Helium: thuộc tính, đặc điểm, ứng dụng

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 17:58

Heli là khí trơ thuộc nhóm thứ 18 của bảng tuần hoàn. Nó là nguyên tố nhẹ thứ hai sau hydro. Heli là một chất khí không màu, không mùi và không vị, trở thành chất lỏng ở -268,9 ° C. Điểm sôi và điểm đóng băng của nó thấp hơn so với bất kỳ chất nào khác đã biết. Nó là nguyên tố duy nhất không đông đặc khi làm lạnh ở áp suất khí quyển bình thường. Cần 25 atm ở 1 K để helium đông đặc lại.

Lịch sử khám phá

Helium được nhà thiên văn học người Pháp Pierre Jansen phát hiện ra trong khí quyển bao quanh Mặt trời, người vào năm 1868 trong một lần nguyệt thực đã phát hiện ra một vạch sáng màu vàng trong quang phổ của sắc quyển mặt trời. Đường này ban đầu được cho là đại diện cho nguyên tố natri. Cùng năm đó, nhà thiên văn học người Anh Joseph Norman Lockyer đã quan sát thấy một vạch màu vàng trong quang phổ mặt trời không tương ứng với các vạch natri đã biết D₁và D₂, và vì vậy anh ấy đặt tên cho dòng của cô ấy là D_{3. Lockyer kết luận rằng nó được gây ra bởi một chất trong Mặt trời chưa được biết đến trên Trái đất. Ông và nhà hóa học Edward Frankland đã sử dụng tên của nguyên tốtên Hy Lạp của Mặt trời là Helios.}

Năm 1895, nhà hóa học người Anh, Ngài William Ramsay đã chứng minh sự tồn tại của heli trên Trái đất. Ông thu được một mẫu khoáng vật cleveite chứa uranium, và sau khi kiểm tra các chất khí tạo thành khi nó bị nung nóng, ông nhận thấy rằng vạch màu vàng sáng trong quang phổ trùng với vạch D_{3quan sát được trong quang phổ của Mặt trời. Vì vậy, phần tử mới cuối cùng đã được cài đặt. Năm 1903, Ramsay và Frederick Soddu xác định rằng heli là sản phẩm phân rã tự phát của các chất phóng xạ.}

Lan tỏa trong tự nhiên

Khối lượng của heli bằng khoảng 23% toàn bộ khối lượng của vũ trụ, và nguyên tố này có nhiều thứ hai trong không gian. Nó tập trung ở các ngôi sao, nơi nó được hình thành từ hydro do phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Mặc dù heli được tìm thấy trong khí quyển trái đất với nồng độ 1 phần nghìn (5 ppm) và được tìm thấy với một lượng nhỏ trong khoáng chất phóng xạ, sắt thiên thạch và suối khoáng, nhưng một lượng lớn nguyên tố này được tìm thấy ở Hoa Kỳ (đặc biệt là ở Texas, New York), Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona và Utah) như một thành phần (lên đến 7,6%) của khí tự nhiên. Trữ lượng nhỏ đã được tìm thấy ở Úc, Algeria, Ba Lan, Qatar và Nga. Trong vỏ trái đất, nồng độ của heli chỉ khoảng 8 ppb.

Đồng vị

Hạt nhân của mỗi nguyên tử heli chứa hai proton, nhưng giống như các nguyên tố khác, nó có các đồng vị. Chúng chứa một đến sáu neutron, vì vậy số khối của chúng nằm trong khoảng từ ba đến tám. Những nguyên tố bền là những nguyên tố có khối lượng heli được xác định bởi số nguyên tử 3 (³He) và 4 (⁴He). Tất cả phần còn lại đều là chất phóng xạ và phân rã rất nhanh thành các chất khác. Heli trên cạn không phải là thành phần ban đầu của hành tinh, nó được hình thành do kết quả của quá trình phân rã phóng xạ. Hạt anpha do hạt nhân của chất phóng xạ nặng phóng ra là hạt nhân của đồng vị⁴He. Helium không tích tụ với số lượng lớn trong khí quyển vì lực hấp dẫn của Trái đất không đủ mạnh để ngăn nó dần dần thoát ra ngoài không gian. Dấu vết của³Anh ấy trên Trái đất được giải thích là do sự phân rã beta âm của nguyên tố hiếm hydro-3 (tritium).⁴He là đồng vị dồi dào nhất trong số các đồng vị bền: tỷ lệ của nguyên tử⁴He với^{3He là khoảng 700 nghìn đến 1 trong khí quyển và khoảng 7 triệu đến 1 trong một số khoáng chất chứa heli.}

Tính chất vật lý của heli

Điểm sôi và điểm nóng chảy của nguyên tố này là thấp nhất. Vì lý do này, heli tồn tại dưới dạng khí, ngoại trừ những điều kiện khắc nghiệt. Khí He tan trong nước ít hơn bất kỳ chất khí nào khác và tốc độ khuếch tán qua chất rắn gấp ba lần tốc độ khuếch tán trong không khí. Chiết suất của nó gần nhất với 1.

Khả năng dẫn nhiệt của heli chỉ đứng sau hydro và nhiệt dung riêng của nó cao một cách bất thường. Ở nhiệt độ bình thường, nó nóng lên trong quá trình giãn nở, và nguội đi dưới 40 K. Do đó, ở T<40 K, heli có thể được chuyển đổi thànhchất lỏng bằng cách mở rộng.

Một phần tử là chất điện môi nếu nó không ở trạng thái ion hóa. Giống như các khí quý khác, heli có mức năng lượng siêu bền cho phép nó vẫn bị ion hóa trong phóng điện khi điện áp vẫn ở dưới thế ion hóa.

Helium-4 đặc biệt ở chỗ nó có hai dạng lỏng. Chất thông thường được gọi là heli I và tồn tại ở nhiệt độ khác nhau, từ điểm sôi 4,21 K (-268,9 ° C) đến khoảng 2,18 K (-271 ° C). Dưới 2,18 K, độ dẫn nhiệt của4He trở nên gấp 1000 lần độ dẫn nhiệt của đồng. Dạng này được gọi là helium II để phân biệt với dạng bình thường. Nó là chất siêu lỏng: độ nhớt thấp đến mức không thể đo được. Helium II lan truyền thành một lớp màng mỏng trên bề mặt của bất cứ thứ gì nó chạm vào và lớp màng này chảy mà không có ma sát ngay cả khi chống lại trọng lực.

Heli-3 ít phong phú hơn tạo thành ba pha lỏng riêng biệt, hai trong số đó là siêu lỏng. Siêu lỏng trong⁴Ông được phát hiện bởi nhà vật lý Liên Xô Pyotr Leonidovich Kapitsa vào giữa những năm 1930, và hiện tượng tương tự trong^{3Ông lần đầu tiên được chú ý đến bởi Douglas D Osherov, David M. Lee, và Robert S. Richardson của Hoa Kỳ năm 1972.}

Một hỗn hợp lỏng gồm hai đồng vị của heli-3 và -4 ở nhiệt độ dưới 0,8 K (-272,4 ° C) được chia thành hai lớp - gần như tinh khiết³He và hỗn hợp của⁴He với 6% heli-3. Sự hòa tan của³He thành^{4He đi kèm với hiệu ứng làm mát, được sử dụng trong thiết kế tủ lạnh, trong đó nhiệt độ heli giảm xuốngdưới 0,01 K (-273,14 ° C) và duy trì ở đó trong vài ngày.}

Kết nối

Ở điều kiện bình thường, heli rất trơ về mặt hóa học. Trong điều kiện khắc nghiệt, bạn có thể tạo ra các kết nối phần tử không ổn định ở nhiệt độ và áp suất bình thường. Ví dụ, heli có thể tạo hợp chất với iốt, vonfram, flo, phốt pho và lưu huỳnh khi bị phóng điện phát sáng khi bị bắn phá bằng các electron hoặc ở trạng thái plasma. Do đó, các ion phân tử HeNe, HgHe₁₀, WHe₂và He₂ được tạo ra +^{, Không phải}2++^{, HeH}+^{và HeD+}. Kỹ thuật này cũng giúp thu được các phân tử trung tính He²và HgHe.

Plasma

Trong Vũ trụ, heli bị ion hóa được phân bố chủ yếu, các đặc tính của nó khác biệt đáng kể so với phân tử. Các electron và proton của nó không bị liên kết, và nó có độ dẫn điện rất cao ngay cả khi ở trạng thái ion hóa một phần. Hạt mang điện chịu tác dụng mạnh của từ trường và điện trường. Ví dụ, trong gió Mặt trời, các ion heli cùng với hydro bị ion hóa, tương tác với từ quyển của Trái đất, gây ra cực quang.

Khám phá Hoa Kỳ

Sau khi khoan giếng vào năm 1903, người ta đã thu được khí không cháy ở Dexter, Kansas. Ban đầu, người ta không biết rằng nó có chứa heli. Khí nào được tìm thấy đã được xác định bởi nhà địa chất tiểu bang Erasmus Haworth, ngườiđã thu thập các mẫu của nó và tại Đại học Kansas với sự giúp đỡ của các nhà hóa học Cady Hamilton và David McFarland đã phát hiện ra rằng nó chứa 72% nitơ, 15% mêtan, 1% hydro và 12% chưa được xác định. Sau khi phân tích sâu hơn, các nhà khoa học phát hiện ra rằng 1,84% mẫu là heli. Vì vậy, họ biết được rằng nguyên tố hóa học này hiện diện với số lượng rất lớn trong ruột của Great Plains, từ đó nó có thể được chiết xuất từ khí tự nhiên.

Sản xuất công nghiệp

Điều này đã đưa Hoa Kỳ trở thành nước dẫn đầu thế giới về sản xuất khí heli. Theo gợi ý của Ngài Richard Threlfall, Hải quân Hoa Kỳ đã tài trợ cho ba nhà máy thí nghiệm nhỏ để sản xuất chất này trong Thế chiến thứ nhất nhằm cung cấp cho các quả bóng bay loại khí nâng nhẹ, không cháy. Chương trình đã tạo ra tổng cộng 5.700 m392% He, mặc dù trước đó ít hơn 100 lít khí đã được sản xuất. Một phần khối lượng này đã được sử dụng trong khí cầu helium đầu tiên trên thế giới, chiếc C-7 của Hải quân Hoa Kỳ, thực hiện chuyến đi đầu tiên từ Hampton Roads, Virginia đến Bolling Field, Washington, DC vào ngày 7 tháng 12 năm 1921.

Mặc dù vào thời điểm đó, quá trình hóa lỏng khí ở nhiệt độ thấp chưa đủ tiên tiến để trở nên quan trọng trong Thế chiến thứ nhất, nhưng việc sản xuất vẫn tiếp tục. Heli chủ yếu được sử dụng làm khí nâng trong máy bay. Nhu cầu về nó đã tăng lên trong Thế chiến thứ hai, khi nó được sử dụng trong hàn hồ quang được che chắn. Nguyên tố này cũng rất quan trọng trong dự án bom nguyên tử. Manhattan.

Chứng khoán Quốc gia Hoa Kỳ

Năm 1925, chính phủ Hoa Kỳ thành lập Khu Dự trữ Helium Quốc gia tại Amarillo, Texas, với mục đích cung cấp khí cầu quân sự trong thời chiến và khí cầu thương mại trong thời bình. Việc sử dụng khí đốt đã giảm sau Chiến tranh thế giới thứ hai, nhưng nguồn cung cấp đã tăng lên trong những năm 1950 để cung cấp, trong số những thứ khác, nguồn cung cấp của nó như một chất làm mát được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu tên lửa oxyhydrogen trong cuộc chạy đua không gian và Chiến tranh Lạnh. Mức sử dụng heli của Hoa Kỳ vào năm 1965 đã gấp tám lần mức tiêu thụ đỉnh cao trong thời chiến.

Theo Đạo luật Helium năm 1960, Cục Mỏ đã ký hợp đồng với 5 công ty tư nhân để chiết xuất nguyên tố này từ khí tự nhiên. Đối với chương trình này, một đường ống dẫn khí đốt dài 425 km đã được xây dựng nối các nhà máy này với một mỏ khí đốt của chính phủ đã cạn kiệt một phần gần Amarillo, Texas. Hỗn hợp heli-nitơ được bơm vào một cơ sở lưu trữ dưới lòng đất và ở đó cho đến khi cần thiết.

Đến năm 1995, một tỷ m3 dự trữ đã được thu gom và Cục Dự trữ Quốc gia nợ 1,4 tỷ USD, khiến Quốc hội Hoa Kỳ phải loại bỏ quỹ này vào năm 1996. Sau khi luật tư nhân hóa heli được thông qua vào năm 1996, Bộ Tài nguyên bắt đầu thanh lý cơ sở lưu trữ vào năm 2005.

Độ tinh khiết và số lượng sản xuất

Heli được sản xuất trước năm 1945 có độ tinh khiết khoảng 98%, phần còn lại là 2%chiếm nitơ, đủ cho khí cầu. Năm 1945, một lượng nhỏ khí 99,9% được sản xuất để sử dụng trong hàn hồ quang. Đến năm 1949, độ tinh khiết của nguyên tố thu được đã đạt tới 99,995%.

Trong nhiều năm, Hoa Kỳ sản xuất hơn 90% khí Heli thương mại trên thế giới. Kể từ năm 2004, nó đã sản xuất 140 triệu m 3hàng năm, 85% trong số đó đến từ Hoa Kỳ, 10% từ Algeria, và phần còn lại từ Nga và Ba Lan. Các nguồn helium chính trên thế giới là các mỏ khí đốt ở Texas, Oklahoma và Kansas.

Nhận quy trình

Heli (độ tinh khiết 98,2%) được chiết xuất từ khí thiên nhiên bằng cách hóa lỏng các thành phần khác ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Sự hấp phụ các khí khác bằng than hoạt tính được làm lạnh đạt độ tinh khiết 99,995%. Một lượng nhỏ heli được sản xuất bằng cách hóa lỏng không khí trên quy mô lớn. Khoảng 3,17 mét khối có thể thu được từ 900 tấn không khí. m khí.

Khu vực ứng dụng

Khí quý đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Heli, có đặc tính giúp có thể đạt được nhiệt độ cực thấp, được sử dụng làm chất làm mát trong Máy va chạm Hadron Lớn, nam châm siêu dẫn trong máy MRI và máy đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân, thiết bị vệ tinh và cũng để hóa lỏng oxy và hydro trong tên lửa Apollo.
Là khí trơ để hàn nhôm và các kim loại khác, trong sản xuất sợi quang và chất bán dẫn.
Để tạoáp suất trong các thùng nhiên liệu của động cơ tên lửa, đặc biệt là những động cơ chạy bằng hydro lỏng, vì chỉ khí helium mới giữ được trạng thái kết tụ khi hydro vẫn ở thể lỏng);
Laser khí He-Ne được sử dụng để quét mã vạch khi thanh toán trong siêu thị.
Kính hiển vi Ion Heli tạo ra hình ảnh tốt hơn kính hiển vi điện tử.
Vì tính thẩm thấu cao, khí quý được sử dụng để kiểm tra rò rỉ, chẳng hạn như hệ thống điều hòa không khí của ô tô và để nhanh chóng làm phồng túi khí trong một vụ tai nạn.
Mật độ thấp cho phép bạn lấp đầy bóng bay trang trí bằng khí heli. Khí trơ đã thay thế hydro gây nổ trong khí cầu và khí cầu. Ví dụ, trong khí tượng học, khí cầu heli được sử dụng để nâng các dụng cụ đo lường.
Trong công nghệ đông lạnh, nó hoạt động như một chất làm mát, vì nhiệt độ của nguyên tố hóa học này ở trạng thái lỏng là thấp nhất có thể.
Heli, với đặc tính cung cấp khả năng phản ứng thấp và khả năng hòa tan trong nước (và máu), trộn với oxy, đã được ứng dụng trong chế phẩm thở để lặn với bình dưỡng khí và công việc caisson.
Thiên thạch và đá được phân tích nguyên tố này để xác định tuổi của chúng.