L'elio appartiene al gruppo dei gas nobili. L'elio liquido è il liquido più freddo del mondo. In questo stato aggregato, ha una serie di caratteristiche uniche, come la superfluidità e la superconduttività. Impareremo di più sulle sue proprietà più avanti.
Gas elio
L'elio è una sostanza semplice ampiamente distribuita nell'Universo allo stato gassoso. Nella tavola periodica di Mendeleev, è il secondo ed è subito dopo l'idrogeno. Si riferisce a gas inerti o nobili.
L'elemento è designato come "Lui". Dal greco antico il suo nome significa "Sole". All'inizio si pensava che fosse di metallo. Tuttavia, si è scoperto che questo è un gas monoatomico. L'elio è la seconda sostanza chimica più leggera ed è insapore, incolore e inodore. Ha il punto di ebollizione più basso.
In condizioni normali, è un gas ideale. Oltre che gassoso, è in grado di essere allo stato solido e liquido. La sua inerzia si manifesta nell'interazione inattiva con altre sostanze. È praticamente insolubile in acqua. Per scopi industriali, viene estratto dal gas naturale, separandolo dalle impurità conusando un forte raffreddamento.
Il gas può essere pericoloso per l'uomo. Un aumento della sua concentrazione nell'aria porta a una mancanza di ossigeno nel sangue, che in medicina è chiamata carenza di ossigeno. Se ingerito in grandi quantità, provoca vomito, perdita di coscienza e talvolta la morte.
Liquefazione dell'elio
Qualsiasi gas può entrare in uno stato liquido di aggregazione in determinate condizioni. La liquefazione è comunemente usata nell'industria così come nella ricerca scientifica. Per alcune sostanze basta semplicemente aumentare la pressione. Altri, come l'elio, diventano liquidi solo una volta raffreddati.
Se la temperatura del gas è al di sopra del punto critico, non condenserà, indipendentemente dalla pressione. Per l'elio, il punto critico è 5,19 Kelvin, per il suo isotopo 3He è 3,35 K.
L'elio liquido è un liquido quasi perfetto. È caratterizzato dall'assenza di tensione superficiale, viscosità. Dopo aver cambiato pressione e temperatura, il suo volume rimane lo stesso. L'elio liquido ha una tensione estremamente bassa. La sostanza è incolore e altamente fluida.
Proprietà dell'elio liquido
Nello stato liquido, l'elio è poco distinguibile, perché rifrange debolmente i raggi luminosi. In determinate condizioni, ha le proprietà di un liquido quantistico. Per questo motivo, a pressione normale, non cristallizza nemmeno a una temperatura di -273,15 Celsius (zero assoluto). Tutte le altre sostanze conosciute solidificano in queste condizioni.
La temperatura alla quale l'elio liquido inizia a bollire è di -268,9 gradi Celsius. Le proprietà fisiche dei suoi isotopi variano considerevolmente. Ad esempio, l'elio-4 bolle a 4,215 K.
È un liquido Bose, caratterizzato da transizioni di fase a temperature di 2, 172 Kelvin e inferiori. La fase He II è caratterizzata da superfluidità e conducibilità supertermica. A temperature inferiori alla fase, He I e He II si verificano simultaneamente, per cui nel liquido compaiono due velocità del suono.
Helium-3 è un liquido di Fermi. Bolle a 3,19 Kelvin. Un isotopo può raggiungere la superfluidità solo a temperature molto basse (pochi millikelvin) quando c'è sufficiente attrazione tra le sue particelle.
Superfluidità dell'elio
La scienza deve lo studio del concetto di superfluidità agli Accademici S. P. Kapitsa e L. D. Landau.
L'accademico ha concluso che dopo che la temperatura dell'elio scende al di sotto di 2.172 K, la sostanza passa dalla fase dello stato normale a una fase completamente nuova, chiamata elio-II. In questa fase, la sostanza attraversa i capillari e i fori stretti senza il minimo attrito. Questo stato è chiamato "superfluidità".
Nel 1941 Landau L. D. continuò a studiare le proprietà dell'elio liquido e sviluppò la teoria della superfluidità. Spiegarelo prese con metodi quantistici, applicando il concetto dello spettro energetico delle eccitazioni.
Applicazioni di elio
L'elemento elio fu scoperto nello spettro del Sole nel 1868. Sulla Terra fu scoperto da William Ramsay nel 1895, dopodiché fu studiato a lungo e non fu utilizzato nella sfera economica. Nell'attività industriale iniziò ad essere utilizzato come combustibile per i dirigibili durante la prima guerra mondiale.
Il gas viene utilizzato attivamente per il confezionamento nell'industria alimentare, nella fusione dei metalli. I geologi lo usano per rilevare le faglie nella crosta terrestre. L'elio liquido viene utilizzato principalmente come refrigerante in grado di mantenere temperature estremamente basse. Questa proprietà è necessaria per la ricerca scientifica.
Il liquido refrigerante viene utilizzato nelle macchine elettriche criogeniche, nei microscopi a scansione tunnel, nei dispositivi dei tomografi NMR medici, negli acceleratori di particelle cariche.
Conclusione
L'elio è un gas inerte o nobile che mostra una bassa attività nell'interazione con altre sostanze. Nella tavola periodica degli elementi chimici è al secondo posto, dietro all'idrogeno. In natura la materia è allo stato gassoso. In determinate condizioni, può entrare in altri stati di aggregazione.
La caratteristica principale dell'elio liquido è la sua superfluidità e l'incapacità di cristallizzare a pressione normale, anche se la temperatura raggiunge lo zero assoluto. Le proprietà degli isotopi di una sostanza non sono le stesse. La loro criticatemperature, le loro condizioni di ebollizione e gli spin delle loro particelle.
