuando se introduce calor, este se mueve a 20 metros por segundo a 1,8  K a través del helio  II en forma de ondas, en un fenómeno conocido como segundo sonido . ^{[ 31 ]}

El helio  II también exhibe un efecto de deslizamiento. Cuando una superficie se extiende más allá del nivel del helio  II, este  se mueve a lo largo de la superficie, en contra de la fuerza de la gravedad . El helio  II escapará de un recipiente que no esté sellado deslizándose a lo largo de los lados hasta que alcance una región más cálida donde se evapora. Se mueve en una  película de 30 nm de espesor independientemente del material de la superficie. Esta película se llama película de Rollin y recibe su nombre del hombre que caracterizó por primera vez esta característica, Bernard V. Rollin . ^{[ 31 ] [ 105 ] [ 106 ]} Como resultado de este comportamiento de deslizamiento y  la capacidad del helio II de filtrarse rápidamente a través de pequeñas aberturas, es muy difícil de confinar. A menos que el contenedor esté cuidadosamente construido, el helio  II se deslizará a lo largo de las superficies y a través de las válvulas hasta que alcance un lugar más cálido, donde se evaporará. Las ondas que se propagan a través de una película de Rollin se rigen por la misma ecuación que las ondas de gravedad en aguas poco profundas, pero en lugar de la gravedad, la fuerza restauradora es la fuerza de van der Waals . ^{[ 107 ]} Estas ondas se conocen como tercer sonido . ^{[ 108 ]}

El helio permanece líquido hasta el cero absoluto a presión atmosférica, pero se congela a alta presión. El helio sólido requiere una temperatura de 1–1,5  K (aproximadamente −272  °C o −457 °F) a una presión de  aproximadamente 25 bar (2,5 MPa). ^{[ 109 ]} A menudo es difícil distinguir el helio sólido del líquido, ya que el índice de refracción de las dos fases es casi el mismo. El sólido tiene un punto de fusión definido y una estructura cristalina , pero es altamente compresible ; aplicar presión en un laboratorio puede disminuir su volumen en más del 30 %. ^{[ 110 ]} Con un módulo de compresibilidad de aproximadamente 27 MPa ^{[ 111 ]} es ~100 veces más compresible que el agua. El helio sólido tiene una densidad de 0,214 ± 0,006  g/cm³ ^a ​​1,15  K y 66  atm; la densidad proyectada a 0  K y 25 bar (2,5 MPa) es0,187 ± 0,009  g/cm³ ^. [ ^{112 ] A} temperaturas más altas, el helio se solidificará con suficiente presión. A temperatura ambiente, esto requiere aproximadamente 114 000 atm. ^{[ 113 ]}

El helio-4 y el helio-3 forman varias fases sólidas cristalinas, todas ellas requieren al menos 25  bar. Ambos forman una fase α, que tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (hcp), una fase β, que es cúbica centrada en las caras (fcc), y una fase γ, que es cúbica centrada en el cuerpo (bcc). ^{[ 114 ]}

Existen ocho isótopos conocidos de helio, de los cuales dos, el helio-3 y el helio-4 , son estables . En la atmósfera terrestre, un átomo es ³Él por cada millón que son ⁴Helio . ^{[ 29 ]} A diferencia de la mayoría de los elementos, la abundancia isotópica del helio varía enormemente según su origen, debido a los diferentes procesos de formación. El isótopo más común, el helio-4, se produce en la Tierra por desintegración alfa de elementos radiactivos más pesados; las partículas alfa que emergen son núcleos de helio-4 completamente ionizados. El helio-4 es un núcleo inusualmente estable porque sus nucleones están dispuestos en capas completas . También se formó en enormes cantidades durante la nucleosíntesis del Big Bang . ^{[ 115 ]}

El helio-3 está presente en la Tierra solo en cantidades ínfimas. La mayor parte ha estado presente desde la formación de la Tierra, aunque una parte cae a la Tierra atrapada en el polvo cósmico . ^{[ 116 ]} También se producen cantidades ínfimas por la desintegración beta del tritio . ^{[ 117 ]} Las rocas de la corteza terrestre tienen proporciones isotópicas que varían hasta en un factor de diez, y estas proporciones se pueden utilizar para investigar el origen de las rocas y la composición del manto terrestre . ^{[ 116 ] 3}Es mucho más abundante en las estrellas como producto de la fusión nuclear. Por lo tanto, en el medio interestelar , la proporción de ³Él a ⁴Es aproximadamente 100 veces más alto que en la Tierra. ^{[ 118 ]} El material extraplanetario, como el regolito lunar y de asteroides , tiene cantidades traza de helio-3 debido al bombardeo de vientos solares . La superficie de la Luna contiene helio-3 en concentraciones del orden de 10 ppb , mucho más altas que los aproximadamente 5 ppt que se encuentran en la atmósfera terrestre. ^{[ 119 ] [ 120 ]} Varias personas, comenzando con Gerald Kulcinski en 1986, ^{[ 121 ]} han propuesto explorar la Luna, extraer regolito lunar y usar el helio-3 para la fusión .

El helio-4 líquido se puede enfriar a aproximadamente 1 K (−272,15 °C; −457,87 °F) mediante enfriamiento evaporativo en un recipiente de 1 K. Un enfriamiento similar del helio-3, que tiene un punto de ebullición más bajo, puede lograr aproximadamente   0,2  kelvin en un refrigerador de helio-3 . Mezclas iguales de líquido ³Él y ⁴Él abajo0,8  K se separan en dos fases inmiscibles debido a su disimilitud (siguen estadísticas cuánticas diferentes : los átomos de helio-4 son bosones mientras que los átomos de helio-3 son fermiones ). ^{[ 31 ]} Los refrigeradores de dilución utilizan esta inmiscibilidad para alcanzar temperaturas de unos pocos milikelvin. ^{[ 122 ]}

Es posible producir isótopos exóticos de helio , que se desintegran rápidamente en otras sustancias. El isótopo pesado de helio de vida más corta es el helio-10 no ligado con una vida media de2,6(4) × 10 ⁻²²  s . ^{[ 7 ]} El helio-6 se desintegra emitiendo una partícula beta y tiene una vida media de 0,8 segundos. El helio-7 y el helio-8 se crean en ciertas reacciones nucleares . ^{[ 31 ]} Se sabe que el helio-6 y el helio-8 presentan un halo nuclear . ^{[ 31 ]}

Tabla de propiedades térmicas y físicas del gas helio a presión atmosférica: ^{[ 123 ] [ 124 ]}

Aunque es raro en la Tierra, el helio es el segundo elemento más abundante en el Universo conocido, constituyendo el 23% de su masa bariónica . Solo el hidrógeno es más abundante. ^{[ 29 ]} La gran mayoría del helio se formó por la nucleosíntesis del Big Bang entre uno y tres minutos después del Big Bang. Por lo tanto, las mediciones de su abundancia contribuyen a los modelos cosmológicos. Los primeros enlaces moleculares se formaron cuando los átomos primordiales de helio se combinaron con protones para formar iones de hidruro de helio, ^{[ 135 ]} HeH ⁺ . En las estrellas , el helio se forma por la fusión nuclear del hidrógeno en reacciones en cadena protón-protón y el ciclo CNO , parte de la nucleosíntesis estelar . ^{[ 115 ]}

En la atmósfera terrestre , la concentración de helio en volumen es de solo 5,2 partes por millón. ^{[ 136 ] [ 137 ]} La concentración es baja y bastante constante a pesar de la producción continua de nuevo helio porque la mayor parte del helio en la atmósfera terrestre escapa al espacio por varios procesos. ^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]} En la heterosfera terrestre , una parte de la atmósfera superior, el helio y el hidrógeno son los elementos más abundantes.

La mayor parte del helio en la Tierra es resultado de la desintegración radiactiva . El helio se encuentra en grandes cantidades en minerales de uranio y torio , como la uraninita y sus variedades cleveíta y pechblenda, ^{[ 21 ] [ 141 ]} así como en la carnotita y la monacita (un nombre de grupo; "monacita" generalmente se refiere a la monacita-(Ce) ), ^{[ 142 ] [ 143 ]} porque emiten partículas alfa (núcleos de helio, He ²⁺ ) a las que los electrones se combinan inmediatamente tan pronto como la partícula es detenida por la roca. De esta manera, se estima que se generan 3000 toneladas métricas de helio por año en toda la litosfera . ^{[ 144 ] [ 145 ] [ 146 ]} En la corteza terrestre, la concentración de helio es de 8 partes por mil millones. En el agua de mar, la concentración es de solo 4 partes por billón. También se encuentran pequeñas cantidades en manantiales minerales , gases volcánicos y hierro meteórico . Debido a que el helio queda atrapado en el subsuelo en condiciones similares a las del gas natural, las mayores concentraciones naturales de helio del planeta se encuentran en el gas natural, del cual se extrae la mayor parte del helio comercial. La concentración varía en un amplio rango, desde unas pocas ppm hasta más del 7 % en un pequeño yacimiento de gas en el condado de San Juan, Nuevo México . ^{[ 147 ] [ 148 ]}

A partir de 2021Las reservas mundiales de helio se estimaron en 31 mil millones de metros cúbicos, un tercio de los cuales se encontraba en Qatar . ^{[ 149 ]} En 2015 y 2016 se anunciaron reservas probables adicionales bajo las Montañas Rocosas en América del Norte ^{[ 150 ]} y en el Valle del Rift de África Oriental . ^{[ 27 ]}

La Oficina de Administración de Tierras (BLM) propuso un plan para octubre de 2024 para la gestión de los recursos naturales en el oeste de Colorado. El plan contempla el cierre de 543 000 acres a la explotación de petróleo y gas, manteniendo 692 300 acres abiertos. Entre las áreas abiertas, se han identificado 165 700 acres aptos para la recuperación de helio. Estados Unidos posee una reserva estimada de 306 000 millones de pies cúbicos de helio recuperable, suficiente para cubrir las tasas de consumo actuales de 2150 millones de pies cúbicos anuales durante aproximadamente 150 años. ^{[ 151 ]}

La extracción de helio del aire no es económica. ^{[ 152 ]} Para uso a gran escala, el helio se extrae mediante destilación fraccionada del gas natural, que puede contener hasta un 7 % de helio. ^{[ 153 ]} Dado que el helio tiene un punto de ebullición más bajo que cualquier otro elemento, se utilizan bajas temperaturas y alta presión para licuar casi todos los demás gases (principalmente nitrógeno y metano ). El gas helio crudo resultante se purifica mediante exposiciones sucesivas a temperaturas cada vez más bajas, en las que casi todo el nitrógeno restante y otros gases se precipitan de la mezcla gaseosa. El carbón activado se utiliza como paso de purificación final, lo que generalmente da como resultado helio de grado A con una pureza del 99,995 %. ^{[ 31 ]} La principal impureza en el helio de grado A es el neón . En un paso de producción final, la mayor parte del helio producido se licúa mediante un proceso criogénico . Esto es necesario para aplicaciones que requieren helio líquido y también permite a los proveedores de helio reducir el costo del transporte a larga distancia, ya que los contenedores de helio líquido más grandes tienen más de cinco veces la capacidad de los remolques de tubos de helio gaseoso más grandes. ^{[ 83 ] [ 154 ]}

En 2008, se extrajeron aproximadamente 169 millones de metros cúbicos estándar (SCM) de helio del gas natural o de las reservas de helio, con aproximadamente el 78% de Estados Unidos, el 10% de Argelia y la mayor parte del resto de Rusia, Polonia y Qatar. ^{[ 155 ]} Para 2013, los aumentos en la producción de helio en Qatar (bajo la empresa Qatargas administrada por Air Liquide ) habían aumentado la fracción de Qatar en la producción mundial de helio al 25%, convirtiéndolo en el segundo mayor exportador después de Estados Unidos. ^{[ 156 ]} En 2024, Estados Unidos superó a Qatar como el mayor productor mundial de este gas, habiendo extraído 68  millones de SCM de helio ese año en comparación con los 64 millones de SCM de Qatar  . ^{[ 157 ]} Se encontró en Tanzania un depósito estimado de 54 mil millones de pies cúbicos (1,5 × 10 ⁹ m ³ ) de helio en 2016, ^{[ 158 ]} y se inauguró una planta de helio a gran escala en Ningxia , China , en 2020. ^{[ 159 ]}  

En Estados Unidos, la mayor parte del helio se extrae del gas natural de Hugoton y campos de gas cercanos en Kansas, Oklahoma y el campo Panhandle en Texas. ^{[ 83 ] [ 160 ]} Gran parte de este gas se enviaba antes por gasoducto a la Reserva Nacional de Helio , pero desde 2005, esta reserva se ha agotado y vendido, y se esperaba que se agotara en gran medida para 2021 ^{[ 156 ]} en virtud de la Ley de Administración y Gestión Responsable del Helio de octubre de 2013 (HR 527). ^{[ 161 ]} A pesar de los esfuerzos por vender la reserva restante en 2021, los restos de la Reserva Nacional de Helio fueron subastados por la Oficina de Administración de Tierras durante el transcurso de 3 años. ^{[ 162 ] [ 163 ] [ 164 ]} Finalmente se vendió a Messer Group ^{[ 165 ]} el 27 de junio de 2024. ^{[ 157 ]} Los campos de helio del oeste de Estados Unidos están surgiendo como una fuente alternativa de suministro de helio, particularmente los de la región de las " Cuatro Esquinas " (los estados de Arizona, Colorado, Nuevo México y Utah). ^{[ 166 ]}

La difusión de gas natural crudo a través de membranas semipermeables especiales y otras barreras es otro método para recuperar y purificar helio. ^{[ 167 ]} En 1996, Estados Unidos tenía reservas probadas de helio en complejos de pozos de gas de aproximadamente 147 mil millones de pies cúbicos estándar (4,2 mil millones de SCM). ^{[ 168 ]} A las tasas de uso de ese momento (72 millones de SCM por año en Estados Unidos; ver gráfico circular a continuación) esto habría sido suficiente helio para aproximadamente 58 años de uso en Estados Unidos, y menos que esto (quizás el 80% del tiempo) a las tasas de uso mundial, aunque los factores de ahorro y procesamiento afectan las cifras de reservas efectivas.

El helio se comercializa en estado líquido o gaseoso. En estado líquido, se puede suministrar en pequeños contenedores aislados llamados dewars , con capacidad para hasta 1000 litros, o en grandes contenedores ISO, con una capacidad nominal de hasta 42  m³ (aproximadamente ^11 000 galones estadounidenses ). En estado gaseoso, se suministran pequeñas cantidades de helio en cilindros de alta presión con ^una capacidad de hasta 8 ^m³  ( aproximadamente 0,282 pies cúbicos estándar), mientras que grandes cantidades de gas a alta presión se suministran en remolques cisterna, con una capacidad de hasta 4860 m³ (aproximadamente 172 000 pies cúbicos estándar). 

Según defensores del helio como el físico y premio Nobel Robert Coleman Richardson , quien escribió en 2010, el precio de mercado libre del helio ha contribuido a un uso derrochador (por ejemplo, para globos de helio ). Los precios en la década de 2000 se redujeron debido a la decisión del Congreso de los Estados Unidos de vender las grandes reservas de helio del país para 2015. ^{[ 24 ]} Richardson planteó que el precio del helio debía multiplicarse por 20 para eliminar el desperdicio excesivo del gas. En un artículo de 2012 de Nuttall y sus colegas titulado "Dejemos de despilfarrar helio", propusieron crear una Agencia Internacional del Helio que desarrollara un mercado de helio sostenible. ^{[ 169 ]}

El helio se utiliza como gas protector en el crecimiento de cristales de silicio y germanio , en la producción de titanio y circonio , y en cromatografía de gases [ ^{110 ] debido} a su inercia. Gracias a su inercia, su naturaleza térmica y calóricamente perfecta , su alta velocidad del sonido y su elevado coeficiente de capacidad calorífica , también resulta útil en túneles de viento supersónicos ^{[ 172 ]} e instalaciones de impulso ^{[ 173 ]} .

El helio se utiliza como gas de protección en procesos de soldadura por arco en materiales que están contaminados y debilitados por el aire o el nitrógeno a temperaturas de soldadura. ^{[ 29 ]} Se utilizan varios gases de protección inertes en la soldadura por arco de tungsteno con gas, pero el helio se utiliza en lugar del argón, que es más barato, especialmente para soldar materiales que tienen una conductividad térmica más alta , como el aluminio o el cobre .

El helio neutro en condiciones estándar no es tóxico, no desempeña ningún papel biológico y se encuentra en cantidades ínfimas en la sangre humana.

La velocidad del sonido en el helio es casi tres veces mayor que la del aire. Debido a que la frecuencia de resonancia natural de una cavidad llena de gas es proporcional a la velocidad del sonido en el gas, cuando se inhala helio, se produce un aumento correspondiente en las frecuencias de resonancia del tracto vocal , que es el amplificador del sonido vocal. ^{[ 29 ] [ 191 ]} Este aumento en la frecuencia de resonancia del amplificador (el tracto vocal) proporciona una mayor amplificación a los componentes de alta frecuencia de la onda sonora producida por la vibración directa de las cuerdas vocales, en comparación con el caso en que la laringe está llena de aire. Cuando una persona habla después de inhalar gas helio, los músculos que controlan la laringe siguen moviéndose de la misma manera que cuando la laringe está llena de aire; por lo tanto, la frecuencia fundamental (a veces llamada tono ) producida por la vibración directa de las cuerdas vocales no cambia. ^{[ 192 ]} Sin embargo, la amplificación preferida de alta frecuencia provoca un cambio en el timbre del sonido amplificado, lo que resulta en una calidad vocal aguda, similar a la de un pato. El efecto opuesto, la disminución de las frecuencias resonantes, se puede obtener inhalando un gas denso como el hexafluoruro de azufre o el xenón .

Inhalar helio puede ser peligroso si se hace en exceso, ya que el helio es un asfixiante simple y, por lo tanto, desplaza el oxígeno necesario para la respiración normal. ^{[ 29 ] [ 194 ]} Se han registrado muertes, incluyendo un joven que se asfixió en Vancouver en 2003 y dos adultos que se asfixiaron en el sur de Florida en 2006. ^{[ 195 ] [ 196 ]} En 1998, una niña australiana de Victoria perdió el conocimiento y se puso azul temporalmente después de inhalar todo el contenido de un globo de fiesta. ^{[ 197 ] [ 198 ] [ 199 ]} Inhalar helio directamente de cilindros presurizados o incluso de válvulas de inflado de globos es extremadamente peligroso, ya que un alto caudal y presión pueden provocar barotrauma , rompiendo fatalmente el tejido pulmonar. ^{[ 194 ] [ 200 ]}

Las muertes causadas por helio son raras. El primer caso documentado por los medios fue el de una joven de 15 años de Texas que falleció en 1998 por inhalación de helio en la fiesta de una amiga; se desconoce el tipo exacto de muerte por helio. ^{[ 197 ] [ 198 ] [ 199 ]}

En Estados Unidos, solo se reportaron dos muertes entre 2000 y 2004, incluyendo un hombre que murió en Carolina del Norte por barotrauma en 2002. ^{[ 195 ] [ 200 ]} Un joven se asfixió en Vancouver durante 2003, y un hombre de 27 años en Australia tuvo una embolia después de respirar de un cilindro en 2000. ^{[ 195 ]} Desde entonces, dos adultos se asfixiaron en el sur de Florida en 2006, ^{[ 195 ] [ 196 ] [ 201 ]} y hubo casos en 2009 y 2010, uno de los cuales fue un joven californiano que fue encontrado con una bolsa sobre su cabeza, conectada a un tanque de helio, ^{[ 202 ]} y otro adolescente en Irlanda del Norte murió por asfixia. ^{[ 203 ]} En Eagle Point, Oregón, una adolescente murió en 2012 por barotrauma en una fiesta. ^{[ 204 ] [ 205 ] [ 206 ]} Una niña de Michigan murió de hipoxia más adelante ese año. ^{[ 207 ]}

El 4 de febrero de 2015, se reveló que, durante la grabación de su programa principal de televisión el 28 de enero, una integrante de 12 años (nombre omitido) del grupo musical femenino japonés 3B Junior sufrió una embolia gaseosa , perdiendo el conocimiento y entrando en coma como resultado de burbujas de aire que bloquearon el flujo sanguíneo al cerebro tras inhalar grandes cantidades de helio como parte de un juego. El incidente no se hizo público hasta una semana después. ^{[ 208 ] [ 209 ]} El personal de TV Asahi realizó una conferencia de prensa de emergencia para comunicar que la integrante había sido trasladada al hospital y mostraba signos de rehabilitación, como el movimiento de ojos y extremidades, pero que aún no había recuperado la conciencia por completo. La policía inició una investigación por negligencia en las medidas de seguridad. ^{[ 210 ] [ 211 ]}

Los problemas de seguridad del helio criogénico son similares a los del nitrógeno líquido ; sus temperaturas extremadamente bajas pueden provocar quemaduras por frío , y la relación de expansión líquido-gas puede causar explosiones si no se instalan dispositivos de alivio de presión. Los contenedores de helio a temperaturas entre 5 y 10 K deben manipularse como si contuvieran helio líquido debido a la rápida y significativa expansión térmica que se produce cuando el helio a menos de 10 K se calienta a temperatura ambiente . ^{[ 110 ]}

A altas presiones (más de aproximadamente 20  atm o dos MPa ), una mezcla de helio y oxígeno ( heliox ) puede provocar el síndrome nervioso de alta presión , una especie de efecto anestésico inverso; añadir una pequeña cantidad de nitrógeno a la mezcla puede aliviar el problema. ^{[ 212 ] [ 181 ]}