Elio: proprietà, caratteristiche, applicazioni

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 17:49

L'elio è un gas inerte del 18° gruppo della tavola periodica. È il secondo elemento più leggero dopo l'idrogeno. L'elio è un gas incolore, inodore e insapore che diventa liquido a -268,9 °C. I suoi punti di ebollizione e di congelamento sono inferiori a quelli di qualsiasi altra sostanza conosciuta. È l'unico elemento che non solidifica quando viene raffreddato alla normale pressione atmosferica. Occorrono 25 atmosfere a 1 K perché l'elio si solidifichi.

Cronologia delle scoperte

L'elio fu scoperto nell'atmosfera gassosa che circonda il Sole dall'astronomo francese Pierre Jansen, che nel 1868 durante un'eclissi scoprì una linea gialla brillante nello spettro della cromosfera solare. Inizialmente si pensava che questa linea rappresentasse l'elemento sodio. Nello stesso anno, l'astronomo inglese Joseph Norman Lockyer osservò una linea gialla nello spettro solare che non corrispondeva alle note linee di sodio D₁ e D₂, e così ha chiamato la sua linea D_{3. Lockyer ha concluso che è stato causato da una sostanza nel Sole sconosciuta sulla Terra. Lui e il chimico Edward Frankland usarono il nome dell'elementoil nome greco del Sole è Helios.}

Nel 1895, il chimico britannico Sir William Ramsay dimostrò l'esistenza dell'elio sulla Terra. Ottenne un campione della cleveite minerale contenente uranio e, dopo aver esaminato i gas formati durante il riscaldamento, scoprì che la linea gialla brillante nello spettro coincideva con la linea D_{3 osservata in lo spettro del Sole. Così, il nuovo elemento è stato finalmente installato. Nel 1903, Ramsay e Frederick Soddu stabilirono che l'elio è un prodotto di decadimento spontaneo di sostanze radioattive.}

Diffusione nella natura

La massa dell'elio è circa il 23% dell'intera massa dell'universo e l'elemento è il secondo più abbondante nello spazio. È concentrato nelle stelle, dove si forma dall'idrogeno a seguito della fusione termonucleare. Sebbene l'elio si trovi nell'atmosfera terrestre a una concentrazione di 1 parte per 200 mila (5 ppm) e si trovi in piccole quantità nei minerali radioattivi, nel ferro meteoritico e nelle sorgenti minerali, negli Stati Uniti si trovano grandi quantità dell'elemento (soprattutto in Texas, New York), Messico, Kansas, Oklahoma, Arizona e Utah) come componente (fino al 7,6%) del gas naturale. Piccole riserve sono state trovate in Australia, Algeria, Polonia, Qatar e Russia. Nella crosta terrestre, la concentrazione di elio è solo di circa 8 ppb.

Isotopi

Il nucleo di ogni atomo di elio contiene due protoni, ma come altri elementi, ha isotopi. Contengono da uno a sei neutroni, quindi il loro numero di massa varia da tre a otto. Gli stabili sono gli elementi la cui massa dell'elio è determinata dai numeri atomici 3 (³He) e 4 (⁴He). Tutti gli altri sono radioattivi e decadono molto rapidamente in altre sostanze. L'elio terrestre non è il componente originario del pianeta, si è formato a causa del decadimento radioattivo. Le particelle alfa emesse dai nuclei delle sostanze radioattive pesanti sono nuclei dell'isotopo ⁴He. L'elio non si accumula in grandi quantità nell'atmosfera perché la gravità terrestre non è abbastanza forte da impedirgli di fuggire gradualmente nello spazio. Tracce di ³He sulla Terra sono spiegate dal decadimento beta negativo del raro elemento idrogeno-3 (trizio). ⁴Egli è il più abbondante degli isotopi stabili: il rapporto di ⁴He atomi e ^{3He è di circa 700 mila a 1 nell'atmosfera e di circa 7 milioni a 1 in alcuni minerali contenenti elio.}

Proprietà fisiche dell'elio

I punti di ebollizione e di fusione di questo elemento sono i più bassi. Per questo motivo, l'elio esiste come gas, tranne che in condizioni estreme. Gassoso Si dissolve in acqua meno di qualsiasi altro gas e la velocità di diffusione attraverso i solidi è tre volte quella dell'aria. Il suo indice di rifrazione si avvicina di più a 1.

La conduttività termica dell'elio è seconda solo a quella dell'idrogeno e la sua capacità termica specifica è insolitamente elevata. A temperature normali, si riscalda durante l'espansione e si raffredda al di sotto di 40 K. Pertanto, a T<40 K, l'elio può essere convertito inliquido per espansione.

Un elemento è un dielettrico se non è in uno stato ionizzato. Come altri gas nobili, l'elio ha livelli di energia metastabili che gli consentono di rimanere ionizzato in una scarica elettrica quando la tensione rimane al di sotto del potenziale di ionizzazione.

Helium-4 è unico in quanto ha due forme liquide. L'ordinario è chiamato elio I ed esiste a temperature che vanno da un punto di ebollizione di 4,21 K (-268,9 ° C) a circa 2,18 K (-271 ° C). Al di sotto di 2,18 K, la conduttività termica di 4Diventa 1000 volte quella del rame. Questa forma è chiamata elio II per distinguerla dalla forma normale. È superfluido: la viscosità è così bassa da non poter essere misurata. L'elio II si diffonde in una sottile pellicola sulla superficie di qualunque cosa tocchi, e questa pellicola scorre senza attrito anche contro la gravità.

L'elio-3, meno abbondante, forma tre fasi liquide distinte, due delle quali sono superfluide. Superfluidità in ⁴Fu scoperto dal fisico sovietico Pyotr Leonidovich Kapitsa a metà degli anni '30, e lo stesso fenomeno in ^{3Fu notato per la prima volta da Douglas D Osherov, David M. Lee e Robert S. Richardson degli Stati Uniti nel 1972.}

Una miscela liquida di due isotopi di elio-3 e -4 a temperature inferiori a 0,8 K (-272,4 °C) è divisa in due strati: quasi puri ³Lui e una miscela di⁴He con il 6% di elio-3. La dissoluzione di ³He in ^{4He è accompagnata da un effetto di raffreddamento, utilizzato nella progettazione dei criostati, in cui la temperatura dell'elio scendeinferiore a 0,01 K (-273,14 °C) e mantenuta lì per diversi giorni.}

Connessioni

In condizioni normali, l'elio è chimicamente inerte. In condizioni estreme, è possibile creare connessioni tra elementi non stabili a temperature e pressioni normali. Ad esempio, l'elio può formare composti con iodio, tungsteno, fluoro, fosforo e zolfo se sottoposto a una scarica elettrica a bagliore quando viene bombardato con elettroni o allo stato plasma. Pertanto, sono stati creati ioni molecolari HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ e He₂+^{, Not}2++^{, HeH}+ e HeD+^{. Questa tecnica ha anche permesso di ottenere molecole neutre He}2 ^{e HgHe.}

Plasma

Nell'Universo, l'elio ionizzato è distribuito prevalentemente, le cui proprietà differiscono significativamente da quelle molecolari. I suoi elettroni e protoni non sono legati e ha una conduttività elettrica molto elevata anche in uno stato parzialmente ionizzato. Le particelle cariche sono fortemente influenzate dai campi magnetici ed elettrici. Ad esempio, nel vento solare, gli ioni elio, insieme all'idrogeno ionizzato, interagiscono con la magnetosfera terrestre, provocando le aurore.

Scoperta degli Stati Uniti

Dopo aver perforato un pozzo nel 1903, fu ottenuto gas non infiammabile a Dexter, Kansas. Inizialmente non si sapeva che contenesse elio. Quale gas è stato trovato è stato determinato dal geologo statale Erasmus Haworth, chene ha raccolto campioni e all'Università del Kansas con l'aiuto dei chimici Cady Hamilton e David McFarland hanno scoperto che contiene il 72% di azoto, il 15% di metano, l'1% di idrogeno e il 12% non è stato identificato. Dopo ulteriori analisi, gli scienziati hanno scoperto che l'1,84% del campione era costituito da elio. Così hanno appreso che questo elemento chimico è presente in grandi quantità nelle viscere delle Grandi Pianure, da dove può essere estratto dal gas naturale.

Produzione industriale

Questo ha reso gli Stati Uniti il leader mondiale nella produzione di elio. Su suggerimento di Sir Richard Threlfall, la Marina degli Stati Uniti ha finanziato tre piccoli impianti sperimentali per produrre questa sostanza durante la prima guerra mondiale per fornire ai palloncini di sbarramento un gas di sollevamento leggero e non infiammabile. Il programma ha prodotto un totale di 5.700 m3 92% He, sebbene in precedenza fossero stati prodotti meno di 100 litri di gas. Parte di questo volume fu utilizzato nel primo dirigibile ad elio al mondo, il C-7 della US Navy, che fece il suo viaggio inaugurale da Hampton Roads, in Virginia, a Bolling Field, Washington, DC il 7 dicembre 1921.

Sebbene il processo di liquefazione del gas a bassa temperatura non fosse abbastanza avanzato all'epoca per essere significativo durante la prima guerra mondiale, la produzione continuò. L'elio è stato utilizzato principalmente come gas di sollevamento negli aerei. La domanda crebbe durante la seconda guerra mondiale, quando fu utilizzato nella saldatura ad arco schermato. L'elemento era importante anche nel progetto della bomba atomica. Manhattan.

Azioni nazionali statunitensi

Nel 1925, il governo degli Stati Uniti istituì la National Helium Reserve ad Amarillo, in Texas, allo scopo di fornire dirigibili militari in tempo di guerra e dirigibili commerciali in tempo di pace. L'uso del gas è diminuito dopo la seconda guerra mondiale, ma la fornitura è stata aumentata negli anni '50 per fornire, tra le altre cose, la sua fornitura come refrigerante utilizzato nella produzione di combustibile ossidrico per razzi durante la corsa allo spazio e la Guerra Fredda. Il consumo di elio negli Stati Uniti nel 1965 è stato otto volte il consumo massimo in tempo di guerra.

A seguito dell'Helium Act del 1960, il Bureau of Mines ha incaricato 5 società private di estrarre l'elemento dal gas naturale. Per questo programma, è stato costruito un gasdotto di 425 chilometri che collega questi impianti a un giacimento di gas governativo parzialmente esaurito vicino ad Amarillo, in Texas. La miscela elio-azoto è stata pompata in un deposito sotterraneo e vi è rimasta fino al momento del bisogno.

Nel 1995, un miliardo di metri cubi di azioni era stato raccolto e la Riserva Nazionale aveva un debito di 1,4 miliardi di dollari, spingendo il Congresso degli Stati Uniti a eliminarlo gradualmente nel 1996. Dopo l'approvazione della legge sulla privatizzazione dell'elio nel 1996, il Ministero delle risorse naturali ha iniziato a liquidare l'impianto di stoccaggio nel 2005.

Purezza e volumi di produzione

L'elio prodotto prima del 1945 aveva una purezza di circa il 98%, il resto del 2%rappresentava l'azoto, che era sufficiente per i dirigibili. Nel 1945 fu prodotta una piccola quantità del 99,9% di gas da utilizzare nella saldatura ad arco. Nel 1949, la purezza dell'elemento risultante aveva raggiunto il 99,995%.

Per molti anni, gli Stati Uniti hanno prodotto oltre il 90% dell'elio commerciale mondiale. Dal 2004 ha prodotto 140 milioni di m3 all'anno, l'85% dei quali proviene dagli Stati Uniti, il 10% dall'Algeria e il resto dalla Russia e dalla Polonia. Le principali fonti di elio nel mondo sono i giacimenti di gas del Texas, dell'Oklahoma e del Kansas.

Processo di ricezione

L'elio (98,2% di purezza) viene estratto dal gas naturale liquefacendo altri componenti a basse temperature e alte pressioni. L'adsorbimento di altri gas da parte del carbone attivo raffreddato raggiunge una purezza del 99,995%. Una piccola quantità di elio viene prodotta dalla liquefazione dell'aria su larga scala. Da 900 tonnellate di aria si possono ottenere circa 3,17 metri cubi. m di gas.

Aree di applicazione

Il gas nobile è stato utilizzato in vari campi.

L'elio, le cui proprietà consentono di ottenere temperature ultra-basse, viene utilizzato come agente di raffreddamento nel Large Hadron Collider, magneti superconduttori in macchine per risonanza magnetica e spettrometri di risonanza magnetica nucleare, apparecchiature satellitari e anche per liquefare l'ossigeno e idrogeno nei razzi Apollo.
Come gas inerte per la saldatura di alluminio e altri metalli, nella produzione di fibre ottiche e semiconduttori.
Per crearepressione nei serbatoi di carburante dei motori a razzo, in particolare quelli che funzionano con idrogeno liquido, poiché solo l'elio gassoso mantiene il suo stato di aggregazione quando l'idrogeno rimane liquido);
I laser a gas He-Ne vengono utilizzati per scansionare i codici a barre alle casse dei supermercati.
Il microscopio agli ioni di elio produce immagini migliori rispetto al microscopio elettronico.
A causa della sua elevata permeabilità, il gas nobile viene utilizzato per verificare la presenza di perdite, ad esempio nei sistemi di condizionamento dell'auto, e per gonfiare rapidamente gli airbag in caso di incidente.
La bassa densità consente di riempire palloncini decorativi con elio. Il gas inerte ha sostituito l'idrogeno esplosivo nei dirigibili e nei palloni. Ad esempio, in meteorologia, i palloncini con elio vengono utilizzati per sollevare strumenti di misura.
Nella tecnologia criogenica, funge da refrigerante, poiché la temperatura di questo elemento chimico allo stato liquido è la più bassa possibile.
L'elio, le cui proprietà gli conferiscono una bassa reattività e solubilità in acqua (e sangue), miscelato con l'ossigeno, ha trovato applicazione nelle composizioni respiratorie per immersioni subacquee e lavori a cassone.
Meteoriti e rocce vengono analizzate per questo elemento per determinarne l'età.