He
Heli
| Khối lượng mol: | 4.0026 g/mol |
| Phân tử khối: | 4.0026 |
| Số CAS: | 7440-59-7 |
| Trạng thái: | Khí đơn nguyên tử ở điều kiện tiêu chuẩn. Là chất duy nhất không hóa rắn dưới áp suất khí quyển thường ngay cả ở độ không tuyệt đối (0 K). |
| Màu sắc: | Không màu. Khi bị kích thích trong ống phóng điện chân không, Heli phát ra ánh sáng màu vàng-nhạt hoặc cam-hồng rực rỡ. |
| Tính tan: | Rất ít tan trong nước (khoảng 8.61 mL/L ở 20°C, tương đương 1.5 mg/L), là chất khí ít tan trong nước nhất do tính phân cực cực kỳ kém và kích thước nguyên tử siêu nhỏ. |
| Độ tan: | 1.5 mg/L ở 20°C |
| Độ pH: | Không có (Không phân ly trong nước) |
| Oxi hóa - Khử: | Không có tính oxy hóa và không có tính khử. Heli có lớp vỏ electron 1s² bão hòa bền vững tuyệt đối, số oxy hóa duy nhất là 0, không có xu hướng nhường hay nhận electron trong các điều kiện thông thường. |
| Nhiệt độ sôi: | -268.93 °C |
| Nhiệt nóng chảy: | -272.2 °C (ở áp suất 2.5 MPa) |
| Tỷ trọng: | 0.1786 g/L (ở 0°C, 1 atm) |
Máy tính nhanh
* Tự động tính dựa trên 4.0026 g/mol
Bản chất vi mô
Cấu hình e: 1s². Vị trí: Ô số 2, Chu kỳ 1, Nhóm VIIIA.
Bẫy thi cử (Cần nhớ)
Bẫy cấu hình electron: Học sinh thường nhầm lẫn nguyên tố có cấu hình electron ngoài cùng là s² thuộc nhóm IIA (kim loại kiềm thổ). Cần nhớ He (1s²) là một ngoại lệ tuyệt đối, thuộc nhóm VIIIA (khí hiếm).
Bẫy tính chất hóa học: Đề thi hay hỏi 'Chất nào tác dụng được với F₂ ở nhiệt độ thường?'. Học sinh dễ chọn Heli vì nghĩ Flo phản ứng được với tất cả mọi thứ. Thực tế, He trơ hoàn toàn ngay cả với Flo.
Đặc tính & Ứng dụng
- Khí khinh khí cầu và bóng bay: Do có khối lượng riêng nhẹ hơn không khí nhiều lần (chỉ nặng hơn Hydro) và hoàn toàn không cháy nổ, cực kỳ an toàn.
- Làm mát nam cực siêu dẫn trong máy cộng hưởng từ (MRI): Heli lỏng có nhiệt độ sôi cực thấp (4.22 K) là chất làm lạnh tối ưu nhất để duy trì tính siêu dẫn của nam châm.
- Khí bảo vệ trong công nghệ hàn: Tạo môi trường trơ ngăn cản sự oxy hóa kim loại ở nhiệt độ cao trong hàn TIG/MIG.
- Hỗn hợp khí thở cho thợ lặn sâu (Heliox): Thay thế Nitơ để ngăn ngừa hội chứng say nitơ và giảm lực cản đường thở khi lặn ở áp suất cao.
Phương pháp điều chế
1. Trong phòng thí nghiệm (PTN):
Heli hầu như không được điều chế trong phòng thí nghiệm vì chi phí quá cao và độ phức tạp lớn. Người ta thường mua trực tiếp dưới dạng bình khí nén thương mại. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, Heli có thể được thu thập từ sự phân rã alpha của các chất phóng xạ như Urani hoặc Radi trong bình kín:
²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He (hạt α)
2. Trong công nghiệp:
Heli được khai thác chủ yếu bằng phương pháp chưng cất phân đoạn ở nhiệt độ cực thấp từ khí thiên nhiên (chứa từ 0.5% đến 7% Heli). Quy trình bao gồm việc loại bỏ nước, CO₂, H₂S, sau đó hóa lỏng tất cả các thành phần hydrocacbon và nitơ ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, để lại khí Heli thô có độ tinh khiết khoảng 90%. Sau đó, khí này được làm sạch bằng than hoạt tính ở nhiệt độ thấp để đạt độ tinh khiết 99.999%.
Tính chất Hóa học
Tác dụng với:
Heli trơ hoàn toàn về mặt hóa học và không phản ứng với bất kỳ chất nào ở điều kiện thường. Dưới áp suất cực kỳ cao (trên 113 GPa), Heli có thể tạo hợp chất kẽ mạng tinh thể với Natri là Na₂He:
- 2Na + He → Na₂He (Điều kiện: p > 113 GPa, nhiệt độ cao)
Không phản ứng:
Tuyệt đối không phản ứng với tất cả các axit (HCl, HNO₃, H₂SO₄ đặc nóng, nước cường toan), các chất oxy hóa mạnh (F₂, Cl₂, O₂), kim loại kiềm, và phi kim ở điều kiện thường và nhiệt độ cao thông thường.
Chuỗi chuyển hóa
Vì Heli là khí hiếm trơ hoàn toàn ở điều kiện thường, không tham gia vào chuỗi phản ứng hóa học thông thường. Tuy nhiên, dưới điều kiện áp suất cực cao trong vũ trụ, nó có thể tạo ra các ion kích thích tạm thời: He → He⁺ + e⁻ (ion hóa) <br> He⁺ + He → He₂⁺ (dimer ion) <br> He + H⁺ → HeH⁺ (ion hydroheli, axit mạnh nhất vũ trụ).
Hiện tượng thực tế
Hít khí Heli làm thay đổi giọng nói: Khi hít một lượng nhỏ khí Heli từ bóng bay, giọng nói của bạn sẽ trở nên cao vút và thanh lảnh như nhân vật hoạt hình. Hiện tượng này xảy ra do tốc độ truyền âm thanh trong môi trường khí Heli nhanh hơn gấp 3 lần so với trong không khí thông thường, làm thay đổi tần số cộng hưởng của thanh quản.
Nhận biết & Thuốc thử
Thuốc thử sử dụng
Phương pháp phổ vạch phát xạ cực nhạy.
Hiện tượng quan sát
Khi phóng điện qua ống chứa Heli ở áp suất thấp, xuất hiện ánh sáng màu vàng đặc trưng có bước sóng vạch phổ chính xác là 587.49 nm.
Bài tập vận dụng
Đề bài: Một khinh khí cầu có thể tích V = 1000 m³ chứa đầy khí Heli ở điều kiện tiêu chuẩn (t° = 0°C, p = 1 atm). Biết khối lượng vỏ khinh khí cầu và trang thiết bị là 200 kg. Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện này là 1.29 kg/m³. Tính lực nâng ròng của khinh khí cầu và cho biết khinh khí cầu có thể mang thêm tải trọng tối đa là bao nhiêu kg?
Giải chi tiết:
1. Tính khối lượng của khí Heli trong khinh khí cầu:
Khối lượng riêng của Heli ở đktc: D_He = M/22.4 = 4 / 22.4 ≈ 0.179 kg/m³.
Khối lượng Heli: m_He = D_He * V = 0.179 * 1000 = 179 kg.
2. Tính tổng khối lượng của khinh khí cầu khi chứa khí:
m_tong = m_vo + m_He = 200 + 179 = 379 kg.
3. Tính lực đẩy Ác-si-mét của không khí tác dụng lên khinh khí cầu:
F_A = D_kk * V = 1.29 * 1000 = 1290 kg (tương đương trọng lượng của 1290 kg không khí bị chiếm chỗ).
4. Lực nâng ròng (Sức nâng tối đa):
F_nang = F_A - m_tong = 1290 - 379 = 911 kg.
Vậy khinh khí cầu có thể mang thêm tải trọng tối đa là 911 kg.
Cảnh báo & An toàn
Nguy hiểm: Là khí trơ, không độc, không cháy nổ và không ăn mòn. Tuy nhiên, tích tụ nồng độ cao trong không gian kín gây nguy cơ ngạt thở do chiếm chỗ của Oxy. Heli lỏng tiếp xúc trực tiếp gây bỏng lạnh cực kỳ nghiêm trọng.
Độc tính: Heli là khí không độc hại sinh học. Tuy nhiên, nếu hít phải khí Heli nguyên chất liên tục sẽ dẫn đến tình trạng thiếu oxy mô (Anoxia), gây chóng mặt, mất ý thức và tử vong do ngạt thở mà không có dấu hiệu cảnh báo trước (do cơ thể không có cơ chế phát hiện thiếu oxy mà chỉ phát hiện dư thừa CO₂). Sơ cứu: Di chuyển nạn nhân ra nơi thông thoáng, thở oxy hoặc hô hấp nhân tạo nếu cần thiết.
Thu Thủy
Cử nhân Hóa học Đại học Khoa học Tự nhiên. Có 5 năm kinh nghiệm giảng dạy và số hóa tài liệu giáo dục môn Hóa học.