Elio

Elio
2 He                                                                                                                                                                                                                                                               idrogeno ← elio → litio
Aspetto
Gas incolore, sottoposto ad un campo elettrico presenta emissioni porpora
Linea spettrale
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	elio, He, 2
Serie	gas nobili
Gruppo, periodo, blocco	18 (VIIIA), 1, p
Densità	0,1785 kg/m³
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico	4,002602 u
Raggio atomico (calc.)	128 pm
Raggio covalente	32 pm
Raggio di van der Waals	140 pm
Configurazione elettronica	1s2
e− per livello energetico	2
Stati di ossidazione	0 (sconosciuto)
Struttura cristallina	esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia	gassoso
Punto di fusione	0,95 K (−272,22 °C) a 2,5 MPa
Punto di ebollizione	4,24 K (−268,93 °C)
Volume molare	21,0 × 10−6  m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	84,5 J/mol
Calore di fusione	5,23 kJ/mol
Velocità del suono	970 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-59-7
Calore specifico	5193 J/(kg·K)
Conducibilità termica	0,152 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	2372,3 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	5250,5 kJ/mol
Isotopi più stabili
Per approfondire vedi la voce isotopi dell'elio.
iso NA TD DM DE DP 3He 0,000137% È stabile con 1 neutrone 4He 99,999863% 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 (dal greco ἥλιος -ου, hélios -o, "sole") è l'elemento chimico della tavola periodica che ha come simbolo He e come numero atomico 2. È un gas nobile incolore, inodore, insapore, non tossico e inerte. 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.

Dopo l'idrogeno, l'elio è il secondo elemento più leggero e il secondo più abbondante nell'universo osservabile, essendo presente in circa il 24% della massa totale elementale, che è più di 12 volte la massa di tutti gli elementi più pesanti insieme. La sua abbondanza è simile a questi dati sia nel Sole che su Giove. Ciò è dovuto all'altissima energia nucleare di legame (per nucleone) di elio-4 rispetto ai successivi tre elementi successivi all'elio. Questa energia di legame spiega anche perché è un prodotto sia della fusione nucleare che del decadimento radioattivo. La maggior parte dell'elio presente nell'universo è l'elio-4, e si crede che si sia formato durante il Big Bang. Grandi quantità di nuovo elio vengono continuamente create dalla fusione nucleare dell'idrogeno che avviene nelle stelle.

L'elio prende il nome dal dio greco del sole, Helios. Inizialmente venne individuato grazie ad una sconosciuta linea gialla osservata in una spettroscopia durante un'eclissi solare nel 1868, dall'astronomo francese Jules Janssen. Janssen è accreditato per la sua identificazione in collaborazione con Norman Lockyer. Quest'ultimo fu il primo a proporre che la linea apparsa fosse dovuta ad un nuovo elemento. La scoperta formale dell'elemento è stata fatta nel 1895 da due chimici svedesi, Per Teodor Cleve e Nils Abraham Langlet. Nel 1903, grandi riserve di elio vennero trovate in giacimenti di gas naturale in alcune parti degli Stati Uniti, che è oggi di gran lunga il più grande fornitore del gas.

L'elio liquido viene utilizzato nella criogenia (il suo maggiore uso singolo, che utilizza circa un quarto della produzione), in particolare nel raffreddamento dei magneti superconduttori, con la principale applicazione commerciale rappresentata dalle apparecchiature per la risonanza magnetica nucleare. Atri utilizzi industriali dell'elio sono la pressurizzazione e lo spurgo dei gas, la creazione di una atmosfera protettiva per la saldatura ad arco e per processi particolari come la crescita di cristalli di silicio. Un uso minore è quello di gas di sollevamento per mongolfiere e dirigibili oppure come gas nelle miscele per le immersioni di profondità. Come con qualsiasi gas la cui densità diversa da quella dell'aria, inalando un piccolo volume di elio viene, temporaneamente, modificato il timbro e la qualità della voce umana. Nella ricerca scientifica, il comportamento delle due fasi fluide dell'elio-4 (elio I e l'elio II), è importante per i ricercatori che studiano la meccanica quantistica (in particolare la proprietà di superfluidità) e per quelli che sperimentano alcuni fenomeni, come la superconduttività, e i prodotti della materia vicino allo zero assoluto.

Sulla Terra è relativamente raro: 5,2 ppm (parti per milione) in volume nell'atmosfera. La maggior parte dell'elio terrestre presente oggi è stato creato dal decadimento radioattivo naturale degli elementi radioattivi pesanti (torio e uranio, in particolare), in quanto le particelle alfa emesse da tali decadimenti sono composti da nuclei di elio-4. Questo elio radiogenico è intrappolato nel gas naturale in grandi concentrazioni, circa del 7% in volume, da cui viene estratto commercialmente grazie ad un processo di separazione a bassa temperatura chiamato distillazione frazionata. In passato, l'elio era ritenuto una risorsa terrestre non rinnovabile poiché una volta rilasciato in atmosfera sfuggiva facilmente nello spazio. Tuttavia, studi recenti suggeriscono che l'elio prodotto in profondità nella terra dal decadimento radioattivo sia in grado di raccogliersi in riserve di gas naturale in dosi maggiori di quelle attese; in alcuni casi può essere rilasciato dall'attività vulcanica.

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 solo 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 5,3 K. L'isotopo ³He e l'isotopo ⁴He 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 impacchettati 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.

Applicazioni

L'elio è spesso usato all'interno di palloni aerostatici, palloncini e dirigibili, adoperati per scopi pubblicitari, festivi, 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 molto sicuro da maneggiare. 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, anche se più solubile nel sangue dell'azoto e rispetto a quest'ultimo si diffonde 2,5 volte più velocemente. Si diminuiscono così i tempi per la decompressione e si eliminano i rischi di narcosi da azoto e si riduce la formazione di bolle nelle anse delle vene. Un effetto indesiderato dell'elio è la modifica del tono della voce, il cosiddetto "effetto paperino", che rende difficilmente comprensibili le comunicazioni con gli operatori subacquei.
• 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 ³He e ⁴He sono usate nei refrigeratori a diluizione.
• L'elio è usato come gas inerte nella gascromatografia.
• L'elio è usato come gas per misure di densità assoluta, in appositi picnometri a elio che misurano il volume degli oggetti a meno della porosità raggiungibile dall'elio.
• La fusione nucleare dell'idrogeno nell'elio fornisce l'energia necessaria per la bomba all'idrogeno. L'elio in questo caso è un sottoprodotto della reazione e il risultato è lo sviluppo di una grande quantità di energia.
• 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 alcuni reattori nucleari sperimentali e come gas nelle gallerie del vento supersoniche.
• Viene anche utilizzato per gonfiare palloncini in mylar o lattice per usi ludici. Data la sua scarsa densità è un ottimo (ma costoso) sostituto dell'idrogeno. A differenza dell'idrogeno presenta il vantaggio di non essere infiammabile.
• L'elio liquido trova un utilizzo crescente nell'imaging a risonanza magnetica, in quanto l'applicazione medica di questa tecnologia si sta diffondendo nell'ultimo periodo.

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. Edward Frankland confermò la scoperta di Janssen e propose che il nome dell'elemento ricordasse Helios il dio greco del sole, con l'aggiunta del suffisso -ium (in inglese), perché ci si aspettava che il nuovo elemento fosse un metallo. Venne isolato da Sir William Ramsay nel 1895, dalla cleveite 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 cleveite 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 valse il Premio Nobel. Nel 1926 un suo studente, Willem Hendrik Keesom, riuscì per primo a solidificare l'elio.

Disponibilità

Nell'universo

L'elio è il secondo elemento più diffuso dell'universo dopo l'idrogeno, forma più del 25% in massa nelle 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 coerente 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.

Sulla Terra

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, tra cui la cleveite (il primo minerale in cui fu scoperta la presenza di elio), 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.

Durante una trivellazione petrolifera nel 1903 in Kansas si ottenne un geyser gassoso composto di azoto (72%), metano (15%), idrogeno (1%) e un 12% di un gas non identificato. Grazie a successive analisi Cady e McFarland scoprirono che l'1,84% di tale campione era elio. Questo dimostrò che nonostante la sua scarsità sulla Terra l'elio era concentrato in grandi quantità sotto le Grandi Pianure statunitensi, disponibile per l'estrazione come sottoprodotto del gas naturale. Questa scoperta permise agli stati Uniti di diventare il maggior produttore al mondo di elio.

Per molti anni gli Stati Uniti hanno prodotto più del 90% dell'elio commercialmente utilizzabile al mondo; le quantità rimanenti provenivano da impianti in Canada, Polonia, Russia e altri paesi. A metà degli anni novanta un nuovo impianto ad Arzew, in Algeria, da 17 milioni di metri cubi iniziò le operazioni con una produzione tale da soddisfare l'intera domanda europea.

Nel 2004–2006 furono costruiti altri due impianti, uno a Ras Laffan in Qatar e l'altro a Skikda in Algeria, anche se al principio del 2007 Ras Laffen funzionava al 50% e Skikda doveva ancora avviare la produzione. L'Algeria divenne rapidamente il secondo produttore di elio.

In questo periodo aumentarono tanto il consumo quanto il costo di produzione dell'elio.

Secondo Robert Coleman Richardson della Cornell University di Ithaca, visti gli attuali tassi di consumo dell'elio e la scarsa disponibilità di questo elemento sulla Terra, c'è il rischio che le riserve di elio finiscano entro il 2040.

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 dare luogo ad eccimeri e eccimplessi se sottoposto a eccitazione.

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 altro fluido ordinario.

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 di effetto quantistico operante su scala macroscopica che siano stati osservati. Questa transizione avviene ad una temperatura ancora più bassa nell'³He, in quanto l'effetto conta sulla condensazione dei bosoni, ma i nuclei dell'³He sono fermioni che non possono condensare individualmente ma solo in coppie bosoniche. Poiché la trasformazione è del secondo ordine superiore, senza calore latente al punto lambda, le due forme liquide non coesistono mai.

L'elio II ha viscosità nulla e 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 di spessore da 50 a 100 atomi, questa pellicola produce 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.

Isotopi

L'isotopo più comune dell'elio è ⁴He, che possiede un nucleo formato da due protoni e due neutroni. Questa configurazione è straordinariamente stabile in quanto possiede un numero magico di nucleoni, ovvero un numero per il quale essi sono disposti a formare un guscio completo. Molti nuclei pesanti decadono emettendo nuclei di ⁴He secondo un processo chiamato decadimento alfa, e perciò i nuclei di elio vengono detti anche particelle alfa; la maggior parte dell'elio presente sulla Terra è generato da questo processo. L'isotopo ³He è più leggero del più comune ⁴He, in quanto il suo nucleo è composto da 2 protoni ed un solo neutrone (3 nucleoni) contro i 2 protoni e 2 neutroni (4 nucleoni) dell'⁴He. L'³He non è radioattivo ed 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.

Precauzioni

Pur non essendo tossico, se inalato in concentrazioni elevate può portare all'asfissia. 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. Se viene a contatto con altri corpi, l'elio liquido può produrre gravi ustioni da freddo a causa dell'immediato scambio di calore provocato dalla sua istantanea evaporazione.

Fenomeni acustici

Dal momento che la velocità del suono è inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa molecolare, nell'elio si ha una velocità che è circa tre volte quella nell'aria. L'altezza (o la frequenza fondamentale) di un suono prodotto da una cavità riempita da un gas è proporzionale alla velocità del suono in quel gas. Inalando dell'elio si innalza la frequenza di risonanza della laringe, rendendo la voce acuta e stridula. Al contrario, inalando gas dal peso molecolare più elevato come lo xeno o l'esafluoruro di zolfo si ha l'effetto opposto.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998.

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Collegamenti esterni

• Elio, in Thesaurus del Nuovo soggettario, BNCF, marzo 2013.