ELIO

ELIO

Elemento chimico avente simbolo He, peso atomico 4, numero atomico 2. È il più leggiero dei cosiddetti gas nobili o rari, che costituiscono il gruppo zero del sistema periodico di Mendeleev. Fu scoperto nel 1895 da W. Ramsay che lo identificò nei gas estratti dal minerale cleveite. Era però stata già dedotta la sua presenza nel sole da P. J. C. Janssen (1868), il quale aveva osservato nello spettro della cromosfera solare una brillante riga gialla vicina alle righe D₁ e D₂ del sodio, e che fu indicata con D₃. Questa riga fu attribuita da N. Lockyer e E. Frankland ad un nuovo elemento per il quale proposero il nome elio (da ἥλιος, "sole"). Le ricerche successive hanno dimostrato che l'elio è largamente diffuso in natura, tanto in minerali e rocce quanto in acque e gas naturali; anche l'aria ne contiene una piccola quantità (i vol. di elio su 250.000 di aria). Nei corpi celesti, oltre che nella cromosfera e nelle protuberanze solari, l'elio si trova, ionizzato, nelle stelle più calde (classe O di Draper), dove lo scoprì E. C. Pickering nel 1896; e allo stato neutro si è riscontrato nelle stelle che a quelle seguono immediatamente nella scala discendente della temperatura (classi da B₀ a B₅ di Draper). Negli spettri delle stelle le righe dell'elio sono di assorbimento; invece negli spettri delle nebulose gassose si hanno, insieme con quelle dell'idrogeno, righe di emissione dell'elio.

L'elio si forma nella disintegrazione delle sostanze radioattive; si calcola ad es. che 1 gr. di radio in equilibrio con i suoi prodotti di disintegrazione fornisca circa 160 mmc. di elio in un anno. Si può ottenere per riscaldamento nel vuoto o per trattamento con acidi, o con alcali fusi, di varî minerali, come la torianite che ne contiene 8-9 cmc. per gr., la cleveite 3 cmc., la sabbia monazitica che quando contiene 5% di ossido di torio può svilupparne per riscaldamento a 1000° circa 1 litro per kg. La purificazione dell'elio greggio così ottenuto si pratica, nelle prime fasi, così come la preparazione di un miscuglio di gas rari (v. argo). Ottenuto il miscuglio, lo si tratta con carbone alla temperatura dell'aria liquida e si ha l'elio libero. Su queste basi avviene anche il riconoscimento e il dosamento dell'elio. Nella liquefazione dell'aria atmosferica si può ottenere un miscuglio di elio e neo, ma la separazione di questi due gas è assai faticosa e richiede l'impiego di temperature assai basse.

La preparazione industriale dell'elio in grandi quantitativi fu iniziata soprattutto negli Stati Uniti d'America con l'installazione, verso il 1918, di grandi impianti nella zona petrolifera del Texas, i cui gas contengono il 0,90% di elio. Fra i varî processi, fu definitivamente adottato il sistema Linde. In questo sistema, la separazione dell'elio si basa sull'eliminazione, per liquefazione, dei gas che lo accompagnano. Dopo separata l'anidride carbonica mediante latte di calce o soda, il gas naturale percorre due cicli distinti di operazioni: il primo fornisce elio al 70%, il secondo elio al 92-93%. Il gas naturale, privato dell'anidride carbonica, subisce, dopo compressione, un raffreddamento preliminare a mezzo di un ciclo ad anidride carbonica, e poi un raffreddamento più intenso per azione dei gas provenienti dall'evaporazione dei liquidi nella colonna di distillazione. Questa si compone di tre parti identiche sovrapposte, costituite ciascuna da una colonna di rettificazione che porta alla base un recipiente vaporizzatore, e alla sommità un refrigerante tubulare. Nella parte inferiore il gas compresso e freddo si espande e avviene la condensazione degl'idrocarburi superiori e di parte del metano; nella parte media si liquefanno il resto del metano e l'ossigeno; infine nella zona superiore, dove il fascio tubulare è circondato da azoto liquido, si liquefà anche la maggior parte dell'azoto, e rimane un gas che contiene 70 parti di elio e 30 di azoto. I liquidi raccolti nel vaporizzatore della parte superiore sono utilizzati nei condensatori delle due parti inferiori, e tutti i gas che si originano dai liquidi della colonna di distillazione, dopo aver ceduto le loro frigorie ai gas da trattare, vengono rimandati nella tubazione che li porta alle vicine città per l'uso domestico. La purificazione dell'elio al 70% viene effettuata in un apparecchio analogo al precedente, ma la colonna di distillazione non comprende che un solo elemento, raffreddato dall'azoto liquido fornito da un ciclo indipendente. Il gas iniziale, immagazzinato in un gassometro, è compresso a 70 kg./cmq., e dopo raffreddamento viene lasciato espandere alla base della colonna di distillazione. L'elio purificato al 92-93% è conservato in bombole alla pressione di 150 atmosfere. Il metodo descritto è stato ulteriormente perfezionato abbassando al 50% il titolo in elio del gas ottenuto nel primo ciclo di operazioni; il costo dell'elio è sceso, con questo impianto, a un dollaro per mc. Esistono anche stabilimenti di purificazione dell'elio inquinato con aria (inquinamento che ha luogo p. es. nell'involucro dei dirigibili riempiti con elio). L'installazione comprende due cicli indipendenti: uno ad aria liquida (sistema Claude), l'altro a elio impuro, il quale, dopo raffreddamento e compressione, passa in un serpentino raffreddato in un bagno d'aria liquida, dove abbandona l'aria da cui è inquinato: da miscugli contenenti il 48-80% di elio si ottiene elio al 98%.

L'elio è senza colore, né odore, né sapore; è la sostanza "più gassosa" che si conosca, poiché bolle a − 268,8° C. (cioè a 4°,2 assoluti); la sua temperatura critica è 5°,2 ass. e la pressione critica è di 2,26 atm. (= 1718 mm. di mercurio); allo stato liquido è incoloro ed è 8 volte più leggiero dell'acqua; solidifica a 1°,1 al disopra dello zero assoluto e sotto la pressione di 26 atm., in una massa trasparente ed incolore; ha una conducibilità calorifica piuttosto elevata. Il nucleo è costituito da 4 protoni (nuclei d'idrogeno) e da 2 elettroni; esternamente si trovano due elettroni negativi, che debbono formare, come per gli altri gas rari, una configurazione particolarmente stabile. Non sono conosciute combinazioni stabili dell'elio; però alcuni fenomeni farebbero ritenere possibile l'esistenza di stati metastabili capaci di dare origine a combinazioni chimiche.

L'elio si usa largamente per il riempimento dei dirigibili, presentando notevolissimi vantaggi sull'idrogeno: non infiammabilità, minore diffusibilità attraverso le pareti dell'involucro, maggiore conducibilità termica ed elettrica. Resta soltanto un po' diminuita la forza ascensionale che è il 92,6% di quella dell'idrogeno. Dato il costo dell'elio, si sperimentò anche il miscuglio elio-idrogeno, e fu constatato che l'elio contenente il 15% di idrogeno poteva venire usato con perfetta sicurezza. Altra applicazione notevole è la produzione di bassissime temperature, poiché soltanto l'elio liquido permette di giungere a circa 1° dallo zero assoluto. Sono stati auspicati "centri criogeni", che, come a Leida e a Washington, possiedano termostati ad elio liquido.

Bibl.: C. Porlezza, Giornale di Chimica ind. appl., novembre-dicembre 1920; Gmelin-Kraut, Handb. der anorg. Chemie, 8ª ed., Heidelberg 1926; A. Lepape, in La technique moderne, XIX (1927); R. Abegg, Handb. der anorg. Chemie, IV, iii, 1928.