Heli

Heli, 2He
Quang phổ vạch của Heli
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Heli, He
Phiên âm	/ˈhiːliəm/ HEE-lee-əm
Hình dạng	Khí không màu, có ánh sáng màu xám, đục (hoặc màu đỏ cam nếu sử dụng điện áp đặc biệt cao) khi đặt trong điện trường.
Heli trong bảng tuần hoàn
- ↑ He ↓ Ne Hydro ← Heli → Lithi
Số nguyên tử (Z)	2
Khối lượng nguyên tử chuẩn (Ar)	4,002602(2)[1]
Phân loại	khí hiếm
Nhóm, phân lớp	18, s
Chu kỳ	Chu kỳ 1
Cấu hình electron	1s^2
mỗi lớp	2
Tính chất vật lý
Màu sắc	Không màu
Trạng thái vật chất	Chất khí
Nhiệt độ nóng chảy	(với 2,5 MPa) 0,95 K ​(−272,20 °C, ​−457,96 °F)
Nhiệt độ sôi	4,22 K ​(−268,93 °C, ​−452,07 °F)
Mật độ	0,1786 g/L (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 0,145 g·cm^−3
Điểm tới hạn	5.1953 K, 0.22746 MPa
Nhiệt lượng nóng chảy	0,0138 kJ·mol^−1
Nhiệt bay hơi	0.0829 kJ·mol^−1
Nhiệt dung	5R/2 = 20,786 J·mol^−1·K^−1
Áp suất hơi (được xác định bởi ITS-90) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 1,23 1,67 2,48 4,21
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	0
Độ âm điện	Không có dữ liệu (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 2372,3 kJ·mol^−1 Thứ hai: 5250,5 kJ·mol^−1
Bán kính liên kết cộng hóa trị	28 pm
Bán kính van der Waals	140 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​ Hệ tinh thể lục phương (kết chặt)
Vận tốc âm thanh	972 m·s^−1
Độ dẫn nhiệt	0,1513 W·m^−1·K^−1
Tính chất từ	Nghịch từ[2]
Số đăng ký CAS	7440-59-7
Lịch sử
Đặt tên	Theo tên Helios, vị thần Mặt Trời của Hy Lạp.
Phát hiện	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
Tách ra lần đầu	William Ramsay, Per Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Heli
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP ^3He 0.000137%* ^3He ổn định với 1 neutron ^4He 99.999863%* ^4He ổn định với 2 neutron
Theo tiêu chuẩn khí quyển, có thể thay đổi theo vị trí.

Heli là nguyên tố trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu He và số hiệu nguyên tử bằng 2, nguyên tử khối bằng 4. Tên của nguyên tố này bắt nguồn từ Helios, tên của thần Mặt Trời trong thần thoại Hy Lạp, do nguồn gốc nguyên tố này được tìm thấy trong quang phổ trên Mặt Trời.

Thuộc tính

Heli có điểm sôi thấp nhất trong tất cả các nguyên tố và chỉ có thể đông đặc dưới áp suất rất cao. Nguyên tố này thường thường là khí đơn nguyên tử và về mặt hoá học nó là trơ.

Sự phổ biến

Heli là nguyên tố nhiều thứ hai trong vũ trụ sau hydro. Trong khí quyển Trái Đất, mật độ heli theo thể tích là 5,2 x 10⁻⁶ tại mực nước biển và tăng dần đến độ cao 24 km, chủ yếu là do phần lớn heli trong bầu khí quyển Trái Đất đã thoát ra ngoài khoảng không gian vũ trụ vì tỷ trọng thấp và tính trơ của nó. Có một lớp trong bầu khí quyển Trái Đất ở độ cao khoảng 1.000 km mà ở đó heli là chất khí chủ yếu (mặc dù tổng áp suất gây ra là rất nhỏ).

Heli là nguyên tố phổ biến thứ 71 trong vỏ Trái Đất, chiếm tỷ lệ 8 x 10⁻⁹, còn trong nước biển chỉ có 4 x 10⁻¹². Nói chung, nó hình thành từ sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố, do vậy người ta có thể tìm thấy heli trong các mỏ khoáng chất chứa urani, thori v.v và trong vài loại nước khoáng cũng như khí phun trào núi lửa. Heli tồn tại trong nhiều loại khí tự nhiên.

Đồng vị

Bài chi tiết: Đồng vị của heli

Heli có 9 đồng vị, nhưng chỉ heli-3 và heli-4 là bền. Trong khí quyển Trái Đất, trong một triệu nguyên tử ⁴
He có một nguyên tử ³
He.^[3] Không giống như các nguyên tử khác, sự phổ biến của các đồng vị heli thay đổi tùy theo nguồn gốc, do các quá trình hình thành khác nhau. Đồng vị phổ biến nhất, heli-4, được tạo ra trên Trái Đất từ phân rã alpha của các nguyên tố phóng xạ nặng hơn; các hạt alpha sinh ra bị ion hóa hoàn toàn thành hạt nhân heli-4. Heli-4 là hạt nhân ổn định bất thường do các nucleon được sắp xếp vào lớp vỏ đầy đủ. Nó cũng được tạo ra với số lượng lớn trong tổng hợp hạt nhân Big Bang.^[4]

Heli-3 có chỉ có mặt trên Trái Đất ở dạng dấu vết; đa số trong đó có từ lúc hình thành Trái Đất, mặc dù một số rơi vào Trái Đất trong bụi vũ trụ.^[5] Một lượng vết cũng được tạo ra từ phân rã beta của triti.^[6] Các đá trong vỏ Trái Đất có các tỉ lệ đồng vị thay đổi khoảng 1/10, và các tỉ lệ này có thể được dùng để khảo sát nguồn gốc của các đá và thành phần lớp phủ của Trái Đất.^{[7] 3}
He phổ biến hơn trong các ngôi sao ở dạng sản phẩm của phản ứng tổng hợp hạt nhân. Do đó trong môi trường liên sao, tỉ lệ ³
He so với ⁴
He cao khoảng 100 lần so với trên Trái Đất.^[8] Các vật liệu ngoài hành tinh như tầng phong hóa của Mặt Trăng và tiểu hành tinh có heli-3 ở dạng vết, chúng được hình thành từ sự bắn phá của gió Mặt Trời. Bề mặt Mặt Trăng chứa heli-3 với nồng độ 0.01 ppm.^[9][10] Một số người, đầu tiên là Gerald Kulcinski năm 1986,^[11] đã đề xuất thám hiểm Mặt Trăng, khai thác lớp phong hóa Mặt Trăng và sử dụng heli-3 trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Heli-4 hóa lỏng có thể được làm lạnh ở khoảng 1 kelvin bằng làm lạnh bay hơi trong 1-K pot. Cách làm lạnh tương tự cũng áp dụng cho heli-3, đồng vị này có điểm sôi thấp hơn nên có thể lạnh ở 0,2 kelvin trong tủ lạnh heli-3. Hỗn hợp cân bằng của ³
He và ⁴
He lỏng dưới 0,8 K tách thành hai pha không trộn lẫn do sự khác biệt của chúng (chúng tên theo các thống kê lượng tử khác nhau: các nguyên tử heli-4 tuân theo boson trong khi heli-3 tuân theo fermion).^[12] Tủ lạnh pha loãng sử dụng tính không hòa trộn này để đạt được nhiệt độ vài milimét.

Nó có thể tạo ra các đồng vị heli ngoại lai, mà chúng có thể phân rã nhanh chóng thành các chất khác. Đồng vị heli nặng tồn tại ngắn nhất là heli-5 có chu kỳ bán rã 7,6×10^–22 giây. Heli-6 phân rã bằng cách phát ra hạt beta và có chu kỳ bán rã 0,8 giây. Heli-7 cũng phát ra hạt beta cũng như tia gamma. Heli- và heli-8 được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân nhất định.^[13] Heli-6 và heli-8 thể hiện là một nuclear halo. Heli-2 (2 proton, không có neutron) là một đồng vị phóng xạ phân rã bằng phát xạ proton thành proti (hydro), có chu kỳ bán rã 3×10^–27 giây.^[12]

Ứng dụng

Heli được dùng để đẩy các bóng thám không và khí cầu nhỏ do tỷ trọng riêng nhỏ hơn tỷ trọng của không khí và như chất lỏng làm lạnh cho nam châm siêu dẫn.

Đồng vị Heli 3 có nhiều trong gió mặt trời nhưng mà phần lớn chúng bị từ trường của Trái Đất đẩy ra. Người ta đang nghiên cứu khai thác Heli-3 trên Mặt Trăng để sử dụng như một nguồn năng lượng rất tiềm năng.

Làm cho giọng nói trở nên thay đổi (trở nên cao hơn). Do heli nhẹ hơn không khí rất nhiều nên trong khí heli, tốc độ của âm thanh nhanh hơn tới 3 lần trong không khí, lên tới 927 m/s. Khi hít khí heli, trong vòm họng bạn tràn ngập khí ấy. Do đó, tần số giọng nói sẽ biến đổi, tăng lên rất nhiều và tất yếu khiến giọng bạn cao và trong hơn. Tuy nhiên, do hàm lượng khí heli trong bóng bay thấp nên "giọng nói chipmunk" chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn, rồi trở về bình thường.

Heli được sử dụng làm khí bảo vệ trong hàn kim loại như hàn TIG.

Heli khi được làm lạnh sẽ sôi rất mạnh. Vào năm 1930, khi người ta hạ nhiệt độ xuống 2 K (-271,15⁰C), heli lỏng ngừng sôi và trở thành heli siêu lỏng với những tính chất kì lạ. Nó có thể rò qua cốc đựng và đi ngược chiều trọng lực như một chất lỏng không có độ nhớt.

Xem thêm

• Nguyên tử heli

Tham khảo

1. “Trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn: Heli”.CIAAW.1983
2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds Lưu trữ 2012-01-12 tại Wayback Machine, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
3. Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. tr. 175–179. ISBN 0-19-850341-5.
4. Weiss, Achim. “Elements of the past: Big Bang Nucleosynthesis and observation”. Max Planck Institute for Gravitational Physics. Bản gốc lưu trữ ngày 29 tháng 7 năm 2010. Truy cập ngày 23 tháng 6 năm 2008.; Coc, Alain; Vangioni-Flam, Elisabeth; Descouvemont, Pierre; Adahchour, Abderrahim; Angulo, Carmen (2004). “Updated Big Bang Nucleosynthesis confronted to WMAP observations and to the Abundance of Light Elements”. Astrophysical Journal. 600 (2): 544. arXiv:astro-ph/0309480. Bibcode:2004ApJ...600..544C. doi:10.1086/380121.
5. Anderson, Don L.; Foulger, G. R.; Meibom, A. (ngày 2 tháng 9 năm 2006). “Helium Fundamentals”. MantlePlumes.org. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2008.
6. Novick, Aaron (1947). “Half-Life of Tritium”. Physical Review. 72: 972–972. doi:10.1103/PhysRev.72.972.2.
7. Anderson, Don L.; Foulger, G. R.; Meibom, A. (ngày 2 tháng 9 năm 2006). “Helium Fundamentals”. MantlePlumes.org. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2008.
8. Zastenker G. N. (2002). “Isotopic Composition and Abundance of Interstellar Neutral Helium Based on Direct Measurements”. Astrophysics. 45 (2): 131–142. doi:10.1023/A:1016057812964. Bản gốc lưu trữ ngày 1 tháng 10 năm 2007. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2008.
9. “Lunar Mining of Helium-3”. Fusion Technology Institute of the University of Wisconsin-Madison. ngày 19 tháng 10 năm 2007. Bản gốc lưu trữ ngày 4 tháng 9 năm 2006. Truy cập ngày 9 tháng 7 năm 2008.
10. Slyuta, E. N.; Abdrakhimov, A. M.; Galimov, E. M. (2007). “The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith” (PDF). Lunar and Planetary Science XXXVIII. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2008.
11. Hedman, Eric R. (ngày 16 tháng 1 năm 2006). “A fascinating hour with Gerald Kulcinski”. The Space Review. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2008.
12. ^ Hampel, Clifford A. (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Van Nostrand Reinhold. tr. 256–268. ISBN 0-442-15598-0.
13. Clifford A. Hampel (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Van Nostrand Reinhold. tr. 256–268. ISBN 0-442-15598-0.

Liên kết ngoài

• Heli tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Helium tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)