Como se descobriu um elemento a olhar para o Sol?
Em agosto de 1868, durante um eclipse total visível da Índia, o astrónomo francês Jules Janssen observou o espetro de uma protuberância solar e anotou uma risca amarela a 587,6 nanómetros. Estava perto das riscas do sódio, mas não coincidia com nenhuma.
Nesse mesmo ano, o inglês Norman Lockyer chegou à mesma conclusão e propôs que correspondia a um elemento desconhecido. Chamou-lhe hélio, do grego helios, sol.
A proposta foi recebida com ceticismo. Afirmar a existência de um elemento que ninguém tinha tocado, apenas com base numa risca de luz, ia mais longe do que a química da época aceitava. Passaram vinte e sete anos até que William Ramsay, em 1895, obtivesse hélio em Londres tratando o mineral cleveíte com ácido e verificasse que o seu espetro tinha a mesma risca amarela.
O hélio é o único elemento identificado fora da Terra antes de o ser nela.
Por que é tão inerte?
Pela configuração 1s². Dois eletrões preenchem por completo a primeira camada, e essa camada não admite mais: a orbital 1s tem capacidade para dois e nenhum além disso.
Um átomo com a camada cheia nada ganha em ceder ou aceitar eletrões. A energia de ionização do hélio é de 2 372 kJ/mol, a mais alta de toda a tabela periódica. Arrancar-lhe um eletrão custa mais do que a qualquer outro átomo.
Essa estabilidade tem consequências para lá da química. Um núcleo de dois protões e dois neutrões está excecionalmente ligado, e por isso as partículas alfa emitidas em desintegrações radioativas são núcleos de hélio e não outro fragmento qualquer. A energia de ligação por nucleão do hélio 4 é um pico local que domina toda a nucleossíntese estelar.
Não se conhece nenhum composto estável de hélio em condições ordinárias. Foram descritas espécies sob pressões extremas, como Na₂He acima de um milhão de atmosferas, mas não são química corrente.
O que é o hélio superfluido?
Abaixo de 2,17 K, o hélio líquido deixa de se comportar como um líquido ordinário. A transição chama-se ponto lambda pela forma que a curva do calor específico assume.
Nesse estado, chamado hélio II, a viscosidade é indistinguível de zero. O líquido escoa por capilares de um diâmetro por onde nenhum fluido normal passaria. Trepa pelas paredes do recipiente numa película de algumas dezenas de nanómetros e sai pela borda: se se encher um copo de hélio superfluido e se o deixar isolado, ele esvazia-se sozinho.
A sua condutividade térmica é centenas de vezes maior do que a do cobre. Por isso o hélio superfluido não ferve formando bolhas: qualquer calor distribui-se tão depressa que a superfície evapora sem ebulição local. Ao atravessar o ponto lambda, um banho de hélio que borbulhava fica subitamente em calma, e essa mudança visível é o sinal clássico no laboratório.
Pyotr Kapitsa recebeu o Nobel em 1978 por este trabalho. O fenómeno resulta de os átomos de hélio 4 serem bosões e poderem ocupar todos o mesmo estado quântico.
Por que escasseia na Terra se abunda no universo?
Pela mesma razão do hidrogénio: a massa. Um átomo de hélio pesa quatro unidades e move-se com velocidade suficiente para escapar da atmosfera terrestre. O hélio primordial da formação do planeta perdeu-se há muito.
Todo o hélio disponível hoje é radiogénico. O urânio 238 e o tório 232 presentes nas rochas da crosta emitem partículas alfa ao desintegrar-se; cada partícula alfa captura dois eletrões e transforma-se num átomo de hélio. O processo é lentíssimo: a semivida do urânio 238 é de 4 468 milhões de anos.
Esse hélio migra através da rocha e acumula-se sob as mesmas armadilhas geológicas que retêm o gás natural. A concentração na maioria dos jazigos é demasiado baixa para justificar a separação. Só alguns campos — no Kansas, no Catar, na Argélia e na Rússia — ultrapassam o limiar económico, na ordem dos 0,3 %.
A separação faz-se por liquefação fracionada: arrefece-se o gás natural até que tudo o resto condense e o hélio, com o ponto de ebulição mais baixo que existe, permaneça em fase gasosa.
Para que serve, para lá dos balões?
Os balões são uma fração menor e visível de um consumo maioritariamente técnico.
O uso principal é a refrigeração de ímanes supercondutores. Um aparelho de ressonância magnética contém bobinas que têm de permanecer abaixo da sua temperatura crítica, e só o hélio líquido chega a 4,2 K. Um equipamento típico alberga entre 1 000 e 2 000 litros. O Grande Colisionador de Hadrões do CERN utiliza cerca de 120 toneladas.
Na soldadura por arco, o hélio protege o banho fundido do oxigénio atmosférico. A sua elevada condutividade térmica produz um arco mais quente do que o árgon, o que convém ao alumínio e ao cobre.
Na deteção de fugas aproveita-se o facto de o átomo de hélio ser pequeno e quimicamente inerte: pressuriza-se um sistema com hélio e procura-se por fora com um espetrómetro de massa. Deteta fugas que nenhum outro método revela.
Também se usa em misturas respiratórias para mergulho profundo, substituindo o azoto, que a alta pressão provoca narcose. A mistura de hélio e oxigénio, chamada helioxe, permite trabalhos submarinos a profundidades onde o ar comprimido seria incapacitante. O inconveniente é o mesmo que torna divertidos os balões: a voz dos mergulhadores torna-se ininteligível e exige processamento eletrónico para a comunicação.
Em investigação, o hélio 3 — um isótopo raríssimo, presente em cerca de uma parte por milhão do hélio natural — permite atingir temperaturas ainda mais baixas. Um refrigerador de diluição que mistura hélio 3 com hélio 4 desce abaixo dos poucos milikelvin, e é a tecnologia que mantém frios os computadores quânticos supercondutores atuais. O hélio 3 é tão escasso que a maior parte do que existe no mercado provém da desintegração do trítio dos arsenais nucleares.