Il secondo elemento della tavola periodica è l’elio, He, numero atomico 2. Tutti gli atomi di elio hanno 2 protoni nei loro nuclei e 2 elettroni. Ci sono due isotopi dell’elio di cui che contiene 2 neutroni nel nucleo è di gran lunga il predominante, con un numero molto minore dell’isotopo più leggero,
che ha 2 protoni e 1 neutrone nel suo nucleo e un numero di massa di 3.
L’elio è un gas nobile che significa che esiste solo come atomi degli elementi che non sono mai legati ad altri atomi. La figura 3.3 è una rappresentazione dell’atomo di elio che mostra i suoi 2 elettroni. Il simbolo di Lewis dell’elio è semplicemente He con 2 punti. Questo mostra una caratteristica molto importante degli atomi. Quando gli elettroni vengono aggiunti agli atomi con l’aumentare del numero atomico, vengono aggiunti a vari livelli conosciuti come gusci di elettroni. L’elettrone nell’idrogeno, H, va nel primo guscio elettronico, quello con la più bassa energia possibile. Anche il secondo elettrone aggiunto per fare l’atomo di elio va nel primo guscio elettronico. Questo guscio elettronico più basso può contenere un massimo di soli 2 elettroni, quindi l’elio ha un guscio elettronico pieno. Gli atomi con gusci elettronici pieni non hanno la tendenza a perdere, guadagnare o condividere elettroni e, quindi, non vengono coinvolti con altri atomi attraverso il legame chimico. Tali atomi esistono da soli nella fase gassosa e gli elementi di cui sono composti sono chiamati gas nobili. L’elio è il primo dei gas nobili.
Il gas elio ha una densità molto bassa di solo 0,164 g/L a 25˚C e 1 atm di pressione. L’elio elementare è la seconda sostanza meno densa dopo l’idrogeno. È questa caratteristica di bassa densità che rende l’elio così utile nei palloni aerostatici, compresi quelli meteorologici, che possono rimanere in alto per giorni, raggiungendo altitudini molto elevate.
L’elio viene pompato dalla terra con alcune fonti di gas naturale, alcune delle quali contengono fino al 10% di elio in volume. L’elio è stato osservato per la prima volta nel sole grazie alle specifiche lunghezze d’onda della luce emessa dagli atomi di elio caldi. Fonti sotterranee di elio sono state scoperte da trivellatori alla ricerca di gas naturale nel Kansas sud-occidentale, che hanno cercato di accendere il gas da un nuovo pozzo e sono rimasti delusi nello scoprire che non bruciava, dato che era praticamente elio puro!
L’elio, chimicamente non reattivo, non ha usi chimici, tranne che per fornire un’atmosfera chimicamente inerte. Un gas non tossico, inodore, insapore e incolore, l’elio è usato per le sue proprietà fisiche uniche. Le applicazioni nei palloni meteorologici e nei dirigibili sono state menzionate in precedenza. A causa della sua bassa solubilità nel sangue, l’elio è mescolato con l’ossigeno per la respirazione dei subacquei e delle persone con alcune malattie respiratorie. L’uso dell’elio da parte dei sommozzatori evita la condizione molto dolorosa chiamata “le curve” causata dalle bolle di azoto che si formano dal gas azoto dissolto nel sangue.
Il più grande uso dell’elio è come liquido superfreddo, che bolle ad una temperatura di soli 4,2 K sopra lo zero assoluto (-269˚C), specialmente nella crescente scienza della criogenia, che si occupa di temperature molto basse. Alcuni metalli sono superconduttori a tali temperature, così che l’elio viene usato per raffreddare elettromagneti che permettono a magneti relativamente piccoli di sviluppare campi magnetici molto potenti. Tali magneti sono componenti dell’utilissimo strumento chimico noto come risonanza magnetica nucleare (NMR). Lo stesso tipo di strumento modificato per applicazioni cliniche e chiamato MRI è usato come strumento diagnostico medico per la scansione di sezioni del corpo alla ricerca di prove di tumori e altre malattie.
L’idrogeno vuole essere come l’elio
Esame del simbolo di Lewis dell’elio (a destra, Figura 3.3) e la formula di Lewis dell’idrogeno elementare, H2, (Figura 3.1) mostra che ognuno dei due atomi di idrogeno nella molecola H2 può rivendicare 2 elettroni e quindi assomigliare all’atomo di elio. Ricordiamo che l’elio è un gas nobile che è molto soddisfatto dei suoi 2 elettroni. Ognuno degli atomi di H in H2 è soddisfatto di 2 elettroni, anche se sono condivisi. Questo indica una regola di base del legame chimico secondo cui gli atomi di un elemento tendono ad acquisire la stessa configurazione elettronica del gas nobile più vicino. In questo caso, l’idrogeno, che viene subito prima dell’elio nella tavola periodica, guadagna la configurazione di gas nobile dell’elio condividendo gli elettroni.
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