Heli là nguyên tố hóa học có ký hiệu He và số nguyên tử 2.[1][2] Trong bảng tuần hoàn, heli thuộc nhóm 18 bao gồm các nguyên tố được gọi chung là khí hiếm hay khí trơ.[3] 'Trơ' ý nói nguyên tố kém hoạt động:[3] nguyên tử của nó rất ổn định với vỏ electron hoàn thiện nên rất khó tạo thành hợp chất.[4] Thực tế là chưa từng có một hợp chất hóa học nào của heli được tạo ra.[5] Heli có thể bị ion hóa thành các ion He+ và He2+ nhưng nguyên tử heli không liên kết với nguyên tử heli hay bất kỳ nguyên tố nào khác.[6] Bởi vậy, không có gì để nói về tính chất hóa học của heli và mọi nghiên cứu về nó đều liên quan đến tính chất vật lý.[2]
Heli là khí không màu, không mùi sở hữu những đặc điểm thú vị.[4] Một ví dụ là nó có điểm sôi thấp nhất trong mọi nguyên tố: −268,93 °C, tức nó chuyển từ lỏng sang khí ở gần không độ tuyệt đối.[1][7] Điểm nóng chảy/đông đặc của heli là −272,2 °C;[1] đây là khí duy nhất không thể hóa rắn chỉ bằng việc hạ nhiệt độ mà đòi hỏi còn phải tăng áp suất.[8] Tại nhiệt độ khoảng −271 °C (điểm Lambda), heli biến đổi bất thường: nó vẫn là lỏng nhưng có thêm những đặc tính lạ, một trong số đó là siêu lỏng.[8] Vì hai dạng heli lỏng quá khác biệt nên chúng được đặt tên riêng: trên −271 °C là heli I và dưới −271 °C là heli II.[8]
Cấu hình electron của heli là 1s2, hạt nhân của nó có hai proton và ít nhất một neutron.[6] Nguyên tử heli đối xứng hoàn hảo và nhỏ hơn mọi nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn.[9] So với nguyên tử đơn giản nhất là hydro chỉ có một proton và một electron; nguyên tử heli với hai proton, hai neutron và hai electron còn có đường kính bé hơn.[9] Heli tồn tại tự nhiên là hai đồng vị bền heli 3 và heli 4 với heli 4 chiếm khoảng 99,9999%;[1][10] ngoài ra heli còn có sáu đồng vị phóng xạ.[11] Heli 3 là sản phẩm phân rã phóng xạ của triti, còn heli 4 là sản phẩm trong chuỗi phân rã của urani và thori.[1]
Heli là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ sau hydro nhưng không dễ để tìm thấy nó trên Trái Đất.[12] Trong khí quyển Trái Đất, tỷ phần heli chỉ vào khoảng 0,0005%.[1] Lượng nhỏ heli này không bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn và liên tục thoát vào không gian.[1] Nguồn gốc của heli trong khí quyển là từ vỏ Trái Đất; ở đó, các hạt alpha sinh ra từ chuỗi phân rã urani−thori bắt giữ hai electron để trở thành nguyên tử heli.[13] Heli được tạo ra tìm đường len qua các kẽ nứt trong vỏ để đi vào khí quyển.[13] Các bể khí tự nhiên trong lòng đất là nguồn heli chính để khai thác; ngoài ra heli còn có thể được thu thập bằng hóa lỏng không khí nhưng cách này quá tốn kém.[14][15]
Heli là nguyên tố nhẹ thứ hai sau hydro và nhẹ hơn không khí, bởi vậy nó được dùng trong các loại bóng bay hay khí cầu.[16][17] Trong hàn kim loại, khí heli với tính trơ được đưa vào mối hàn để ngăn kim loại phản ứng với nguyên tố khác ở nhiệt độ cao (ví dụ oxy tạo thành oxide) làm giảm chất lượng mối hàn.[18][19] Khí heli còn có ứng dụng trong các hệ thống lọc và điều áp, hoặc để phát hiện lỗ rò trong đường ống.[19] Heli lỏng là vật liệu làm lạnh quan trọng và được dùng trong các thiết bị siêu dẫn.[1][19] Ứng dụng lớn nhất của heli là tạo môi trường siêu dẫn và khoảng 40% tổng lượng heli tiêu thụ là cho mục đích này.[20] Việc tiếp xúc với heli không gây hại cho sức khỏe.[21]
Con người phát hiện ra heli từ Mặt Trời trước khi biết đến sự tồn tại của nó trên Trái Đất nhờ một thiết bị là quang phổ kế đơn giản.[22] Trong lúc nghiên cứu nhật thực toàn phần vào năm 1868, nhà thiên văn học người Pháp Pierre Janssen đã để ý đến một vạch vàng trong quang phổ Mặt Trời.[1] Norman Lockyer, nhà thiên văn học người Anh, nhận thấy vạch này không thể được tạo ra bởi bất kỳ nguyên tố nào đã biết khi ấy.[1] Giả thuyết được đưa ra là nó bắt nguồn từ một nguyên tố mới trên Mặt Trời.[23] Lockyer đặt tên nguyên tố là helium, theo tên thần mặt trời Hy Lạp helios.[24] Tiếp đó là công cuộc tìm kiếm heli trên Trái Đất và đến năm 1895 nhà hóa học người Scotland William Ramsay đã tìm ra heli trong một khoáng vật chứa urani gọi là cleveite.[25] Cùng thời gian hai nhà hóa học Thụy Điển Abraham Langlet và Per Teodor Cleve cũng độc lập làm điều tương tự.[25] Sang đầu thế kỷ 20 Ernest Rutherford chỉ ra hạt alpha sinh ra từ phân rã urani hay thori chính là hạt nhân nguyên tử heli, lý giải việc nguyên tố này lần đầu được phát hiện trên Trái Đất từ quặng urani.[26]
Tham khảo
- ↑ a b c d e f g h i j "Helium", PubChem, National Center for Biotechnology Information, 2023, truy cập ngày 7 tháng 9 năm 2023
- ↑ a b Halka & Nordstrom 2010, tr. 65.
- ↑ a b Newton 2010, tr. 239.
- ↑ a b "Bo" Sears 2015, tr. 1.
- ↑ Halka & Nordstrom 2010, tr. 64.
- ↑ a b Halka & Nordstrom 2010, tr. 64−65.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 8.
- ↑ a b c Newton 2010, tr. 242.
- ↑ a b "Bo" Sears 2015, tr. 9.
- ↑ Halka & Nordstrom 2010, tr. 65, 70.
- ↑ Newton 2010, tr. 243.
- ↑ Halka & Nordstrom 2010, tr. 67−68.
- ↑ a b "Bo" Sears 2015, tr. 71.
- ↑ Halka & Nordstrom 2010, tr. 71.
- ↑ Newton 2010, tr. 244.
- ↑ Halka & Nordstrom 2010, tr. 75.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 2.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 5.
- ↑ a b c Newton 2010, tr. 245.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 12.
- ↑ Newton 2010, tr. 246.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 31.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 47.
- ↑ "Bo" Sears 2015, tr. 48.
- ↑ a b Newton 2010, tr. 241.
- ↑ Newton 2010, tr. 241−242.
Sách
- Newton, David E. (2010), Chemical Elements (lxb. 2), Gale, ISBN 978-1-4144-7608-7
- Halka, Monica; Nordstrom, Brian (2010), Halogens and Noble Gases, Facts on File, ISBN 978-0-8160-7368-9
- "Bo" Sears, Wheeler M. (2015), Helium: The Disappearing Element, Springer Cham, ISBN 978-3-319-15122-9
