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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, durezza 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) Punto di ebollizione 4,24 K (−268,93 °C) Volume molare 21,0 · 10−6  m³/mol Entalpia di vaporizzazione 0,0845 kJ/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 "èlios -y", significato: sole) 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 4.1 Nell'universo 4.2 Sulla Terra 5 Composti 6 Forme 7 Isotopi 8 Precauzioni 9 Note 10 Bibliografia 11 Altri progetti modifica Caratteristiche A temperatura e pressione standard, l'elio esiste solo come gas monoatomico. Condensa solo in condizioni estreme. Produce un boato quando si avvicina una fiamma. 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. 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. 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 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 modifica 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 big bang. modifica 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 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. 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.[1] Grazie a successive analisi Cady e McFarland scoprirono che l'1,84% di tale campione era elio.[2][3] Questo dimostrò che nonostante la sua scarsità sulla Terra l'elio era concentrato in grandi quantità sotto le Grandi Pianure americane, disponibile per l'estrazione come sottoprodotto del gas naturale.[4] 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 '90 un nuovo impianto ad Arzew, 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 Laffen 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. Algeria divenne rapidamente il secondo produttore di elio.[5] In questo periodo aumentarono tanto il consumo quanto il costo di produzione dell'elio.[6] 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.[7] 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 Per approfondire, vedi la voce Isotopi dell'elio. 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 Note ^ McFarland, D. F. (1903). Composition of Gas from a Well at Dexter, Kan. Transactions of the Kansas Academy of Science 19: 60–62. DOI:10.2307/3624173. URL consultato il 2008-07-22. ^ The Discovery of Helium in Natural Gas. American Chemical Society, 2004. URL consultato il 2008-07-20. ^ Cady, H.P., McFarland, D. F. (1906). Helium in Natural Gas. Science 24 (611): 344. DOI:10.1126/science.24.611.344. ^ Cady, H.P.; McFarland, D. F. (1906). Helium in Kansas Natural Gas. Transactions of the Kansas Academy of Science 20: 80–81. DOI:10.2307/3624645. URL consultato il 2008-07-20. ^ Smith, E.M.; Goodwin, T.W.; Schillinger, J. (2003). Challenges to the Worldwide Supply of Helium in the Next Decade. Advances in Cryogenic Engineering 49 A (710): 119–138. DOI:10.1063/1.1774674. URL consultato il 2008-07-20. ^ Karen H. Kaplan. «Helium shortage hampers research and industry», American Institute of Physics, June 2007, p. 31–32. URL consultato in data 2008-07-20. ^ http://www.corriere.it/scienze_e_tecnologie/10_agosto_27/elio-rischio_0018d6b8-b20b-11df-a044-00144f02aabe.shtml modifica 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, P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998. ISBN 88-1020-000-0 modifica Altri progetti Commons Wikizionario Wikimedia Commons contiene file multimediali su Elio Wikizionario contiene la voce di dizionario «elio» v · d · m Tavola periodica degli elementi H                                                             He Li Be   B C N O F Ne Na Mg   Al Si P S Cl Ar K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Uue Ubn Unbibidi Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto Ute Uqn Superattinidi Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Portale Chimica: Il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia