Lelio (dal greco ἥλιος, hḕlios, "Sole") è l'elemento chimico della tavola periodica che ha numero atomico 2 e simbolo He. È il secondo elemento, dopo l'idrogeno, ed è anche il secondo elemento del blocco s e il secondo e ultimo elemento del primo periodo del sistema periodico.
L'atomo di elio ha configurazione elettronica 1s2, il duetto, completando in tal modo il primo livello e raggiungendo così una condizione di grandissima stabilità. Per questo, l'elio è il capostipite dei gas nobili che però, a partire dal neon, hanno configurazione di ottetto (ns2 np6, con n ≥ 2), anch'essa molto stabile.
Essendo l'atomo di elio estremamente stabile, esso non si lega a formare molecole e l'elemento si presenta quindi come un gas monoatomico, che è incolore, inodore, insapore, non tossico e inerte.
Dopo l'idrogeno, l'elio è l'elemento più leggero e più abbondante nell'universo osservabile, essendo presente in circa il 24% della massa totale degli elementi, che è più di 12 volte la massa di tutti gli elementi più pesanti insieme: la sua abbondanza è simile a questi dati sia nel Sole sia su Giove; ciò è dovuto all'altissima energia di legame nucleare (per nucleone) del nuclide elio-4 (4He) rispetto ai tre elementi successivi all'elio; questa energia di legame spiega anche perché è un prodotto sia della fusione nucleare sia del decadimento alfa (decadimento radioattivo). La maggior parte dell'elio presente nell'universo è costituita dall'isotopo elio-4, e si crede che si sia formato durante il Big Bang; inoltre, grandi quantità di nuovo elio vengono continuamente create dalla fusione nucleare dell'idrogeno che avviene nel nucleo delle stelle. Prende il nome dal dio greco del Sole, Elio.
È l'elemento con il più basso punto di ebollizione (4,15 K, -269 °C) fra tutti gli elementi. Può solidificare solo se sottoposto ad alte pressioni.
In forma liquida viene utilizzato nella criogenia (il suo maggiore uso singolo, che costituisce circa un quarto della produzione), in particolare nel raffreddamento dei magneti superconduttori, con la principale applicazione commerciale rappresentata dalle apparecchiature per la risonanza magnetica nucleare; altri utilizzi industriali dell'elio sono la pressurizzazione e lo spurgo dei gas, la creazione di un'atmosfera protettiva per la saldatura ad arco e per processi particolari come la crescita di cristalli di silicio; un uso minore è quello di gas di sollevamento per palloni sonda e dirigibili oppure come gas nelle miscele per le immersioni di profondità. Come con qualsiasi gas la cui densità sia diversa da quella dell'aria, inalando un piccolo volume di elio viene, temporaneamente, modificato il timbro e la qualità della voce umana. Nella ricerca scientifica, il comportamento delle due fasi fluide dell'elio-4 (elio I e l'elio II), è importante per i ricercatori che studiano la meccanica quantistica (in particolare la proprietà di superfluidità) e per quelli che sperimentano alcuni fenomeni, come la superconduttività, e i prodotti della materia vicino allo zero assoluto.
Sulla Terra è relativamente raro: 5,2 ppm (parti per milione) in volume nell'atmosfera. La maggior parte dell'elio terrestre presente oggi è stato creato dal decadimento radioattivo naturale degli elementi radioattivi pesanti (torio e uranio, in particolare), in quanto le particelle alfa emesse da tali decadimenti sono composti da nuclei di elio-4. Questo elio radiogenico è intrappolato nel gas naturale in grandi concentrazioni, circa del 7% in volume, da cui viene estratto commercialmente grazie a un processo di separazione a bassa temperatura chiamato distillazione frazionata. In passato, l'elio era ritenuto una risorsa terrestre non rinnovabile poiché una volta rilasciato in atmosfera sfuggiva facilmente nello spazio.Witchalls, Clint (18 August 2010) Nobel prizewinner: We are running out of helium. New Scientist. Tuttavia, studi recenti suggeriscono che l'elio prodotto in profondità nella terra dal decadimento radioattivo sia in grado di raccogliersi in riserve di gas naturale in dosi maggiori di quelle attese; in alcuni casi può essere rilasciato dall'attività vulcanica.
Storia L'elio fu scoperto dal francese Jules 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. Edward Frankland confermò la scoperta di Janssen e propose che il nome dell'elemento ricordasse Helios, il dio greco del Sole. Nel 1881 Luigi Palmieri annunciò di aver rivelato per la prima volta l'elio sulla Terra dalla sua linea spettrale D3, mentre eseguiva la sublimazione di un prodotto dell'eruzione del Vesuvio. In realtà non portò nell'immediato prove a sostegno della sua tesi e più tardi, dopo che l'elio terrestre fu effettivamente scoperto, vari esperimenti dimostrarono l'impossibilità per Palmieri di aver trovato elio nelle modalità da lui descritte. L'elio dunque venne isolato da Sir William Ramsay nel 1895 dalla cleveite 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 cleveite 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 , un'impresa che gli valse il Premio Nobel. Nel 1926 un suo studente, Willem Hendrik Keesom, riuscì per primo a solidificare l'elio.
Caratteristiche A temperatura e pressione standard, l'elio esiste solo come gas monoatomico. Condensa solo in condizioni estreme.
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 . 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 a ; 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.
L'elio in meccanica quantistica
Dal punto di vista della meccanica quantistica, l'elio è il secondo più semplice atomo che può essere modellizzato dopo l'atomo di idrogeno. L'elio è composto da due elettroni in un orbitale atomico attorno a un nucleo contenente due protoni e (di solito) due neutroni. Come in meccanica classica, nessun sistema che consiste di più di due particelle può essere risolto con un approccio matematico analitico esatto (vedi problema dei tre corpi) e l'elio non fa eccezione. Dunque vi è necessità di usare metodi numerici anche per risolvere il sistema di un nucleo e due elettroni. Tale metodo di chimica computazionale è stato utilizzato per descrivere in meccanica quantistica il legame degli elettroni con il nucleo con un'accuratezza migliore del 2% del valore misurato sperimentalmente. Tale modello mostra che ogni elettrone scherma parzialmente il nucleo all'altro elettrone, cosicché la carica effettiva Z che ogni elettrone vede, è circa 1,69 e, non 2 e come il nucleo isolato.
Nuclei atomici di elio-4 vengono emessi sotto forma di particella α da elementi radioattivi che seguono quel decadimento. Gli esperimenti di scattering con elettroni di grande energia mostrano che la carica diminuisce esponenzialmente dal massimo al centro, esattamente come fa la densità di carica della nuvola elettronica. Questa simmetria riflette un comportamento fisico simile: la coppia di neutroni e la coppia di protoni del nucleo obbediscono la stessa regola della meccanica quantistica a cui obbediscono la coppia di elettroni (anche se le particelle nucleari sono soggette a energia di legame nucleare molto diversa), di conseguenza tutti questi fermioni occupano un orbitale atomico 1s in coppia, nessuna di queste coppie momento angolare orbitale in quanto cancellano vicendevolmente il loro spin. Aggiungendo un'altra di qualsiasi di queste due particelle richiede momento angolare e sarebbe instabile (infatti non esistono nuclei con nucleoni stabili). Questa configurazione con quattro nucleoni è estremamente stabile da un punto di vista energetico, e questa stabilità spiega molte delle proprietà in natura dell'elio.
Dal punto di vista della nuvola elettronica l'atomo di elio è inerte, cioè non forma molecole stabili. L'energia di ionizzazione dell'elio 25,6 eV è la più alta tra gli elementi. La debole interazione tra le nuvole elettroniche degli atomi di elio ha come conseguenza la più piccola temperatura di ebollizione tra tutti gli elementi. Inoltre vi è necessità di una pressione elevata, anche a temperatura prossima allo zero assoluto, per solidificare l'elio a causa dell'energia di punto zero.
La particolare stabilità del nucleo di elio-4, produce effetti simili, nelle reazioni atomiche in cui sono coinvolti elementi pesanti o avvengono fusioni di nuclei: in genere vengono prodotte particelle alfa. Nella reazione di fusione degli atomi di idrogeno è molto rara la produzione di atomi di elio-3, anche se è un isotopo stabile, la produzione di elio-4 è di gran lunga più probabile.
L'inusuale stabilità del nucleo di elio-4 è anche importante in cosmologia: spiega il fatto che nei primi pochi minuti dopo il Big Bang, dal brodo iniziale di protoni e neutroni liberi che è stato inizialmente creati in proporzione 6:1 una volta raffreddati al punto che era possibile formare dei nuclei, quasi tutti i primi nuclei composti formati erano nuclei di elio-4. Era così forte il legame elio-4 che la produzione di elio-4 ha consumato quasi tutti i neutroni liberi in pochi minuti, prima che potessero avere il decadimento β, e anche lasciandone molti pochi che potessero formare elementi più pesanti come il litio, il berillio e il boro. Infatti l'energia di legame per nucleone dell'elio-4 è maggior di quella di tutti questi elementi, in effetti una volta che l'elio è formato dal punto di vista energetico non è possibile formare gli elementi 3, 4 e 5. È appena possibile da un punto di vista energetico che due atomi di elio si fondano nel prossimo elemento con più piccola energia per nucleone, il carbonio. Tuttavia, questo processo, a causa della mancanza di elementi intermedi, richiede che simultaneamente tre atomi di elio collidano tra di loro (vedi processo tre alfa). Ma in realtà nei pochi minuti dopo il Big Bang non si è potuta formare una quantità significativa di carbonio, prima che l'espansione dell'universo lo portasse a una temperatura e una pressione in cui la fusione dell'elio in carbonio non era più possibile. Questo ha reso l'universo primitivo con un rapporto idrogeno/elio simile all'universo come viene osservato attualmente (3 parti di idrogeno per una parte elio-4 in massa), con praticamente tutti i neutroni dell'universo intrappolati dentro l'elio-4.
Tutti gli elementi più pesanti (tra cui quelli su cui sono basati i pianeti solidi come la Terra, ma anche semplicemente il carbonio necessario alla vita) sono stati prodotti dopo il Big Bang in stelle abbastanza calde da fondere gli atomi di elio. Tutti gli elementi diversi dall'idrogeno e l'elio attualmente costituiscono solo il 2% della massa nucleare dell'universo. L'elio-4, invece, rappresenta il 23% di tutta la materia ordinaria, non considerando la materia oscura.
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