2 nguyên tố nhẹ nhất
I.Những điều cần biết về nguyên tố hydrogen
· Số nguyên tử: 1
· Trọng lượng nguyên tử: 1,00794
· Kí hiệu nguyên tử: H
· Điểm nóng chảy: - 259,34 oC
· Điểm sôi: - 252,87 oC
· Nguồn gốc tên gọi: Từ hydrogen có xuất xứ từ tiếng Hi Lạp hydro (nước) và genes (tạo ra).
· Khám phá: Hydrogen được ghi nhận là một chất riêng vào năm 1776 bởi Henry Cavendish.
Nguyên tử hydrogen có một proton và một electron
1/Tính chất của hydrogen
Hydrogen là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ. Những nguyên tố nặng hơn ban đầu được tạo ra từ các nguyên tử hydrogen và hoặc từ những nguyên tố khác ban đầu được tạo ra từ các nguyên tử hydrogen.
Ước tính hydrogen chiếm hơn 90% tổng số nguyên tử - tương đương ba phần tư khối lượng của vũ trụ. Nguyên tố này giữ một phần vai trò quan trọng trong việc cấp nguồn cho vũ trụ qua phản ứng proton-proton và chu trình carbon-nitrogen. Quá trình nhiệt hạch hydrogen trong các sao làm giải phóng những lượng năng lượng khổng lồ bằng cách kết hợp hydrogen thành helium.
Hydrogen là thành phần cấu tạo chủ yếu của Mộc tinh và những hành tinh khí khổng lồ khác trong hệ mặt trời. Ở một độ sâu nhất định bên trong lõi của hành tinh khí, áp suất lớn đến mức hydrogen phân tử rắn bị biến đổi thành hydrogen kim loại rắn.
Mặc dù hydrogen tinh khiết là một chất khí, nhưng có rất ít hydrogen trong khí quyển Trái đất. Chất khí hydrogen quá nhẹ nên chưa kịp kết hợp đã thu đủ vận tốc từ sự va chạm với những chất khí khác và chúng sẽ nhanh chóng bị phóng thích ra khỏi khí quyển.
Trên Trái đất, hydrogen xuất hiện chủ yếu ở dạng hợp chất với oxygen trong nước, nhưng nó còn có mặt trong vật chất hữu cơ ví dụ như thực vật sống, dầu mỏ và than đá. Nó có mặt dưới dạng nguyên tố tự do trong khí quyển, nhưng chiếm chưa tới một phần triệu tính theo thể tích. Nhẹ nhất trong các chất khí, hydrogen kết hợp với những nguyên tố khác – thỉnh thoảng gây nổ - để tạo ra các hợp chất.
2/Công dụng của hydrogen
Khoảng 85 triệu mét khối hydrogen được sản xuất mỗi năm ở nước Mĩ. Hydrogen được sản xuất bằng cách:
- Bay hơi trên carbon nóng
- Dùng nhiệt phân li những hydrocarbon nhất định
- Phản ứng của sodium hoặc potassium hydroxide trên nhôm
- Điện phân nước
- Cho những kim loại nhất định phản ứng với acid
Thị trường thương mại cần những lượng lớn hydrogen để sản xuất phân bón và hydro hóa các chất béo và dầu. Những lượng lớn hydrogen được sử dụng trong sản xuất methanol và trong lọc dầu. Những công dụng khác bao gồm nhiên liệu tên lửa, hàn, sản xuất acid hydrochloric, tuyển quặng kim loại và bơm khinh khí cầu.
Hydrogen lỏng có tầm quan trọng trong ngành nhiệt lạnh và nghiên cứu sự siêu dẫn, vì điểm nóng chảy của nó chỉ là 20 độ trên không độ tuyệt đối.
Pin nhiên liệu hydrogen là một công nghệ đang được phát triển sẽ cho phép thu được những lượng lớn điện năng, sử dụng một nguồn khí hydrogen.
Sơ đồ pin nhiên liệu và các bình hydrogen trong xe Chevy Equinox. Ảnh: General Motors.
3/ Các đồng vị của hydrogen
Đồng vị bình thường của hydrogen được gọi là protium. Hydrogen có hai đồng vị khác nữa: deuterium và tritium. Hydrogen là nguyên tố duy nhất có các đồng vị có tên gọi khác nhau. Deuterium và tritium được dùng làm nhiên liệu trong các lò phản ứng nhiệt hạt nhân. Có một nguyên tử deuterium trong khoảng 6.000 nguyên tử hydrogen bình thường.
Deuterium được dùng làm chất điều tiết để làm chậm neutron. Các nguyên tử tritium cũng có mặt nhưng với tỉ lệ nhỏ hơn nhiều. Tritium được tạo ra đều đặn trong các lò phản ứng hạt nhân và được sử dụng trong sản xuất bom khinh khí (bom nhiệt hạch). Nó còn được dùng làm tác nhân phóng xạ trong nước sơn phát quang, và làm chất đánh dấu nguyên tử.
II. Helium – Những điều bạn nên biết
· Số nguyên tử: 2
· Trọng lượng nguyên tử: 4,002602
· Kí hiệu nguyên tử: He
· Điểm nóng chảy: - 272,2 oC
· Điểm sôi: - 268,93 oC
· Nguồn gốc tên gọi: Từ helium có xuất xứ từ helios, tiếng Hi Lạp nghĩa là mặt trời.
· Khám phá: Bằng chứng đầu tiên của helium được thu thập trong một lần nhật thực vào năm 1868 bởi Jules Cesar Janssen.
1/ Các tính chất của helium
Helium chỉ đứng sau hydrogen là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ. Helium được trích xuất từ khí thiên nhiên. Mọi khí thiên nhiên đều có chứa chút ít helium.
Thành phần helium của khí quyển Trái đất là khoảng 1/200.000. Phần lớn nguồn cung helium của hành tinh chúng ta có thể tìm thấy trong các giếng mỏ ở Texas, Oklahoma và Kansas, nước Mĩ. Ngoài nước Mĩ, có một vài nhà máy trích xuất helium ở Nga, Ba Lan và Ấn Độ.
Helium giữ một vai trò quan trọng trong phản ứng proton-proton và chu trình carbon, phản ứng cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao, và đặc biệt chiếm ưu trội ở những ngôi sao nóng.
Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng (LRO) của NASA đã phát hiện ra helium trong bầu khí quyển mong manh của mặt trăng.
Helium có một số tính chất độc đáo, ví dụ như nó là chất lỏng ngoan cố không thể hóa rắn bằng cách hạ thấp nhiệt độ của nó, và nó vẫn ở thể lỏng tại không độ tuyệt đối ở áp suất chuẩn.
2/ Công dụng của helium
Nhu cầu năng lượng cho bom khinh khí đến từ sự hợp nhất của hydrogen thành helium. Nó còn được dùng làm môi trường làm lạnh cho lò phản ứng hạt nhân, làm lá chắn khí trơ cho hàn hồ quang, làm chất khí cho những đường hầm gió siêu thanh, và làm chất khí bảo vệ trong nuôi cấy tinh thể silicon và germanium và sản xuất titanium và zirconium.
Helium được sử dụng trong nghiên cứu nhiệt lạnh vì thực tế ở gần không độ tuyệt đối, nó có điểm nóng chảy thấp nhất trong số mọi nguyên tố. Helium cũng không thể thiếu trong nghiên cứu sự siêu dẫn.
Có một số ứng dụng y khoa cho helium lỏng, bao gồm chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) và ảnh đàn hồi cộng hưởng từ (MRE) để tiến hành phân tích máu xác định một bệnh nhân có mắc ung thư hay không.
Tên lửa nhiên liệu lỏng áp lực là một công dụng khác mới đây của helium, với một ví dụ là các tên lửa Saturn đã được sử dụng trong các sứ mệnh mặt trăng Apollo.
Thợ lặn và những người làm việc dưới áp suất cao sử dụng một hỗn hợp gồm helium và oxygen tạo ra một khí quyển nhân tạo để thở.
Khí cầu Goodyear sử dụng helium, và các cơ quan trực thuộc chính phủ bóng thám không để phát hiện ra các tên lửa đang bay thấp, hoạt tính của thuốc và tiến hành nghiên cứu khí quyển.
Helium còn được sử dụng để bơm khí cầu nó an toàn hơn hydrogen.
3/ Các đồng vị helium
Có bảy đồng vị đã biết của helium. Có hai dạng helium lỏng (He-4): He-4I và He-4II, với điểm chuyển tiếp đột ngột tại 2,174 K. Trên nhiệt độ này, He-4I là một chất lỏng bình thường, nhưng He-4II không giống như bất kì chất nào khác đã biết ở dưới nhiệt độ đó. Nó giãn ra khi lạnh di, và là một chất dẫn nhiệt cực tốt.