ExtraViaggio nel sistema periodico

002 – Elio


Il secondo elemento del Sistema Periodico è l’elio (link alla lettura della scheda), l’unico che non è stato scoperto qui sulla Terra. È il primo dei gas nobili: è incolore, inodore, insapore, non tossico, monoatomico e totalmente inerte! L’elio è il secondo elemento più abbondante dell’Universo: costituisce il 24% della materia, dopo l’idrogeno (74%). Il restante 2% è fatto da tutto il resto, poche tracce che assumono la forma di pianeti e tante altre cose interessanti.

Helium discharge tube
L’elio sottoposto a scarica elettrica produce un bagliore arancione

C’è un buon motivo: parlando dell’idrogeno vi ho descritto la nucleosintesi primordiale, quella che poco dopo il Big Bang generò quasi esclusivamente elio. Il suo nucleo è infatti molto stabile: impacchetta i suoi due protoni e due neutroni talmente bene che bisogna salire fino al carbonio (elemento 6) per trovare un elemento più efficiente. Quelli in mezzo (litio, berillio e boro) richiedono energia per essere creati partendo dall’elio, invece che liberarla. La conseguenza è che quando si innescò la nucleosintesi primordiale, tutti i neutroni liberi si combinarono con protoni a formare nuclei di elio più qualche traccia di litio. Non si fece in tempo ad andare oltre, perché dopo appena venti minuti l’Universo si era già raffreddato a sufficienza da arrestare la nucleosintesi. Da allora la quasi totalità dei neutroni dell’Universo si trova nei nuclei di elio.

L’elio fu il primo atomo neutro a formarsi: la sua energia di prima ionizzazione, infatti, è la più alta di tutta la tavola periodica! Ben 2372 kJ/mol, 60 volte il calore latente di ebollizione dell’acqua. Questo significa che quando si tratta di strappare l’elettrone più esterno, l’elio è l’elemento chimico più coriaceo da derubare ed è il primo a riprenderselo. La sua estrema gelosia per i propri elettroni è riflessa anche dalla sua dimensione: appena 28 pm di raggio covalente, il più piccolo di tutti. Man mano che l’Universo si raffreddava, l’elio si impadronì degli elettroni che gli spettavano: il primo 40.000 e il secondo 120.000 anni dopo il Big Bang. Ecco perché l’elio fu il primo atomo neutro della storia.

Luminoso come il Sole

Schema della catena protone-protone,
il processo che tiene acceso il Sole

Nell’Universo moderno, la creazione di elio è ciò che tiene accese le stelle come il Sole. Al loro interno l’idrogeno primordiale viene compresso a densità e temperature così fantasmagoriche che quattro protoni (che manco vorrebbero guardarsi in faccia) sono costretti a unirsi. Due di essi cambiano casacca, diventando neutroni, ed ecco un nucleo di elio. La sua massa però è leggermente inferiore (0,7%) a quella dei protoni. Questa differenza è stata convertita in energia pura: ogni secondo, il Sole prende 600 milioni di tonnellate di idrogeno e le trasforma in 596 milioni i tonnellate di elio. Il disavanzo è diventato l’energia che riscalda i pianeti del Sistema Solare. In pratica, ogni secondo il Sole dimagrisce di 4 milioni di tonnellate!

L’elio fu scoperto nel 1868 grazie a una tecnica che stava permettendo di identificare decine di elementi chimici: la spettroscopia. Ogni sostanza infatti possiede una firma unica, che si manifesta nella luce da loro emessa. La spiegazione sta nella meccanica quantistica: gli elettroni degli atomi si muovono come su autostrade rigorosamente divise in corsie. Ogni corsia ha un’energia di legame diversa e l’elettrone non esiste a energie intermedie. Affinché un elettrone cambi la sua corsia deve assorbire o perdere la relativa differenza di energia, e ciò avviene grazie ai fotoni, le particelle della luce, il cui colore corrisponde a una precisa energia. Quando l’elettrone “scende” di livello emette un fotone che possiede l’energia pari alla differenza tra i due livelli. Viceversa, per salire di livello deve assorbire tale energia da un fotone che ne possieda abbastanza.

I livelli sono numerati, e quindi anche le transizioni possibili sono limitate: in pratica, ogni sostanza chimica ha una firma unica, che si manifesta come una serie di righe colorate quando se ne scompone la luce con un prisma, creando un cosiddetto “spettro”. Questo è il motivo per cui le lampade al sodio sono arancioni: emettono una sola riga molto precisa di colore arancione per i nostri occhi. La spettroscopia è lo studio della luce scomposta nei suoi colori, e la sua invenzione a opera di Fraunhofer nel 1815 diede origine all’astrofisica.

Spettro dell'elio
Spettro dell’elio. Ben visibile la linea di emissione nel giallo – Crediti: McZusatz (Wikimedia Commons)

Immaginate la sorpresa dell’astronomo Norman Lockyer quando, durante le osservazioni dello spettro di una prominenza solare nel 1868, scoprì una terza linea vicino alle due generate dal sodio già descritte da Fraunhofer. Non corrispondeva a nulla di noto e pertanto propose l’idea che fosse un nuovo elemento inesistente sulla Terra. Insieme al chimico Edward Frankland decisero di chiamarlo “helios”, il nome greco del Sole. Fu solo nel 1895 che Sir William Ramsay isolò l’elio da un minerale terrestre: la cleveite, una roccia fortemente radioattiva a base di uranio. L’elio sulla Terra è rarissimo: è talmente leggero che sale rapidamente in alta atmosfera e viene strappato via dalla radiazione solare. La sua concentrazione è di appena 5,2 parti per milione! Al contrario di Giove e Saturno, la Terra non ha trattenuto nulla dell’elio primordiale.

Una risorsa rara

Che ci fa allora in una pietra? L’uranio, che incontreremo molto più avanti, è un elemento naturalmente radioattivo. Questo significa che tende a trasformarsi in un altro elemento, più stabile, emettendo particelle ed energia in surplus. In particolare, l’uranio decade tramite emissione di radiazione alfa, che salta fuori essere un nucleo di elio: due protoni e due neutroni. Il nucleo di elio è impacchettato così bene che gli atomi più pesanti emettono questi mattoncini per diventare più stabili. La particella alfa, carica positivamente, strappa immediatamente un paio di elettroni dall’ambiente e diventa un atomo neutro di elio.

Ciò avviene di continuo nell’interno della Terra, il cui calore deriva proprio dal decadimento del torio e dell’uranio primordiali, e questo si traduce nel fatto che i principali produttori di elio sono proprio i giacimenti di idrocarburi fossili! Grazie a milioni di anni di lento accumulo può raggiungere il 7% del gas estratto. Hai capito bene: la spettacolare ironia è che il secondo gas più diffuso dell’Universo, che il nostro Sole produce a bazilioni di tonnellate, sulla Terra è una risorsa rara e non rinnovabile. Al momento forse siamo coperti per circa un secolo, ma i prezzi continuano a salire e si cercano alternative a questa risorsa fondamentale.

L’elio non serve infatti solo a gonfiare i palloncini e a fare la vocina buffa: è la sostanza con il più basso punto di ebollizione noto (4,22 K, –268,93 °C). È un superfluido con una viscosità quasi nulla e una conducibilità termica stupefacente. Ah, come se non bastasse ha un indice di rifrazione così basso da essere praticamente invisibile… e si arrampica sulle superfici dei contenitori. L’elio liquido è vitale nei sistemi di raffreddamento dei supermagneti (da LHC alla risonanza magnetica), o nel produrre atmosfere protettive per processi di saldatura o purificazione.

Una delle curiosità più belle è che l’elio, a pressione atmosferica, non è mai solido. Nemmeno allo zero assoluto! È l’unica sostanza nota a manifestare questa caratteristica; tutte le sostanze del Cosmo diventano solide se portate a 0 K, qualsiasi sia la pressione. Tranne l’elio. Solo se la pressione supera le 25 atmosfere ecco che si ottiene elio solido sotto a 1,5 K! Anche in forma solida le bizzarrie abbondano: come la fase liquida è praticamente invisibile e la sua compressibilità è 100 volte superiore a quella dell’acqua. In pratica un solido gommoso.

I gusti dell’elio

L’elio esiste in due isotopi stabili:

Scheda della composizione isotopica con riportata
la massa atomica media

1) 4He (elio-4) con due neutroni, descritto finora: costituisce il 99,9998% di tutto l’elio che esiste. Fatto da due protoni e due neutroni è uno dei modi migliori per impacchettare energia nucleare, tanto che quando elementi molto grandi (come l’uranio) decidono di trasformarsi in elementi più stabili spesso lo fanno emettendo una particella α, cioè un nucleo di elio.

2) 3He (elio-3) con un solo neutrone: costituisce il rimanente 0,0002%. Il rapporto tra i due isotopi in realtà dipende molto da dove vi trovate: sulla Terra è di circa uno a 500.000, ma nel mezzo interstellare può essere 100 volte più alto. L’elio-3 viene prodotto esclusivamente nelle stelle e il vento solare ne trasporta quantità minuscole, depositandole nelle rocce superficiali dei corpi privi di atmosfera, come la Luna. Nei miliardi di anni si accumula, e siccome l’elio-3 sarebbe un combustibile perfetto per la fusione nucleare, molti autori di fantascienza (e non) hanno immaginato una nuova corsa allo spazio proprio per accaparrarsi le riserve di questo isotopo. Ce n’è abbastanza per alimentare i fabbisogni umani per milioni di anni.

3) Diprotone

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