INFORMAZIONI GENERALI SULL'ELEMENTO
L'elio ( da “sole”) è l’elemento chimico che ha come simbolo He e come numero atomico 2. È un gas nobile incolore e inodore. Si presenta come gas monoatomico ed è chimicamente inerte.
A temperatura e pressione standard, l'elio esiste solo come gas monoatomico. Condensa solo in condizioni estreme. Produce un boato quando si avvicina ad una fiamma.
Possiede il più basso punto di ebollizione tra tutti gli elementi ed è l'unico liquido che non può essere solidificato abbassandone semplicemente 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: 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.
CARATTERISTICHE FISICHE E CHIMICHE
| Simbolo elemento |
He |
| Numero atomico |
2 |
| Massa atomica relativa |
4.0026 |
| Temperatura di fusione |
-272.2 °C |
| Temperatura di ebollizione |
-268.93 °C |
| Sato di aggregazione |
Gassoso |
| Densità (20°C) |
0.17 g/cm3 |
| Numero di ossidazione |
- |
| Elettronegatività |
- |
| Energia di prima ionizzazione |
2372,3 kJ/mol |
| Raggio atomico |
128 pm |
| Configurazione elettronica |
1s2 |
| Energia di ionizzazione [eV] |
24.5874 eV |
| Conducibilità elettrica |
- |
| Percentuale nella composizione della massa terrestre | 4 x 10-7% |
| Composizione isotopica |
He-3 0,000137%
He-4 99,999863%
|
CENNI STORICI
Pierre Jules César Janssen è l’astronomo francese a cui, insieme con lo scienziato inglese Joseph Norman Lockyer, è attribuita la scoperta del gas elio. Nel 1868 Janssen scoprì il modo di osservare le protuberanze solari senza eclisse . Osservando l' eclissi solare del 18 Agosto 1868 a Guntur , in India britannica, notò una linea di colore giallo brillante con una lunghezza d'onda di 587.49 nm nella spettro della cromosfera del sole.
Questa è stata la prima osservazione di questa particolare linea spettrale e una possibile fonte perché era un elemento non ancora scoperto sulla terra. Janssen è stato messo, in un primo momento, completamente in ridicolo: nessun elemento era mai stata individuato nello spazio prima di essere stato trovato sulla Terra.
Il 20 ottobre dello stesso anno, anche Joseph Norman Lockyer ha osservato la stessa linea gialla nello spettro solare e concluse che era causata da un elemento sconosciuto. Questa fu la prima volta si scoprì un elemento chimico su un corpo extraterrestre prima di essere stato trovato sulla terra. Lockyer e il chimico inglese Edward Frankland chiamarono l'elemento con la parola greca che indicava il Sole, helios .
APPLICAZIONI DELL'ELEMENTO
L'elio è spesso usato all'interno di palloni aerostatici e dirigibili, adoperati per scopi pubblicitari 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. Questa applicazione continua nella ricerca sulle altitudini e per gli aerostati meteorologici. L'utilizzazione principale dell'elio è come gas inerte di protezione nella saldatura autogena. Il suo potenziale più grande risiede nelle applicazioni a temperature molto basse. L'elio è l'unico gas di raffreddamento in grado di raggiungere temperature inferiori ai 15 K (-434ºF). L'applicazione principale della temperatura ultrabassa consiste nello sviluppo della condizione di “superconduttività”, in cui la resistenza al flusso di elettricità è quasi zero. Altre applicazioni consistono nel suo uso come gas pressurizzante e come liquido propellente per razzi, nelle miscele elio-ossigeno per i tuffatori, come fluido operativo nei reattori nucleari raffreddato da gas e come gas portante nelle analisi chimiche da gascromatografia.
L'elio è usato come gas per misure di densità assoluta in appositi picnometri a elio che misurano il volume degli oggetti in base alla porosità raggiungibile dall'elio.
L'elio liquido, in quest’ultimo periodo, sta trovando un utilizzo crescente nel campo della medicina.
DISPONIBILITA' DELL'ELEMENTO
NELL'UNIVERSO:
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 grande evento che ha segnato la nascita dell’universo in cui ci troviamo.
SULLA TERRA:
Questo elemento è presente nell'atmosfera terrestre 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.
FORME:
L'elio,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 termo-meccanico (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.
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 di nucleoni in grado di 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.
SPETTRI ATOMICI DELL'ELEMENTO
Spettro atomico di assorbimento dell'elio:
Spettro atomico di emissione dell'elio:
