Elio

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

bussola Disambiguazione – Se stai cercando altri significati di Elio, vedi Elio (disambigua).
idrogeno - elio - litio

He
Ne
tavola periodica, elio
Configurazione elettronica
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
aspetto dell'elio
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

[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 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' 3He e l' 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.

[modifica] Applicazioni

L'elio è spesso usato all'interno di palloni aerostatici e dirigibili, adoperati 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, anche se più solubile nel sangue dell'azoto e rispetto a quest'ultimo si diffonde 2,5 volte più velocemente. Si aumentano così i tempi per la decompressione, ma si eliminano i rischi di narcosi da azoto e si riduce la formazione di 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 3He e 4He 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. 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 palloni aerostatici e palloncini ad uso ludico. Data la sua scarsa densità è un ottimo (ma costoso) sostituto dell'idrogeno. A differenza dell'idrogeno, presenta il vantaggio di non essere infiammabile.
  • Se inalato rende la voce acuta e nasale. Grazie alla sua scarsa densità permette alle corde vocali di vibrare più velocemente, emettendo suoni più acuti.
  • 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.

[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 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 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 0,9K, un'impresa che gli valse il Premio Nobel. Nel 1926 un suo studente, Willem Hendrik Keesom, riuscì per 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 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.

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 dare 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' 3He, in quanto l'effetto conta sulla condensazione dei bosoni, ma i nuclei dell' 3He 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, 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. L'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.

[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. 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.


[modifica] Altri progetti

  • chimica Portale Chimica: Il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia

Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Elio"
Strumenti personali