Come hanno notato altre risposte, l'unico gas più leggero dell'elio è l'idrogeno, che ha alcuni problemi di infiammabilità che lo rendono più difficile da maneggiare in sicurezza dell'elio.

Inoltre, in pratica, l'idrogeno non è significativamente "più leggero" dell'elio. Mentre la massa molecolare (e quindi, secondo la legge dei gas ideali, la densità) dell'idrogeno gassoso è circa la metà di quella dell'elio, ciò che determina la galleggiabilità di un pallone è la differenza tra la densità del gas all'interno del pallone e l'aria esterna.

La densità dell'aria in STP è di circa $ \ rho _ {\ ce {air}} = \ pu {1.2754 kg m-3} $ , mentre le densità di idrogeno ed elio i gas sono $ \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {0,08988 kg m-3} $ e $ \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {0,1786 kg m-3} $ rispettivamente. Le forze di galleggiamento di un pallone a idrogeno e di un pallone ad elio in aria (trascurando il peso della pelle e la differenza di pressione tra l'interno e l'esterno, che entrambi diminuiscono leggermente la galleggiabilità) sono proporzionali alle differenze di densità $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {1.1855 kg m-3} $ e $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {1,0968 kg m-3} $ . Pertanto, l'elio è solo di $ 7,5 \% $ meno galleggiante nell'aria dell'idrogeno.

Ovviamente, se l'aria circostante fosse sostituita con un gas più leggero, la differenza di densità tra idrogeno ed elio diventerebbe più significativa. Ad esempio, se volessi andare in mongolfiera su Giove, che ha un'atmosfera composta principalmente da idrogeno e un po 'di elio, un pallone di elio semplicemente affonderebbe e persino un idrogeno puro il palloncino (a temperatura ambiente) non solleverebbe molto peso. Ovviamente, potresti sempre riempire il pallone con aria gioviana e riscaldarlo per produrre un pallone a idrogeno caldo (da non confondere con un pallone di Rozière, che vengono utilizzati sulla Terra e hanno camere separate per l'aria calda e l'idrogeno / elio).

Ps. Un modo rapido per ottenere approssimativamente questo risultato è da notare che una molecola di idrogeno è composta da due protoni (e alcuni elettroni, che hanno massa trascurabile), e quindi ha una massa molecolare di circa $ \ pu {2 Da} $ span>, mentre un atomo di elio ha due protoni e due neutroni, per una massa totale di circa $ \ pu {4 Da} $ .

L'aria, invece, è principalmente ossigeno e azoto: l'ossigeno ha una massa molecolare di circa $ \ pu {32 Da} $ (8 protoni + 8 neutroni per atomo , due atomi per molecola), mentre l'azoto è vicino a $ \ pu {28 Da} $ (un protone e un neutrone per atomo in meno dell'ossigeno). Pertanto, la massa molecolare media dell'aria dovrebbe essere compresa tra $ 28 $ e $ \ pu {32 Da} $ ; infatti, poiché l'aria è circa tre quarti di azoto, si tratta di circa $ \ pu {29 Da} $ , e quindi la galleggiabilità dell'idrogeno e dell'elio nell'aria è proporzionale a $ 29 - 2 = 27 $ e $ 29 - 4 = 25 $ rispettivamente. Pertanto, l'idrogeno dovrebbe essere circa $ \ frac {(27 - 25)} {25} = \ frac {2} {25} = \ frac {8} {100} = 8 \ % $ più galleggiante dell'elio o, in altre parole, l'elio dovrebbe essere circa $ \ frac {2} {27} \ approx 7.5 \% $ meno vivace dell'idrogeno.

Pps. Per riassumere alcuni dei commenti di seguito, ci sono anche altri possibili gas di sollevamento, ma nessuno di loro sembrano essere concorrenti particolarmente validi per l'elio, almeno non ai prezzi odierni dell'elio.

Ad esempio, metano (massa molecolare $ \ approx \ pu {16 Da} $ ) ha circa la metà della galleggiabilità dell'idrogeno o dell'elio nell'atmosfera terrestre ed è economico e facilmente reperibile dal gas naturale. Tuttavia, come l'idrogeno, è anche infiammabile e, sebbene sia un po 'meno pericoloso per alcune misure (velocità di combustione e intervallo di infiammabilità), è più pericoloso per altri (contenuto energetico totale per volume). In ogni caso, la ridotta galleggiabilità, insieme all'infiammabilità, è probabilmente sufficiente per affondare (gioco di parole non voluto) il metano come valida alternativa all'elio.

Una scelta molto meno infiammabile sarebbe il vapore acqueo che, con una massa molecolare di $ \ approx \ pu {18 Da} $ , è solo leggermente meno galleggiante del metano alla stessa temperatura e pressione. L'ovvio problema con l'acqua è che è un liquido a temperatura ambiente, il che significa che deve essere riscaldato per far sollevare qualsiasi cosa. Non sarebbe poi così male (dopotutto, si ottiene un sollevamento extra dall'espansione a causa del calore), tranne per il fatto che rende qualsiasi guasto nel sistema di riscaldamento un potenziale disastro, mentre una mongolfiera scivolerà dolcemente verso il basso se il bruciatore si guasta, un pallone a vapore caldo può subire una catastrofica perdita di galleggiamento se il vapore si condensa.

Nonostante questi inconvenienti, palloni a vapore caldo sono certamente suggerito, studiato e provato in passato, purtroppo non sempre particolarmente efficace (sebbene, a quanto pare, ci sono sono stati tentativi molto più riusciti). Esistono vari modi in cui il problema della condensa potrebbe essere potenzialmente ridotto, come l'aggiunta di ulteriori strati isolanti all'involucro del palloncino, o persino circondare il pallone a vapore con un involucro di aria calda più convenzionale. Finora, tuttavia, sembra che i palloncini a vapore rimangano saldamente nel regno di idee ingegnose ma poco pratiche.

Altri potenziali gas di sollevamento, con massa molecolare simile al metano e all'acqua, includono ammoniaca e neon. Il neon, essendo un gas nobile come l'elio, funzionerebbe sicuramente e sarebbe sicuro, ma purtroppo è sia meno galleggiante che più costoso dell'elio.

L'ammoniaca, d'altra parte, sebbene molto meno infiammabile del metano, è piuttosto tossica e corrosiva (per non parlare davvero puzzolente, che, date le sue altre proprietà, è probabilmente una cosa buona ). Non credo che mi piacerebbe volare in un pallone di ammoniaca, ma apparentemente, alcune persone lo fanno! Sembra che il suo principale vantaggio (oltre ad essere molto più economico dell'elio) è la sua pressione di vapore relativamente bassa, che lo rende più facile da immagazzinare e maneggiare in forma compressa.

Quindi, almeno per alcune applicazioni di nicchia (principalmente hobbisti e alcuni palloni meteorologici, AFAICT), l'ammoniaca potrebbe effettivamente essere l'alternativa più praticabile all'elio (e all'aria calda) oggi, con il metano / gas naturale forse al secondo posto. Se l'elio diventasse più scarso e costoso, questi gas di sollevamento a basso costo (e forse altre alternative, come il recupero dell'elio o persino i palloni a vapore) potrebbero diventare più pratici. Inoltre, lo stesso vale per l'idrogeno: i suoi problemi di sicurezza, sebbene ben noti, non sono insormontabili, soprattutto non per cose come i palloni meteorologici senza equipaggio in cui i rischi sono molto minori. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀

In realtà, l'idrogeno è l'unico gas più leggero dell'elio. Tuttavia, ha uno svantaggio molto grande: è altamente infiammabile. D'altra parte, l'elio è quasi completamente inerte: questo è il motivo per cui è molto più sicuro utilizzare quest'ultimo.

Ciò che potrebbe accadere quando si utilizza l'idrogeno al posto dell'elio è stato dimostrato in modo impressionante dalla storia quando lo Zeppelin "Hindenburg" esplose il 6 maggio 1937. Ci sono filmati video, che possono essere visti su youtube.

In alcuni commenti è stato menzionato che l'idrogeno da solo potrebbe non essere la causa del disastro di Hindenburg, c'erano altri fattori che contribuiscono. Tuttavia, l'uso dell'idrogeno rimane pericoloso, come mostra questo esperimento con i palloni meteorologici. In una configurazione più scientifica, la combustione di un palloncino di idrogeno viene confrontata con l'ossigeno e una miscela di ossigeno e idrogeno. Sfortunatamente non è disponibile un video di un palloncino riempito di elio, ma fondamentalmente si rompe e scoppia solo a causa delle diverse pressioni all'interno e all'esterno.

Sì, l'idrogeno è più leggero dell'elio ma l'elio, d'altra parte, è un gas inerte (molto meno reattivo). Inoltre, l'idrogeno è altamente infiammabile, quindi non è sicuro giocare con i palloncini.

Un controargomentazione: l'elio è essenzialmente un "gas fossile", e c'è una fornitura limitata di elio facile da ottenere (almeno fino a quando non mettiamo in funzione pratici reattori a fusione). L'idrogeno, d'altra parte, è universalmente disponibile in $ \ ce {H2O} $ e ha bisogno solo di un po 'di elettricità per romperlo. Poiché l'elio ha importanti usi industriali diversi dai palloncini, mi aspetto che alla fine scopriremo che diventa troppo costoso buttarlo via sui giocattoli.

Con l'idrogeno, sei a un solo tocco dal disastro. Un palloncino di idrogeno va ovunque vicino alle candele di compleanno e tu finisci. L'elio d'altra parte è così inerte che puoi inalarlo e tutto ciò che farebbe è farti sembrare uno scoiattolo per un minuto o giù di lì.

Dal mio pensiero l'elio è un gas stabile ed è un gas nobile, mentre l'idrogeno è il gas più leggero ma è infiammabile, ecco perché l'elio è riempito di palloncini meteorologici.