Heli, nguyên tố thứ hai trong bảng tuần hoàn, không chỉ nổi tiếng với khả năng làm bay bóng bay mà còn có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Bài viết này yeuhoahoc.edu.vn sẽ giới thiệu chi tiết về nguyên tố heli từ định nghĩa, lịch sử, tính chất, ứng dụng, điều chế và sản xuất, cho đến vấn đề an toàn khi sử dụng.
Giới thiệu về nguyên tố Heli
Định nghĩa: Nguyên tố Heli là gì?
Heli là nguyên tố hóa học có ký hiệu He và số hiệu nguyên tử bằng 2. Nó là một nguyên tố khí hiếm, không màu, không mùi, không vị, không độc, trơ, đơn nguyên tử. Heli là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ sau hydro, chiếm khoảng 23% khối lượng vũ trụ.
Lịch sử hình thành nguyên tố Heli
- Heli được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1868 bởi nhà thiên văn học Pháp Jules Janssen trong quang phổ của Mặt Trời.
- Tên của nó bắt nguồn từ Helios, tên gọi của thần Mặt Trời trong thần thoại Hy Lạp.
- Heli được nhà hóa học người Anh William Ramsay cô lập lần đầu tiên vào năm 1895.
Vụ nổ Big Bang
- Heli được hình thành trong vài phút đầu tiên sau vụ nổ Big Bang, cùng với hydro và một lượng nhỏ lithium.
- Quá trình này xảy ra do sự kết hợp của các hạt proton và neutron, tạo thành hạt nhân helium.
Hợp hạch hạt nhân trong các ngôi sao
- Heli được tạo ra trong các ngôi sao thông qua quá trình hợp hạch hạt nhân.
- Trong quá trình này, bốn hạt nhân hydro kết hợp với nhau để tạo thành một hạt nhân helium, giải phóng năng lượng khổng lồ.
Vòng đời của các ngôi sao
- Khi một ngôi sao chết, nó có thể giải phóng heli vào môi trường liên sao.
- Heli này có thể được sử dụng để hình thành các ngôi sao và hành tinh mới.
Suy biến phóng xạ
- Một số nguyên tố nặng, như uranium và thorium, phân rã thành heli theo thời gian.
- Quá trình này diễn ra rất chậm và chỉ tạo ra một lượng nhỏ heli.
Trên Trái Đất
- Heli được tìm thấy trong khí quyển với tỷ lệ rất thấp (khoảng 0,0005%).
- Nó cũng được tìm thấy trong một số khoáng chất, như monazit và titanit.
- Heli có thể được khai thác từ khí thiên nhiên hoặc được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước.
Nguyên tố Heli trong bảng tuần hoàn hóa học
| Nhóm | Chu kỳ | Nguyên tử khối (u) | Khối lượng riêng g/cm3 | Nhiệt độ nóng chảy (K9) | Nhiệt độ bay hơi
K |
Nhiệt dung riêng
J/g.K |
Độ âm điện | Tỷ lệ trong vỏ Trái Đất
mg/kg |
| 18 | 1 | 4,002602(2)2 4 | 0,0001785 | 0,956 | 4,22 | 5,193 | – | 0,008 |
Tính chất của nguyên tố Heli
Tính chất vật lý
- Là khí không màu, không mùi, không vị: Heli không có màu sắc, mùi vị hay cảm giác khi tiếp xúc trực tiếp.
- Là khí nhẹ thứ hai sau hydro: Heli có khối lượng nguyên tử là 4,002602 u, chỉ nặng hơn hydro (1,007825 u).
- Ít tan trong nước: Heli không tan trong nước ở mức độ đáng kể.
- Có điểm sôi và điểm nóng chảy thấp nhất trong tất cả các nguyên tố:
- Điểm sôi của heli là -458,45 °F (-272,04 °C).
- Điểm nóng chảy của heli là -458,33 °F (-272,2 °C).
Tính chất hóa học
- Tính trơ về mặt hóa học: Heli là nguyên tố khí hiếm, có cấu hình electron bền vững nên ít có khả năng phản ứng hóa học với các nguyên tố khác.
- Không phản ứng với hầu hết các nguyên tố khác: Heli chỉ phản ứng với một số nguyên tố khác trong điều kiện khắc nghiệt, ví dụ như phản ứng với flo ở nhiệt độ cao.
Ngoài ra, heli còn có một số tính chất đặc biệt khác như:
- Tính dẫn điện cao: Heli là khí dẫn điện tốt nhất sau hydro.
- Tính siêu lỏng: Heli lỏng có thể chảy qua các khe hở rất nhỏ và có thể leo lên thành bình chứa.
Ứng dụng của Heli
Khoa học
- Làm mát các thiết bị siêu dẫn: Heli lỏng được sử dụng để làm mát các thiết bị siêu dẫn, ví dụ như máy cộng hưởng từ (MRI).
- Máy bay không người lái (UAVs): Heli được ưa chuộng để điều khiển khí cầu và UAVs bởi tính nhẹ và khả năng chống cháy của nó.
- Tàu nghiên cứu: Heli được sử dụng trong các tàu nghiên cứu để nghiên cứu các lớp khí quyển cao.
Y tế
- Điều trị các bệnh hô hấp: Heli được sử dụng để điều trị các bệnh hô hấp như hen suyễn và tắc nghẽn phổi mãn tính (COPD).
- Hỗ trợ trong các ca phẫu thuật: Heli được sử dụng trong các ca phẫu thuật để giảm nguy cơ tắc nghẽn mạch máu.
Công nghiệp
- Hàn, cắt kim loại: Heli được sử dụng để hàn, cắt kim loại vì nó không cháy và tạo ra mối hàn chất lượng cao.
- Khí nâng: Heli được sử dụng để làm khí nâng cho khí cầu, tàu bay vì nó nhẹ và không cháy.
- Sản xuất bóng bán dẫn: Heli được sử dụng trong quá trình sản xuất bóng bán dẫn để tạo ra môi trường sạch và khô.
Điều chế và sản xuất nguyên tố
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chế và sản xuất các nguyên tố, tùy thuộc vào tính chất hóa học và vật lý của từng nguyên tố.
- Phản ứng hóa học
- Phản ứng tổng hợp: Hai hoặc nhiều nguyên tố kết hợp với nhau để tạo thành một nguyên tố mới. Ví dụ:
- Sắt (Fe) được điều chế bằng cách nung nóng quặng hematite (Fe2O3) với than cốc (C): Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO2
- Phản ứng phân hủy: Một nguyên tố bị phân hủy thành hai hoặc nhiều nguyên tố khác. Ví dụ:
- Nước (H2O) được điện phân thành hydro (H2) và oxy (O2): 2H2O → 2H2 + O2
- Phản ứng thế: Một nguyên tố thay thế một nguyên tố khác trong hợp chất của nó. Ví dụ:
- Đồng (Cu) được điều chế bằng cách cho dung dịch axit sulfuric (H2SO4) tác dụng với đồng (II) oxit (CuO): CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O
- Điện phân:
- Dòng điện được sử dụng để phân hủy hợp chất thành các nguyên tố thành phần của nó. Ví dụ:
- Nhôm (Al) được điều chế bằng cách điện phân quặng nhôm oxit (Al2O3) nóng chảy: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
- Nung nóng:
- Một số nguyên tố có thể được điều chế bằng cách nung nóng hợp chất của chúng đến nhiệt độ cao. Ví dụ:
- Thủy ngân (Hg) được điều chế bằng cách nung nóng chu sa (HgS): HgS → Hg + S
- Phương pháp sinh học:
- Một số nguyên tố có thể được điều chế bằng cách sử dụng vi sinh vật. Ví dụ:
- Vitamin B12 được điều chế bằng cách lên men vi khuẩn.
Sản xuất nguyên tố:
Quy mô sản xuất nguyên tố phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng và tính chất của từng nguyên tố. Một số nguyên tố được sản xuất với số lượng lớn, ví dụ như sắt, nhôm, đồng. Những nguyên tố này được sản xuất bằng các phương pháp công nghiệp quy mô lớn. Các nguyên tố khác được sản xuất với số lượng nhỏ hơn, ví dụ như lithium, uranium. Những nguyên tố này được sản xuất bằng các phương pháp chuyên biệt hơn.
Lưu ý:
Điều chế và sản xuất nguyên tố cần được thực hiện bởi các kỹ thuật viên có chuyên môn và tuân thủ các quy định an toàn nghiêm ngặt.
Tồn tại và khai thác Heli:
Tồn tại
- Heli đứng thứ hai trong số các nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chỉ sau hydro..
- Heli chiếm khoảng 23% khối lượng vũ trụ.
- Heli tồn tại dưới dạng khí tự do trong khí quyển Mặt Trời.
- Heli cũng tồn tại dưới dạng hợp chất như heliox, một hỗn hợp khí heli và oxy được sử dụng trong lặn biển.
Khai thác
- Heli được khai thác chủ yếu từ khí thiên nhiên.
- Khí thiên nhiên được hóa lỏng và sau đó được phân tách thành các thành phần khác nhau, bao gồm heli.
- Heli cũng có thể được khai thác từ khí mỏ, nhưng đây là nguồn cung cấp ít phổ biến hơn.
Hiện nay, trữ lượng heli trên Trái Đất đang dần cạn kiệt.
Nguyên nhân:
- Heli là một khí rất nhẹ và dễ bay hơi.
- Heli có thể thoát ra khỏi bầu khí quyển Trái Đất và bay vào không gian.
- Nhu cầu sử dụng heli ngày càng tăng.
Hậu quả:
- Giá heli ngày càng tăng.
- Thiếu hụt heli có thể ảnh hưởng đến một số ngành công nghiệp, như y tế, khoa học và công nghiệp hàng không.
Giải pháp:
- Cần sử dụng heli một cách tiết kiệm và hiệu quả.
- Cần tìm kiếm các nguồn cung cấp heli mới, như khai thác heli từ Mặt Trăng.
- Cần phát triển các công nghệ mới để tái chế heli.
Vấn đề an toàn khi sử dụng Heli
Mặc dù heli là khí không độc hại, nhưng nó cũng có thể gây nguy hiểm nếu sử dụng không đúng cách. Dưới đây là một số vấn đề an toàn cần lưu ý khi sử dụng heli:
- Ngạt thở:
- Hít phải lượng lớn heli có thể thay thế oxy trong phổi, dẫn đến ngạt thở.
- Điều này đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ em vì chúng có thể hít phải heli nhanh hơn người lớn.
- Mất áp suất:
- Heli có thể giải phóng nhanh chóng từ các bình chứa, dẫn đến giảm áp suất đột ngột.
- Điều này có thể gây ra các vấn đề sức khỏe như đau đầu, chóng mặt và thậm chí là tử vong.
- Cháy nổ:
- Heli không cháy, nhưng nó có thể hỗ trợ sự cháy của các vật liệu khác.
- Do đó, cần cẩn thận khi sử dụng heli gần các nguồn lửa hoặc nhiệt.
- Nguy cơ tiềm ẩn khác:
- Heli có thể gây ra các vấn đề sức khỏe khác như buồn nôn, nôn mửa và co giật.
- Heli cũng có thể làm hỏng các thiết bị điện tử.
Để đảm bảo an toàn khi sử dụng heli, cần tuân thủ các biện pháp phòng ngừa sau:
- Chỉ sử dụng heli theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
- Đọc kỹ các cảnh báo an toàn trước khi sử dụng heli.
- Sử dụng heli trong khu vực thông gió tốt.
- Tránh hít phải heli trực tiếp từ bình chứa.
- Không sử dụng heli gần các nguồn lửa hoặc nhiệt.
- Cất giữ heli ngoài tầm với của trẻ em.
Chất lượng và phương thức cung cấp nguyên tố
Chất lượng nguyên tố
Chất lượng nguyên tố được đánh giá dựa trên các tiêu chí sau:
- Độ tinh khiết: Tỷ lệ phần trăm nguyên tố đó trong mẫu so với tổng lượng các chất khác.
- Hàm lượng tạp chất: Nồng độ các nguyên tố khác có trong mẫu.
- Đặc tính vật lý: Kích thước hạt, độ chảy, độ dẫn điện, v.v.
- Đặc tính hóa học: Độ phản ứng, độ axit/bazơ, v.v.
Phương thức cung cấp nguyên tố
Nguyên tố có thể được cung cấp dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm:
- Khí: Ví dụ: heli, oxy, nitơ.
- Lỏng: Ví dụ: nước, amoniac, axit sulfuric.
- Rắn: Ví dụ: sắt, nhôm, đồng.
- Hợp chất: Ví dụ: muối ăn, đường, baking soda.
Phương thức cung cấp nguyên tố phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng. Ví dụ:
- Khí: Thường được sử dụng trong các ứng dụng như hàn cắt, lặn biển và sản xuất khí quyển nhân tạo.
- Lỏng: Thường được sử dụng trong các ứng dụng như làm dung môi, chất tẩy rửa và nguyên liệu sản xuất.
- Rắn: Thường được sử dụng trong các ứng dụng như xây dựng, sản xuất và chế tạo.
- Hợp chất: Thường được sử dụng trong các ứng dụng như nấu ăn, dọn dẹp nhà cửa và làm vườn.
Dưới đây là tất cả những kiến thức cơ bản về nguyên tố Heli mà chúng tôi đã tổng hợp. Hãy cùng đọc và khám phá thêm về chủ đề này!
Chúng tôi hy vọng rằng bài viết đã cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan và sâu sắc về nguyên tố Heli. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc muốn tìm hiểu thêm, đừng ngần ngại để lại comment dưới đây nhé！
