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Jules Cesar Janssen ottenne la prima prova dell’elio. Diagramma di un atomo di elio. Ci sono solo due elettroni che orbitano intorno al nucleo dell’elio. I palloni di elio sono più leggeri dell’aria. |
Elio
| Numero atomico: | 2 | Raggio atomico: | 140 pm (Van der Waals) |
| Simbolo atomico: | He | Punto di fusione: | -272.2 °C |
| Peso atomico: | 4.003 | Punto di ebollizione: | -268.93 °C |
| Configurazione degli elettroni: | 1s2 | Stati di ossidazione: | 0 |
Storia
Dalla parola greca helios, il sole. Janssen ottenne la prima prova dell’elio durante l’eclissi solare del 1868 quando rilevò una nuova linea nello spettro solare. Lockyer e Frankland suggerirono il nome elio per il nuovo elemento. Nel 1895 Ramsay scoprì l’elio nella cleveite, minerale dell’uranio, mentre fu scoperto indipendentemente nella cleveite dai chimici svedesi Cleve e Langlet circa nello stesso periodo. Rutherford e Royds nel 1907 dimostrarono che le particelle alfa sono nuclei di elio.
Fonti
A parte l’idrogeno, l’elio è l’elemento più abbondante trovato nell’universo. L’elio viene estratto dal gas naturale. Infatti, tutto il gas naturale contiene almeno tracce di elio.
E’ stato rilevato spettroscopicamente in grande abbondanza, specialmente nelle stelle più calde, ed è un componente importante sia nella reazione protone-protone che nel ciclo del carbonio, che rappresentano l’energia del sole e delle stelle.
Il contenuto di elio nell’atmosfera è circa 1 parte su 200.000. Mentre è presente in vari minerali radioattivi come prodotto di decadimento, la maggior parte della fornitura del Mondo Libero è ottenuta da pozzi in Texas, Oklahoma e Kansas. Fuori dagli Stati Uniti, gli unici impianti di estrazione di elio conosciuti nel 1984 erano nell’Europa dell’Est (Polonia), nell’URSS e alcuni in India.
Proprietà
L’elio ha il punto di fusione più basso di qualsiasi elemento ed è ampiamente usato nella ricerca criogenica perché il suo punto di ebollizione è vicino allo zero assoluto. Inoltre, l’elemento è vitale nello studio della superconduttività.
Utilizzando l’elio liquido, Kurti, collaboratori ed altri sono riusciti ad ottenere temperature di pochi microkelvin tramite la smagnetizzazione adiabatica dei nuclei di rame.
L’elio ha altre proprietà particolari: È l’unico liquido che non può essere solidificato abbassando la temperatura. Rimane liquido fino allo zero assoluto a pressioni ordinarie, ma si solidifica facilmente aumentando la pressione. Il 3He e il 4He solidi sono insoliti in quanto entrambi possono essere cambiati in volume di più del 30% applicando la pressione.
Il calore specifico del gas elio è insolitamente alto. La densità del vapore di elio al punto di ebollizione normale è anche molto alta, e il vapore si espande notevolmente quando viene riscaldato a temperatura ambiente. I contenitori pieni di elio gassoso a 5-10 K dovrebbero essere trattati come se contenessero elio liquido a causa del grande aumento di pressione risultante dal riscaldamento del gas a temperatura ambiente.
Mentre l’elio ha normalmente una valenza 0, sembra avere una debole tendenza a combinarsi con certi altri elementi. I mezzi per preparare il difluoruro di elio sono stati studiati, e specie come HeNe e gli ioni molecolari He+ e He++ sono stati investigati.
Isotopi
Sono conosciuti sette isotopi di elio: L’elio liquido (He-4) esiste in due forme: He-4I e He-4II, con un punto di transizione netto a 2.174K. L’He-4I (sopra questa temperatura) è un liquido normale, ma l’He-4II (sotto) è diverso da qualsiasi altra sostanza conosciuta. Si espande al raffreddamento, la sua conduttività per il calore è enorme, e né la sua conduzione del calore né la viscosità obbediscono alle regole normali.
Usi
- come gas inerte per la saldatura ad arco;
- come gas protettivo nella crescita di cristalli di silicio e germanio e nella produzione di titanio e zirconio;
- come mezzo di raffreddamento per reattori nucleari, e
- come gas per gallerie del vento supersonico.
Una miscela di elio e ossigeno è usata come atmosfera artificiale per i subacquei e altri che lavorano sotto pressione. Rapporti diversi di He e O2 sono usati per diverse profondità di operazione dei subacquei.
L’elio è ampiamente usato per riempire i palloni, essendo un gas molto più sicuro dell’idrogeno. Uno dei più grandi usi recenti dell’elio è stato per pressurizzare i razzi a combustibile liquido. Un booster Saturn, come il tipo usato nelle missioni lunari Apollo, ha richiesto circa 13 milioni di ft3 di elio per un lancio, più altri per i controlli.
L’uso dell’elio liquido nella risonanza magnetica (MRI) continua ad aumentare man mano che la professione medica accetta e sviluppa nuovi usi dell’attrezzatura. Questa apparecchiatura ha eliminato alcune necessità di chirurgia esplorativa diagnosticando accuratamente i pazienti. Un’altra applicazione medica usa l’MRE per determinare (tramite analisi del sangue) se un paziente ha qualche forma di cancro.
L’elio viene anche usato per fare pubblicità sui dirigibili per varie aziende, tra cui Goodyear. Altre applicazioni di gas di sollevamento sono state sviluppate dalla Marina e dall’Air Force per rilevare missili da crociera a bassa quota. Inoltre, la Drug Enforcement Agency sta usando dirigibili dotati di radar per individuare i contrabbandieri di droga lungo i confini degli Stati Uniti. Inoltre, la NASA sta attualmente utilizzando palloni riempiti di elio per campionare l’atmosfera in Antartide per determinare cosa sta riducendo lo strato di ozono.