Elio

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idrogeno - elio - litio He Ne Tavola periodica
Generale
Nome, Simbolo, Numero Atomico			elio, He, 2
Serie chimica			gas nobili
Gruppo, Periodo, Blocco			18 (VIIIA), 1, p
Densità, Durezza			0,1785 kg/m3, Nd
Colore			incolore
Proprietà atomiche
Peso atomico			4,002602 amu
Raggio atomico			128 pm
Raggio covalente			32 pm
Raggio di van der Waals			140 pm
Configurazione elettronica			1s2
e- per livello energetico			2
Stato di ossidazione			0 (sconosciuto)
Struttura cristallina			Esagonale
Proprietà fisiche
Stato di aggregazione			gassoso
Punto di fusione			0,95 K, (-272,22 °C)
Punto di ebollizione			4,24 K, (-268,93 °C)
Volume molare			21,0 × 10-3 m3/mol
Calore di vaporizzazione			0,0845 kJ/mol
Calore di fusione			5,23 kJ/mol
Pressione del vapore			non applicabile
Velocità del suono			970 m/s a 293,15 K
Varie
Elettronegatività			nd (Scala di Pauling)
Calore specifico			5193 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica			NA
Conducibilità termica			0,152 W/(m*K)
Energia di prima ionizzazione			2372,3 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione			5250,5 kJ/mol
Isotopi stabili
iso	NA	TD	DM	DE	DP
3He	0,000137%	He è stabile con 1 neutrone
4He	99,999863%	He è stabile con 2 neutroni
6He	sintetico	806,7 ms	β-	3,508	6Li
iso = isotopo NA = abbondanza in natura TD = tempo di dimezzamento DM = modalità di decadimento DE = energia di decadimento in MeV DP = prodotto del decadimento

L'elio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo He e come numero atomico 2. È un gas nobile incolore e inodore; ha il più basso punto di ebollizione fra tutti gli elementi e può solidificare solo se sottoposto ad altissime pressioni. Si presenta come gas monoatomico ed è chimicamente inerte. È il secondo elemento più diffuso nell'universo, dopo l'idrogeno.

Tracce di elio, dovute al decadimento di certi minerali, sono presenti nell'atmosfera terrestre; l'elio si trova inoltre in alcune acque minerali e, in quantità economicamente sfruttabili, anche in alcuni gas naturali. È usato nei palloni aerostatici, come liquido refrigerante per i magneti superconduttori e come gas nelle miscele per le immersioni di profondità.

Indice 1 Caratteristiche 2 Applicazioni 3 Storia 4 Disponibilità 5 Composti 6 Forme 7 Isotopi 8 Precauzioni

[modifica] Caratteristiche

A temperatura e pressione standard, l'elio esiste solo come gas monoatomico. Condensa solo in condizioni estreme.

Possiede il più basso punto di ebollizione tra tutti gli elementi ed è l'unico liquido che non può essere solidificato abbassandone la temperatura; rimane liquido fino allo zero assoluto a pressione standard (si può solidificare solo aumentando la pressione). Infatti, la temperatura critica, alla quale non c'è differenza tra lo stato liquido e quello gassoso è di soli 5,9 K. L'He-3 e l'He-4 solidi sono unici in quanto applicando maggiore pressione, cambiano il loro volume di più del 30%.

L'elio solido esiste solo alla pressione di circa 100 MPa a 15 K, all'incirca a questa temperatura l'elio subisce una transizione tra le forme ad alta e a bassa temperatura, nelle quali gli atomi strettamente impacchetttati assumono rispettivamente una configurazione cubica o esagonale. Tutte queste disposizioni sono simili dal punto di vista energetico e della densità e i motivi della transizione risiedono nel modo in cui gli atomi interagiscono.

[modifica] Applicazioni

L'elio è spesso usato all'interno di palloni aerostatici e dirigibili, usati per scopi pubblicitari, ricerca atmosferica e ricognizione militare. Inoltre l'elio possiede il 92,64% della capacità di sollevamento dell'idrogeno ma non è infiammabile ed è quindi considerato più sicuro. Altre applicazioni:

• Miscele di elio-ossigeno sono utilizzate negli apparati respiratori ad alta pressione per immersioni profonde e nei sommergibili. Questo perché l'elio è inerte, meno solubile nel sangue dell'azoto e rispetto a quest'ultimo si diffonde 2,5 volte più velocemente. Si riducono così i tempi per la decompressione, si eliminano i rischi di narcosi da azoto, ed è meno soggetto a creare bolle nelle anse delle vene.
• Il suo punto di ebollizione estremamente basso, rende l'elio liquido un refrigerante ideale per molte applicazioni a temperature estremamente basse quali i magneti superconduttori e le ricerche criogeniche, dove sono necessarie temperature prossime allo zero assoluto. Miscele di elio-3 elio-4 sono usate nei refrigeratori a diluizione.
• L'elio è usato come gas inerte nella gascromatografia.
• La fusione nucleare dell'idrogeno nell'elio fornisce l'energia necessaria per la bomba all'idrogeno.
• È usato per pressurizzare i serbatoi di combustibile liquido (per motivi di sicurezza: essendo l'elio inerte, si riducono i rischi d'incendio), nella saldatura ad arco, come gas protettivo nella crescita di cristalli di silicio e germanio, come refrigerante nei reattori nucleari, e come gas nelle gallerie del vento supersoniche.
• Viene anche utilizzato per gonfiare palloncini in lattice o altri materiali e, se inalato, provoca modificazioni temporanee della voce, rendendola più acuta del normale.

L'elio liquido trova un utilizzo crescente nell'MRI "magnetic resonance imaging", in quanto l'applicazione medica di questa tecnologia si sta diffondendo.

[modifica] Storia

L'elio (dal greco helios, sole) fu scoperto dal francese Pierre Janssen e dall'inglese Norman Lockyer, indipendentemente l'uno dall'altro, nel 1868. Entrambi stavano studiando la luce solare durante un'eclissi e, analizzandone lo spettro trovarono la linea di emissione di un elemento sconosciuto. Eduard Frankland confermò la scoperta di Janssen e propose che il nome dell'elemento ricordasse Helios il dio greco del sole, con l'aggiunta dell suffisso -ium (in inglese), perché ci si aspettava che il nuovo elemento fosse un metallo. Venne isolato da Sir William Ramsay nel 1895, dalla clevite e definitivamente classificato come non metallo. I chimici svedesi Nils Langlet e Per Theodor Cleve, lavorando indipendentemente da Ramsay, riuscirono a isolare l'elio dalla clevite all'incirca nello stesso periodo.

Nel 1907 Ernest Rutherford e Thomas Royds riuscirono a dimostrare che le particelle alfa sono nuclei di elio. Nel 1908 il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes produsse il primo elio liquido raffreddandolo a 0,9°K, un'impresa che gli guadagnò il Premio Nobel. Nel 1926 un suo studente Willem Hendrik Keesom fu il primo a solidificare l'elio.

[modifica] Disponibilità

L'elio è il secondo elemento più diffuso dell'universo dopo l'idrogeno, forma circa il 20% della materia delle stelle e gioca un ruolo importante nelle reazioni responsabili della quantità di energia che esse producono. L'abbondanza di elio è troppo grande per essere spiegata dalle sole reazioni all'interno delle stelle, ma è consistente con il modello del big bang, e si ritiene che la maggior parte dell'elio presente nell'universo si sia formata nei tre minuti successivi al big bang.

Questo elemento è presente nell'atmosfera terrestre in un rapporto di 5 ppm e si trova come prodotto del decadimento di alcuni minerali radioattivi. Specificamente si trova nei minerali di uranio e torio come la clevite, la pechblenda, la carnotite e la monazite; è prodotto da questi elementi tramite decadimento radioattivo, nella forma di particelle alfa. Si trova inoltre in alcune acque minerali (1 parte di elio per mille d'acqua in alcune sorgenti islandesi), nei gas vulcanici, e in certi depositi di gas naturali degli Stati Uniti (dai quali deriva la maggior parte dell'elio prodotto commercialmente). L'elio può essere sintetizzato bombardando atomi di litio o boro con protoni ad alta velocità.

[modifica] Composti

L'elio è il più inerte tra gli elementi, ma sotto l'influenza di scariche elettriche, o il bombardamento di elettroni forma dei composti assieme a tungsteno, iodio, fluoro, zolfo e fosforo. Può inoltre da luogo ad eccimeri e eccimplessi se sottoposto a eccitazione.

[modifica] Forme

L'elio liquido (⁴He) si trova in due forme: ⁴He I e ⁴He II, che condividono un punto di transizione a 2,174 K. ⁴He I (al di sopra di questo punto) è un liquido normale, ma ⁴He II (sotto questa temperatura) è differente da qualsiasi altra sostanza.

Quando viene raffreddato sotto i 2,189 K a pressione normale, il cosiddetto punto lambda, diventa un superfluido conosciuto come elio liquido II. Contrariamente al normale elio liquido I, possiede molte caratteristiche inusuali dovute a effetti quantistici; il suo comportamento fu uno dei primi esempi osservati di effetto quantistico operante su scala macroscopica. Questa transizione avviene ad una temperatura ancora più bassa nell'elio-3, in quanto l'effetto conta sulla condensazione dei bosoni, ma i nuclei dell'elio-3 sono fermioni, i quali non possono condensare individualmente ma solo in coppie bosoniche. Poiché la trasformazione è di ordine superiore, senza calore latente al punto lambda, le due forme liquide non coesistono mai.

L'elio II ha viscosità nulla ed una conducibilità termica molto più alta di tutte le altre sostanze. Inoltre l'elio II mostra un effetto termomeccanico (effetto fontana); se due vasi contenenti elio II sono connessi da un capillare e uno dei due vasi viene riscaldato, si ottiene un flusso di elio verso il vaso riscaldato. Per contro, nell'effetto meccanocalorico, un flusso forzato di elio II attraverso un capillare produce il raffreddamento dell'elio II che lascia il capillare. Pulsazioni di calore introdotte nell'elio II si propagano attraverso il liquido allo stesso modo delle pulsazioni sonore, un fenomeno che è stato battezzato "secondo suono". Superfici solide a contatto con l'elio II vengono ricoperte da una pellicola con uno spessore da 50 a 100 atomi, che producono uno scorrimento senza attrito del liquido; come conseguenza è impossibile contenere l'elio II in un vaso aperto senza che il liquido ne fluisca fuori. Il trasporto della massa attraverso la pellicola di elio II avviene a una quantità costante che dipende dalla temperatura. Infine, una massa di elio II non ruota unitariamente, i tentativi di porla in rotazione producono piccoli vortici senza attrito attraverso il liquido.

[modifica] Isotopi

L'isotopo più comune dell'elio è ⁴He, dove il nucleo ha due protoni e due neutroni. Questa configurazione è straordinariamente stabile in quanto possiede un numero magico di nucleoni, ovvero un numero dove essi sono disposti a formare un guscio completo. Molti nuclei pesanti decadono emettendo nuclei di ⁴He, il processo è chiamato decadimento alfa e perciò i nuclei di elio sono chiamati particelle alfa. La maggior parte dell'elio sulla Terra viene generato da questo processo. L'elio ha un secondo isotopo, ³He, nel quale il nucleo ha un singolo neutrone. Come altri isotopi più pesanti, anche questo è radioattivo. ³He è praticamente sconosciuto sulla superficie terrestre, in quanto le fonti di elio producono solo ⁴He come particelle alfa e l'elio atmosferico sfugge nello spazio in tempi geologici relativamente brevi.

Sia ³He che ⁴He furono prodotti nel big bang, e dopo l'idrogeno, l'elio è il secondo elemento più abbondante dell'universo. Altro elio è prodotto dalla fusione dell'idrogeno all'interno dei nuclei stellari.

[modifica] Precauzioni

Contenitori riempiti con elio gassoso a 5-10 K devono essere conservati come se contenessero elio liquido a causa dell'alto incremento di pressione che risulta dal riscaldamento del gas a temperatura ambiente.