El segundo elemento de la tabla periódica es el helio, He, de número atómico 2. Todos los átomos de helio tienen 2 protones en su núcleo y 2 electrones. Hay dos isótopos del helio, de los cuales el , que contiene 2 neutrones en el núcleo, es con mucho el predominante, con un número mucho menor del isótopo más ligero, el
, que tiene 2 protones y 1 neutrón en su núcleo y un número másico de 3.
El helio es un gas noble, lo que significa que existe sólo como átomos de los elementos que nunca están unidos a otros átomos. La figura 3.3 es una representación del átomo de helio que muestra sus 2 electrones. El símbolo de Lewis del helio es simplemente He con 2 puntos. Esto muestra una característica muy importante de los átomos. A medida que los electrones se añaden a los átomos con el aumento del número atómico, se añaden en varios niveles conocidos como capas de electrones. El único electrón del hidrógeno, H, va a la primera capa de electrones, la de menor energía posible. El segundo electrón que se añade para formar el átomo de helio también entra en la primera capa de electrones. Esta capa de electrones más baja sólo puede contener un máximo de 2 electrones, por lo que el helio tiene una capa de electrones llena. Los átomos con cáscaras electrónicas llenas no tienen tendencia a perder, ganar o compartir electrones y, por lo tanto, no se relacionan con otros átomos mediante enlaces químicos. Estos átomos existen solos en la fase gaseosa y los elementos que los componen se denominan gases nobles. El helio es el primero de los gases nobles.
El gas helio tiene una densidad muy baja de sólo 0,164 g/L a 25˚C y 1 atm de presión. El helio elemental es la segunda sustancia menos densa junto al hidrógeno gaseoso. Es esta característica de baja densidad la que hace que el helio sea tan útil en los globos, incluidos los meteorológicos, que pueden permanecer en el aire durante días, alcanzando altitudes muy elevadas.
El helio se bombea desde el suelo con algunas fuentes de gas natural, algunas de las cuales contienen hasta un 10% de helio en volumen. El helio se observó por primera vez en el sol por las longitudes de onda específicas de la luz emitida por los átomos de helio calientes. Las fuentes subterráneas de helio fueron descubiertas por los perforadores que buscaban gas natural en el suroeste de Kansas, quienes intentaron encender el gas de un nuevo pozo y se decepcionaron al descubrir que no se quemaba, ya que era prácticamente helio puro.
El helio, químicamente no reactivo, no tiene ningún uso químico, excepto proporcionar una atmósfera químicamente inerte. El helio, un gas no tóxico, inodoro, insípido e incoloro, se utiliza por sus propiedades físicas únicas. Ya se han mencionado sus aplicaciones en globos meteorológicos y dirigibles. Debido a su baja solubilidad en la sangre, el helio se mezcla con el oxígeno para que lo respiren los buceadores de alta mar y las personas con algunas enfermedades respiratorias. El uso del helio por parte de los buceadores evita la dolorosa afección llamada «el síndrome del buzo», causada por las burbujas de nitrógeno que se forman a partir del gas nitrógeno disuelto en la sangre.
El mayor uso del helio es como líquido superfrío, que hierve a una temperatura de sólo 4,2 K por encima del cero absoluto (-269˚C), especialmente en la creciente ciencia de la criogenia, que se ocupa de las temperaturas muy bajas. Algunos metales son superconductores a esas temperaturas, por lo que el helio se utiliza para enfriar electroimanes que permiten que imanes relativamente pequeños desarrollen campos magnéticos muy potentes. Estos imanes son los componentes de una herramienta química muy útil conocida como resonancia magnética nuclear (RMN). El mismo tipo de instrumento modificado para aplicaciones clínicas y denominado RMN se utiliza como herramienta de diagnóstico médico para escanear secciones del cuerpo en busca de evidencias de tumores y otras enfermedades.
El hidrógeno quiere ser como el helio
Examen del símbolo de Lewis del helio (derecha, Figura 3.3) y la fórmula de Lewis del hidrógeno elemental, H2, (Figura 3.1) muestra que cada uno de los dos átomos de hidrógeno en la molécula de H2 puede reclamar 2 electrones y, por tanto, llegar a parecerse al átomo de helio. Recordemos que el helio es un gas noble que está muy contento con sus 2 electrones. Cada uno de los átomos de H del H2 se conforma con 2 electrones, aunque los comparte. Esto indica una regla básica del enlace químico según la cual los átomos de un elemento tienden a adquirir la misma configuración electrónica que la del gas noble más cercano. En este caso, el hidrógeno, que viene justo antes del helio en la tabla periódica, gana la configuración de gas noble del helio al compartir electrones.
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