Khí Heli là gì? Tính chất vật lý, hóa học, điều chế và ứng dụng của Heli

Cùng tìm hiểu sung thêm các kiến thức mà các em chưa biết về khí Helium với chia sẻ của Admin trong bài viết dưới đây nhé!

Helium là một nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học có số nguyên tử là 2 và khối nguyên tử là 4. Với ký hiệu hóa học He, Helium là một khí không màu, không mùi và không mùi. Nó có điểm sôi thấp nhất trong tất cả các nguyên tố và chỉ đông đặc được ở nhiệt độ rất thấp hoặc ở áp suất cao.

Khí Helium là gì?

Helium được xem là nguyên tố không tương tác hóa học vì nó không dễ dàng tạo ra các liên kết hóa học với các nguyên tố khác. Do tính trơ của nó, Helium thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi môi trường không phản ứng hóa học, như trong các thiết bị đo lường, máy phân tích khí và phân tích phổ.

Trên Trái đất, Helium có mật độ thấp trong khí quyển. Nồng độ Helium trong không khí ở mực nước biển là khoảng $5, 2 . 10^{- 6}$ theo thể tích. Tuy nhiên, Helium có xu hướng tăng dần theo độ cao và đạt đỉnh vào khoảng 24km. Một phần lớn Helium trong khí quyển đã thoát ra không gian vũ trụ, đây là một trong những nguyên nhân khiến Helium trở thành một nguyên tố khí hiếm trong môi trường Trái đất.

Trong lớp vỏ Trái đất, Helium là một nguyên tố phổ biến với tỷ lệ khoảng $8 . 10^{- 9}$ . Nó có thể được tìm thấy trong các khoáng chất chứa uranium hoặc thorium, do Helium là sản phẩm phân rã phóng xạ của các nguyên tố này. Ngoài ra, Helium cũng có thể tồn tại trong một số loại nước khoáng và có thể được giải phóng từ núi lửa phun trào trong quá trình hoạt động địa chất.

Nguồn gốc của khí Helium ban đầu là từ các bãi đá ngầm và giếng dầu. Tuy nhiên, trong quá khứ, phương pháp sản xuất Helium chưa được phát triển. Trước đây, khí Helium chủ yếu được sử dụng trong các khinh khí cầu. Hoa Kỳ đã trở thành trung tâm lưu trữ và sản xuất Helium lớn nhất thế giới trong những năm đó.

Lịch sử về nguồn tố Helium (He)

Tuy nhiên, việc duy trì hoạt động của trung tâm này đòi hỏi chi phí quá lớn, trong khi thu nhập từ việc chế tạo và tiêu thụ Helium không đủ để đảm bảo lợi nhuận. Vì vậy, trung tâm đã đóng cửa, tuy nhiên, điều này đã mở ra cánh cửa cho ngành công nghiệp Helium trên toàn cầu. Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới có nguồn tài nguyên tự nhiên chứa Helium. Các quốc gia như Mỹ, Nga, Qatar và nhiều quốc gia khác được xem là có nguồn heli dồi dào. Ước tính tổng lượng Helium có thể trích xuất từ các quốc gia này là khoảng 410 tỷ mét khối.

Khí Helium có số hiệu nguyên tử là 2, vì vậy mà cấu hình electron của nó có dạng 1s2. Helium (He) là một nguyên tố không có hóa trị. Điều này có nghĩa là Helium không tham gia vào các phản ứng hóa học để tạo ra các liên kết hóa học với các nguyên tố khác. Nguyên tử Helium chỉ bao gồm hai electron, điều này khiến nó có cấu trúc electron rất ổn định và không cần nhận hoặc cho electron để đạt được cấu trúc electron mong muốn. Do đó, Helium được xem là một nguyên tố không có khả năng tạo ra hóa trị và không có số oxi hóa.

Cấu hình electron của Helium

Khí Helium (He) có các tính chất vật lý đặc trưng sau:

Khối lượng phân tử và khối nguyên tử: Khối lượng phân tử của Helium là 4 g/mol, trong khi khối nguyên tử là 4. Điều này đồng nghĩa với việc Helium là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn.
Trạng thái vật lý: Helium là một khí ở điều kiện tiêu chuẩn (0 độ C và áp suất 1 atm). Nó không có màu, mùi và vị. Helium không hòa tan trong nước và không tạo thành các hợp chất hóa học phổ biến.
Điểm nóng chảy và điểm sôi: Helium có điểm nóng chảy rất thấp, chỉ khoảng $- 272, 2^{0} C (- 457, 96^{0} F)$ . Điểm sôi của Helium là $- 268, 9^{0} C (- 452, 02^{0} F)$ , là điểm sôi thấp nhất trong tất cả các nguyên tố.
Độ dẫn nhiệt: Helium có độ dẫn nhiệt tương đối cao là $0, 152 W m^{- 1} K^{- 1} .$ Điều này làm cho nó trở thành một chất truyền nhiệt tốt, được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh và làm mát.
Độ bay hơi: Helium có độ bay hơi nhanh, điều này có nghĩa là nó chuyển từ trạng thái lỏng sang khí rất dễ dàng.
Tính chất không hoá học: Helium là một nguyên tố không tác động hóa học và không tạo thành các hợp chất hóa học phổ biến. Nó không cháy và không hỗn hợp với các chất khác.
Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của Helium ở điều kiện tiêu chuẩn là khoảng $0, 0001785 g / m^{3}$ . Điều này làm cho Helium có mật độ thấp hơn so với không khí.

Tính chất vật lý của khí Helium là gì?

Nguyên tố Helium là khí đơn nguyên tử, vì vậy về mặt hóa học nó thể hiện tính trơ, không tham gia phản ứng hóa học với tất cả các chất, bao gồm cả đơn chất và hợp chất.

Helium là một trong các nguyên tố phổ biến thứ 71 trong vỏ Trái Đất. Helium có 8 đồng vị, tuy nhiên chỉ có 2 đồng vị bền là Helium-3 và Helium-4. Helium được tìm thấy rất nhiều các mỏ khoáng chất chứa Uranium, Thorium,... Ngoài ra thì nó còn được tìm thấy trong vài loại nước khoáng hoặc trong khí được tỏa ra khi núi lửa phun trào. Helium cũng tồn tại trong nhiều các loại khí tự nhiên khác.

Quá trình tạo ra khí Helium có thể được thực hiện theo các bước sau:

Điều chế khí Helium như thế nào?

Bước 1: Chiết xuất từ không khí: Trước đây, khí Helium chủ yếu được tách và chiết xuất từ không khí. Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả và an toàn như ngày nay.
Bước 2: Ngưng tụ và lọc khí: Ngày nay, phương pháp tạo ra khí Helium an toàn và hiệu quả hơn. Quá trình bắt đầu bằng việc ngưng tụ khí tự nhiên ở nhiệt độ thấp, chuyển đổi nó từ dạng khí sang dạng lỏng. Kết quả là thu được khí heli trong trạng thái rắn đặc. Trong giai đoạn này, khối lượng khí Helium được sản xuất chiếm khoảng 80% tổng lượng.
Bước 3: Lọc và làm sạch: Sau giai đoạn ngưng tụ, quá trình lọc được tiến hành để loại bỏ các tạp chất có thể có trong hỗn hợp khí đã thu được trước đó. Các tạp chất thường bao gồm methane hydro và nitrogen. Sau khi qua quá trình lọc, khí Helium được tinh chế đạt độ tinh khiết trên 90%.

Nguyên tắc thực hiện của phương pháp này là sử dụng sự khác biệt về nhiệt độ hóa lỏng của từng khí để tách chúng theo trình tự. Các khí có nhiệt độ hóa lỏng cao hơn sẽ được tách ra trước. Tiếp theo, dòng khí còn lại được làm lạnh để tách các khí khác.

Phương pháp này có chi phí đáng kể, nhưng khả năng tách riêng của nó đối với khí heli trong không khí là rất thấp. Do đó, phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất nitrogen và oxygen. Cách tạo ra khí Helium theo phương pháp hiện đại này đã cải thiện đáng kể hiệu suất và độ an toàn của quá trình sản xuất.

Khí Helium được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Tiêu biểu như:

Ứng dụng của khí Helium

Điều khiển khinh khí cầu: Khí Helium là lựa chọn phổ biến để bay cầm khinh khí cầu. Với khối lượng riêng thấp, Helium tạo ra lực nâng đủ để nâng cả khinh khí cầu lên không trung. Điều này cho phép khinh khí cầu di chuyển và mang lại trải nghiệm bay độc đáo cho du khách.
Sử dụng trong công nghiệp hàn: Helium được sử dụng như một chất bảo vệ trong quá trình hàn. Khi được sử dụng kết hợp với các chất khí khác, Helium giúp ngăn chặn sự oxi hóa và tác động của không khí lên các điểm hàn, đảm bảo chất lượng và độ bền của các kết cấu hàn.
Công nghiệp dầu và khí: Khí Helium được sử dụng trong quá trình khoan dầu và khí để giảm ma sát và làm mát dụng cụ khoan. Nó cũng được sử dụng trong các quá trình xử lý dầu và khí để kiểm soát áp suất và tạo điều kiện an toàn.
Công nghiệp nhiệt điện: Helium được sử dụng trong các máy phát điện nhiệt điện như chất làm mát. Tính chất truyền nhiệt cao của Helium giúp tản nhiệt hiệu quả, duy trì hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống nhiệt điện.
Dùng trong công nghệ viễn thông: Trong công nghệ viễn thông, Helium được sử dụng trong quá trình làm khô cáp quang. Khí Helium không tương tác hóa học với các vật liệu và không gây hư hỏng cho cáp quang, giúp duy trì chất lượng truyền thông.
Y học và chẩn đoán hình ảnh: Trong lĩnh vực y học, Helium được sử dụng trong máy hình ảnh như máy CT và máy MRI để tạo ra hình ảnh chính xác và chi tiết của cơ thể. Nó cũng được sử dụng trong các quy trình thở hỗ trợ và xét nghiệm chức năng phổi.
Nghiên cứu khoa học: Khí Helium được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để làm lạnh các thiết bị như nam châm siêu dẫn và các máy phân tích phổ.
Giải trí và lễ hội: Helium được sử dụng để làm bay các bóng bay và tạo ra tiếng nổ nhỏ trong các bữa tiệc và sự

Khí Helium (He) không phải là chất độc và không gây hại cho sức khỏe khi được hít thở trong điều kiện bình thường. Trên thực tế, khí Helium là một loại khí rất an toàn và không gây kích thích cho hệ thần kinh hoặc hệ hô hấp.

Khí Helium có độc không? Nó ảnh hưởng đến sức khỏe như thế nào?

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng Helium có thể gây nguy hiểm nếu được hít thở trong môi trường không an toàn hoặc hít một lượng lớn. Một ví dụ là hít thở khí Helium trong không gian không có đủ oxygen có thể gây nguy hiểm do gây thiếu oxygen trong cơ thể, dẫn đến nguy cơ ngất xỉu hoặc thậm chí tử vong.

Ngoài ra, sự lạm dụng hoặc sử dụng không đúng cách các dạng hỗn hợp Helium có thể gây nguy hiểm. Ví dụ, khi hít thở Helium từ bình chứa không được thiết kế đúng cách, nếu nồng độ Helium quá cao, có thể gây tình trạng oxi hóa trong cơ thể và gây nguy hiểm cho sức khỏe.

Do đó, để đảm bảo an toàn, cần tuân thủ các quy tắc sử dụng và lưu trữ Helium đúng cách và không sử dụng Helium trong môi trường không thoáng khí hoặc không đủ oxy. Nếu có bất kỳ dấu hiệu khó thở, hoặc các triệu chứng không bình thường sau khi tiếp xúc với Helium, nên tham khảo ý kiến bác sĩ hoặc chuyên gia y tế để kiểm tra và tư vấn thích hợp.

Tóm lại, khí Helium là một khí trơ nên nó không có phản ứng hóa học. Khí Helium được đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống sản xuất. Khí Helium sẽ gây độc khi bạn hít quá nhiều hoặc hít trong điều kiện thiếu oxygen. Hy vọng với những thông tin và kiến thức bổ ích được Admin cung cấp trong bài sẽ giúp các em hiểu rõ về khí Helium (He). Theo dõi Admin để đóng đọc nhiều bài viết về các nguyên tố hóa học khác trong bảng tuần hoàn hóa học nhé! Đừng quên, tham gia FQA để đặt câu hỏi và giải đáp bài tập hóa trực tuyến, tận dụng kho giải bài tập SGK, cẩm nang học tập và đề ôn tập để học hóa tốt hơn. Chúc các em luôn đạt kết quả học tập cao hơn với môn hóa.