Il elio è un elemento chimico il cui simbolo è Lui. È il primo gas nobile nella tavola periodica e di solito si trova all'estrema destra di essa. In condizioni normali è un gas inerte, poiché nessuno dei suoi pochi composti è stabile; Inoltre si espande molto rapidamente ed è la sostanza con il punto di ebollizione più basso di tutte.
A livello popolare, è un gas ben noto, poiché in innumerevoli eventi o feste per bambini è comune assistere a come un pallone si alza fino a perdersi nel cielo. Tuttavia, ciò che è veramente e per sempre perso agli angoli del sistema solare e oltre, sono gli atomi di elio che vengono rilasciati una volta che il palloncino esplode o si sgonfia..
C'è infatti chi, ea ragione, ritiene che i palloncini di elio rappresentino una pratica inappropriata per questo gas. Per fortuna ha utilizzi più importanti e interessanti, grazie alle sue proprietà fisiche e chimiche che lo separano da altri elementi chimici..
Ad esempio, l'elio liquido è così freddo che può congelare qualsiasi cosa, come una lega metallica, trasformandola in un materiale superconduttore. Allo stesso modo, è un liquido che manifesta superfluidità, in grado di arrampicarsi sulle pareti di un contenitore di vetro..
Il suo nome è dovuto al fatto che è stato identificato per la prima volta sul Sole e non sulla Terra. È il secondo elemento più abbondante dell'intero Universo e, sebbene la sua concentrazione sia trascurabile nella crosta terrestre, può essere ottenuto dalle riserve di gas naturale e minerali radioattivi di uranio e torio..
Qui l'elio dimostra un altro fatto curioso: è un gas molto più abbondante nel sottosuolo che nell'atmosfera, dove finisce per sfuggire alla Terra e al suo campo gravitazionale.
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L'elio non è stato scoperto sulla Terra ma sul Sole. Infatti, il suo nome deriva dalla parola greca "helios" che significa sole. L'esistenza dell'elemento di per sé contrastava con la tavola periodica di Dmitri Mendeleev, poiché non c'era posto per un nuovo gas; cioè, a quel punto non si sospettava assolutamente nulla sui gas nobili.
Il nome "elio", scritto come "elio" in inglese, terminava con il suffisso -ium che si riferiva ad esso come un metallo; proprio perché non poteva essere ammessa l'esistenza di un gas diverso da ossigeno, idrogeno, fluoro, cloro e azoto.
Questo nome fu designato dall'astronomo inglese Norman Lockyer, che studiò dall'Inghilterra ciò che fu osservato dall'astronomo francese Jules Janssen in India, durante un'eclissi solare nel 1868.
Era una linea spettrale gialla di un elemento fino a quel momento sconosciuto. Lockyer ha affermato che ciò era dovuto alla presenza di un nuovo elemento chimico trovato nel Sole.
Nel 1895, quasi vent'anni dopo, il chimico scozzese Sir William Ramsay riconobbe lo stesso spettro da un gas residuo quando studiò un minerale radioattivo: la cleveite. Quindi c'era l'elio anche qui sulla Terra.
L'elio è un gas incolore e inodore che non ha sapore ed è anche inerte. Tuttavia, quando viene applicata una scarica elettrica, e in base alla differenza di tensione, inizia a brillare come una foschia grigio-viola (immagine sopra), quindi si illumina di un bagliore arancione. Pertanto, le luci dell'elio sono arancioni.
Due
4,002 g / mol
-272,2 ºC
-268,92 ºC
-0,1786 g / L, in condizioni normali, cioè in fase gassosa.
-0,145 g / mL, al punto di fusione, elio liquido.
-0,125 g / mL, proprio mentre l'elio inizia a bollire.
-0,187 g / mL, a 0 K e 25 atm, ovvero elio solido a quelle specifiche condizioni di pressione e temperatura.
2.177 K e 5.043 kPa (0,04935 atm)
5,1953 K e 0,22746 MPa (2,2448 atm)
0,0138 kJ / mol
0,0829 kJ / mol
20,78 J / (mol K)
0,9869 atm a 4,21 K. Questo valore ti dà un'idea di quanto possa essere fugace l'elio e di quanto facilmente possa fuoriuscire a temperatura ambiente (vicino a 298 K).
-Primo: 2372,3 kJ / mol (He+ gassoso)
-Secondo: 5250,5 kJ / mol (HeDue+ gassoso)
Le energie di ionizzazione per l'elio sono particolarmente elevate perché l'atomo gassoso deve perdere un elettrone, che sperimenta una forte carica nucleare efficace. Lo si capisce anche considerando le piccole dimensioni dell'atomo e quanto "vicini" siano i due elettroni al nucleo (con i suoi due protoni e due neutroni).
In acqua, 0,97 mL vengono sciolti per ogni 100 mL di acqua a 0 ºC, il che significa che è scarsamente solubile.
L'elio è il secondo elemento chimico meno reattivo in natura. In condizioni normali è corretto dire che è un gas inerte; Mai (sembra) un composto di elio può essere manipolato in una stanza o in un laboratorio senza che su di esso agiscano enormi pressioni; o forse temperature drammaticamente alte o basse.
Un esempio che vediamo nel composto NaDueLui, che è stabile solo sotto una pressione di 300 GPa, si riproduce in una cella ad incudine di diamante.
Mentre i legami chimici in NaDueSono "strani" nell'avere i loro elettroni ben posizionati nei cristalli, sono ben lungi dall'essere semplici interazioni di Van der Walls e, quindi, non sono semplicemente costituiti da atomi di elio intrappolati da aggregati molecolari. È qui che sorge il dilemma tra quali composti di elio sono reali e quali no..
Ad esempio, le molecole di azoto ad alte pressioni possono intrappolare un atomo di elio per formare una sorta di clatrato, He (NDue)undici.
Allo stesso modo, ci sono i complessi endoedrici dei cationi fullereni, C60+n e C70+n, nelle cui cavità possono ospitare atomi di elio; e il catione molecolare HeH+ (He-H+), che si trova in nebulose molto distanti.
Chi per curiosità cerca di calcolare il numero di ossidazione dell'elio in uno dei suoi composti scoprirà che questo è uguale a 0. In NaDueSi potrebbe pensare, ad esempio, che la sua formula corrisponda a ipotetici ioni NaDue+io hoDue-; ma tale sarebbe supporre che abbia un carattere ionico puro, quando in realtà i suoi legami sono ben lungi dall'essere tale.
Inoltre, l'elio non guadagna elettroni perché non può ospitarli nell'orbitale 2s, energeticamente non disponibile; Né è possibile che li perda, a causa delle piccole dimensioni del suo atomo e della grande carica nucleare efficace del suo nucleo. Ecco perché l'elio partecipa sempre (in teoria) come un atomo He0 nei suoi composti derivati.
L'elio, come tutti i gas osservati su una macroscala, occupa il volume dei contenitori che lo immagazzinano, avendo quindi una forma indefinita. Tuttavia, quando la temperatura scende e inizia a raffreddarsi al di sotto di -269 ºC, il gas si condensa in un liquido incolore; elio I, la prima delle due fasi liquide per questo elemento.
Il motivo per cui l'elio si condensa a una temperatura così bassa è dovuto alle basse forze di dispersione che tengono insieme i suoi atomi; qualunque sia la fase considerata. Questo può essere spiegato dalla sua configurazione elettronica:
1sDue
In cui due elettroni occupano l'orbitale atomico 1s. L'atomo di elio può essere visualizzato come una sfera quasi perfetta, la cui periferia elettronica omogenea è poco incline alla polarizzazione da parte dell'effettiva carica nucleare dei due protoni nel nucleo..
Pertanto, i momenti di dipolo spontanei e indotti sono rari e molto deboli; quindi la temperatura deve avvicinarsi allo zero assoluto in modo che gli atomi di He si avvicinino abbastanza lentamente e raggiungano che le loro forze dispersive definiscano un liquido; o meglio ancora, un cristallo di elio.
Nella fase gassosa, lo spazio che separa gli atomi di He è tale che si può presumere che siano sempre separati l'uno dall'altro. Tant'è che in una fiala di piccolo volume l'elio appare incolore fino a quando non viene sottoposto ad una scarica elettrica, che ionizza i suoi atomi in una foschia grigiastra e poco brillante..
Tuttavia, nella fase liquida gli atomi di He, anche con le loro deboli interazioni, non possono più essere "ignorati". Ora la forza di dispersione consente loro di unirsi momentaneamente per formare dimeri: He-He o HeDue. Quindi, l'elio I può essere considerato come vasti ammassi di HeDue in equilibrio con i suoi atomi in fase vapore.
Ecco perché l'elio I è così difficile da differenziare dai suoi vapori. Se questo liquido fuoriesce dal suo contenitore ermetico, fuoriesce come un bagliore biancastro..
Quando la temperatura scende ancora di più, toccando 2.178 K (-270.972 ºC), avviene una transizione di fase: l'elio I si trasforma in elio II.
Da questo punto, il già affascinante liquido elio diventa un fluido superfluido o quantistico; cioè, le loro proprietà macroscopiche si manifestano come se i dimeri HeDue erano singoli atomi (e forse lo sono). Manca la viscosità completa, in quanto non esiste una superficie che possa fermare un atomo durante il suo scorrimento o "arrampicata".
Ecco perché l'elio II può arrampicarsi sulle pareti di un contenitore di vetro vincendo la forza di gravità; non importa quanto siano alte, purché la superficie rimanga alla stessa temperatura e quindi non si volatilizzi.
A causa di ciò, l'elio liquido non può essere conservato in contenitori di vetro, poiché sfuggirebbe alla minima crepa o spazio vuoto; molto simile a come accadrebbe con un gas. Invece, l'acciaio inossidabile viene utilizzato per progettare tali navi (serbatoi Dewars).
Anche se la temperatura scendesse a 0 K (zero assoluto), la forza di dispersione tra gli atomi di He non sarebbe abbastanza forte da ordinarli in una struttura cristallina. Perché avvenga la solidificazione, la pressione deve salire a circa 25 atm; e poi compaiono cristalli di elio esagonali compatti (hcp).
Studi geofisici dimostrano che questa struttura hcp rimane invariata indipendentemente da quanta pressione aumenti (fino all'ordine dei gigapascal, GPa). Tuttavia, esiste una regione ristretta nel loro diagramma pressione-temperatura in cui questi cristalli di hcp subiscono una transizione verso una fase cubica centrata sul corpo (bcc)..
L'elio è il secondo elemento più abbondante dell'intero universo, secondo solo all'idrogeno. Le stelle producono costantemente quantità incommensurabili di atomi di elio attraverso la fusione di due nuclei di idrogeno durante il processo di nucleosintesi..
Allo stesso modo, qualsiasi processo radioattivo che emette particelle α è una fonte di produzione di atomi di elio se interagiscono con gli elettroni nell'ambiente; ad esempio con quelli di un corpo roccioso in depositi di minerali radioattivi di uranio e torio. Questi due elementi subiscono un decadimento radioattivo, a partire dall'uranio:
Pertanto, nelle rocce in cui sono concentrati questi minerali radioattivi, gli atomi di elio saranno intrappolati, che verranno rilasciati una volta digeriti in mezzi acidi..
Tra alcuni di questi minerali ci sono cleveite, carnotite e uraninite, tutti composti da ossidi di uranio (UODue o U3O8) e torio, metalli pesanti e impurità di terre rare. L'elio, irrigato attraverso canali sotterranei, può finire per accumularsi in serbatoi di gas naturale, sorgenti minerali o ferri meteorici.
Si stima che una massa di elio equivalente a 3000 tonnellate sia prodotta annualmente nella litosfera, dal decadimento radioattivo dell'uranio e del torio..
L'elio non è molto solubile in acqua, quindi prima o poi finisce per risalire dalle profondità (dovunque sia la sua origine), fino ad attraversare gli strati dell'atmosfera e raggiungere finalmente lo spazio. I suoi atomi sono così piccoli e leggeri che il campo gravitazionale della Terra non può trattenerli nell'atmosfera..
A causa di quanto sopra, la concentrazione di elio sia nell'aria (5,2 ppm) che nei mari (4 ppt) è molto bassa..
Se volessimo estrarlo da uno di questi due mezzi, l'opzione "migliore" sarebbe l'aria, che dovrebbe prima essere sottoposta a liquefazione per condensare tutti i suoi gas componenti, mentre l'elio rimane allo stato gassoso..
Tuttavia, non è pratico ottenere l'elio dall'aria, ma da rocce arricchite di minerali radioattivi; o meglio ancora, dalle riserve di gas naturale, dove l'elio può rappresentare fino al 7% della sua massa totale.
Invece di liquefare l'aria, è più facile e più redditizio utilizzare il gas naturale, la cui composizione di elio è senza dubbio molto più grande. La materia prima per eccellenza (commerciale) per l'ottenimento dell'elio, quindi, è il gas naturale, che può essere sottoposto anche a distillazione frazionata.
Il prodotto finale della distillazione viene terminato mediante purificazione con carbone attivo, attraverso il quale passa un elio purissimo. Infine, l'elio viene separato dal neon mediante un processo criogenico in cui viene utilizzato l'elio liquido..
L'elio si trova prevalentemente in natura come isotopo 4Lui, il cui nucleo nudo è la famosa particella α. Questo atomo di 4Ha due neutroni e due protoni. In meno abbondanza è l'isotopo 3Lui, che ha un solo neutrone. Il primo è più pesante (ha una massa atomica maggiore) del secondo.
Quindi, la coppia di isotopi 3Ho e 4Sono quelli che definiscono le proprietà misurabili e ciò che intendiamo dell'elio come elemento chimico. Dal momento che il 3È più leggero, si presume che i suoi atomi abbiano un'energia cinetica maggiore e che, quindi, abbiano bisogno di una temperatura ancora più bassa per coesistere in un superfluido.
Il 3È considerato una specie molto rara qui sulla Terra; tuttavia, sui suoli lunari è più abbondante (circa 2000 volte di più). Ecco perché la Luna è stata oggetto di progetti e storie come possibile fonte di 3Lui, che potrebbe essere utilizzato come combustibile nucleare per i veicoli spaziali del futuro.
Tra gli altri isotopi dell'elio, si possono menzionare i seguenti, con le rispettive emivite: 5Io ho (t1/2= 7,610−22 S), 6Io ho (t1/2= 0,8 s) e 8Io ho (t1/2= 0,119 s).
L'elio è un gas inerte e quindi non partecipa a nessuna delle reazioni che avvengono all'interno del nostro corpo..
I suoi atomi praticamente entrano ed escono espirati senza che le loro interazioni con le biomolecole producano un effetto successivo; ad eccezione del suono emesso dalle corde vocali, che diventano più acute e hanno una frequenza più alta.
Le persone che inalano l'elio da un palloncino (con moderazione) parlano con una voce acuta, simile a quella di uno scoiattolo (o di un'anatra).
Il problema è che se inala una quantità inadeguata di elio, corre il rischio di soffocamento, poiché i suoi atomi spostano le molecole di ossigeno; e quindi, non sarai in grado di respirare finché non espiri tutto quell'elio, che a sua volta a causa della sua pressione può lacerare il tessuto polmonare o causare barotrauma.
Sono stati segnalati casi di persone morte per inalazione di elio a causa di quanto appena spiegato.
D'altra parte, sebbene non rappresenti un rischio di incendio data la sua scarsa reattività verso l'ossigeno (o altra sostanza), se immagazzinato sotto alta pressione e fuoriesce, la sua perdita può essere fisicamente pericolosa..
Le proprietà fisiche e chimiche dell'elio non solo lo rendono un gas speciale, ma anche una sostanza molto utile per applicazioni che richiedono temperature estremamente basse. In questa sezione verranno affrontate alcune di queste applicazioni o usi..
In alcuni sistemi è necessario aumentare la pressione (pressurizzare), e per questo deve essere iniettato o alimentato un gas che non interagisca con nessuno dei suoi componenti; ad es. con reagenti o superfici sensibili a reazioni indesiderate.
Pertanto, la pressione può essere aumentata con volumi di elio, la cui inerzia chimica lo rende ideale per questo scopo. L'atmosfera inerte che facilita supera in certi casi quella dell'azoto.
Per il processo inverso, cioè lo spurgo, viene utilizzato anche l'elio per la sua capacità di trasportare tutto l'ossigeno, i vapori d'acqua o qualsiasi altro gas, di cui si desidera rimuovere la presenza. In questo modo la pressione del sistema viene ridotta una volta svuotato l'elio..
L'elio può fuoriuscire anche dalla minima fessura, quindi serve anche per rilevare perdite in tubi, contenitori ad alto vuoto o serbatoi criogenici.
A volte il rilevamento può essere effettuato visivamente o al tatto; tuttavia, principalmente un rilevatore è ciò che "dà" il segnale di dove e quanto elio fuoriesce dal sistema in esame..
Gli atomi di elio, come accennato per i sistemi di spurgo, possono portare con sé, a seconda della loro pressione, molecole più pesanti. Ad esempio, questo principio viene utilizzato quotidianamente nell'analisi gascromatografica, poiché può trascinare il campione atomizzato lungo la colonna, dove interagisce con la fase stazionaria..
A causa della sua bassa densità rispetto all'aria e, ancora una volta, della sua scarsa reattività con l'ossigeno, è stato utilizzato per gonfiare palloncini alle feste dei bambini (mescolati con l'ossigeno in modo che nessuno soffocasse a respirarlo), e dirigibili (immagine in alto), senza rappresentare un rischio di incendio.
Quando i subacquei scendono a profondità maggiori, hanno difficoltà a respirare a causa della grande pressione esercitata dall'acqua. Questo è il motivo per cui l'elio viene aggiunto ai serbatoi di ossigeno per diminuire la densità del gas che i subacquei respirano ed espirano e, quindi, può essere espirato con meno lavoro..
Nel processo di saldatura, l'arco elettrico fornisce abbastanza calore perché i due metalli si uniscano. Se fatto in un'atmosfera di elio, il metallo incandescente non reagirà con l'ossigeno nell'aria per diventare il suo rispettivo ossido; quindi l'elio impedisce che ciò accada.
L'elio liquido è così freddo che può congelare i metalli in superconduttori. Grazie a ciò, è stato possibile realizzare magneti molto potenti, che, raffreddati con elio liquido, sono stati utilizzati in scanner di immagini o spettrometri di risonanza magnetica nucleare..
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