Khí Quý tộc, khí hiếm, các loại khí hiếm

Các loại khí hiếm trong tự nhiên

Các loại khí hiếm, chúng tồn tại trong tự nhiên với tỉ lệ rất nhỏ so với không khí, nhưng chúng có những vai trò ứng dụng rất quan trọng và hữu ích với đời sống con người.

Các loại khí hiếm, là nhóm các nguyên tố hóa học thuộc nhóm 18 trong bảng tuần hoàn. Chuỗi nguyên tố hóa học này có Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon và Ununocti. Ngoài ra, ununquadi nhóm 14 cũng thể hiện các đặc điểm giống khí hiếm. Các loại khí hiếm còn được gọi là khí trơ hay khí quý (hay khí quý tộc)

– Khí hiếm trước đây được gọi là khí trơ, nhưng thuật ngữ này không chính xác một cách chặt chẽ. Lí do là các nguyên tố này cũng tham gia vào một số phản ứng hóa học.

– Khí hiếm cũng là một tên gọi chưa chính xác. Vì trên thực tế Argon chiếm một phần đáng kể (0,93% theo thể tích hay 1,29% theo khối lượng) của khí quyển Trái Đất.

– Tên gọi khí quý chỉ tới danh nghĩa quý tộc. (Vì những nguyên tố trong nhóm không tham gia trong những phản ứng hóa học với các loại nguyên tố ngoại tộc). Chúng được gọi như thế là do sự quý báu, khả năng chống ăn mòn cao. Nhưng các khí quý thì không thấy có liên quan gì đến các yếu tố như kim loại quý. Ngoại trừ một số trong chúng là đắt tiền.

Như vậy, trên thực tế cả ba tên gọi đều không thực sự chặt chẽ và không phản ánh đầy đủ các tính chất hóa-lý hay lịch sử của nhóm các nguyên tố này.

Do độ hoạt động hóa học cực kỳ yếu của chúng, các khí hiếm đã không được phát hiện cho đến năm 1868, khi heli được phát hiện ra trong quang phổ của Mặt Trời. Trên Trái Đất, đến năm 1895 người ta mới cô lập được heli. Các khí hiếm có các lực tương tác nội nguyên tử cực kỳ yếu. Chúng có điểm nóng chảy và điểm sôi rất thấp. Điều này giải thích tại sao tất cả chúng đều ở dạng khí trong các điều kiện bình thường. Thậm chí ngay cả các nguyên tố có nguyên tử lượng lớn hơn so với nhiều chất rắn thông thường khác.

Mặc dù các khí hiếm nói chung là không hoạt động hóa học. Nhưng trong một số điều kiện cụ thể thì chúng vẫn tạo ra các hợp chất (hợp chất của khí hiếm).

Thuộc tính vật lý của các loại khí hiếm

Các loại khí hiếm trong tự nhiên

1. Helium

Tính chất khí Helium

  • Khí Heli là loại khí không màu,  không mùi và không độc.
  • Nó ít tan trong nước hơn bất kỳ khí khác. Đó là yếu tố ít phản ứng hơn và không cơ bản tạo thành các hợp chất hóa học.
  • Mật độ và độ nhớt của heli hơi thấp. Độ dẫn nhiệt và hàm lượng caloric đặc biệt cao.
  • Khí Heli có thể được hoá lỏng, nhưng nhiệt độ ngưng tụ của nó là thấp nhất trong số tất cả các loại khí hiếm đã biết.

Các ứng dụng của Khí Helium

  • Helium có nhiều tính chất độc đáo: điểm sôi thấp, mật độ thấp, độ tan thấp, tính dẫn nhiệt cao và tính trơ.  Do đó nó được sử dụng cho bất kỳ ứng dụng nào có thể phù hợp các tính chất này.
  • Khí Heli là khí đầu tiên được sử dụng để bơm khí cầu và khí cụ.
  • Ứng dụng này được áp dụng trong nghiên cứu độ cao và khí cầu khí tượng. Việc sử dụng chính helium là một loại khí bảo vệ trơ trong hàn tự động.
  • Tiềm năng lớn nhất của nó được tìm thấy trong các ứng dụng ở nhiệt độ rất thấp. Helium là bộ làm mát duy nhất có khả năng đạt được nhiệt độ thấp hơn 15K (-434ºF).
  • Ứng dụng chính của nhiệt độ cực thấp là trong sự phát triển của tính trạng siêu dẫn, trong đó điện trở gần bằng không. Các ứng dụng khác là sử dụng nó như khí nén trong nhiên liệu lỏng cho các loại tên lửa, hỗn hợp heli – oxy cho thợ lặn.
  • Khí Heli làm chất lỏng hoạt động trong các lò phản ứng hạt nhân làm nguội bởi khí và như chất dẫn khí trong phân tích hóa học bằng sắc ký khí.
  • Khí Heli được sử dụng trong sản xuất ổ cứng máy tính

2. Khí neon

Trong các loại khí hiếm Neon thông thường được tìm thấy ở dạng khí. Với các phân tử chỉ có một nguyên tử. Neon là khí hiếm tìm thấy trong khí quyển Trái Đất với tỷ lệ 1/65.000.

Tính chất khí neon

Khí Neon tinh khiết là một nguyên tố trơ. Nhưng nó có thể tạo ra hợp chất với flo trong phòng thí nghiệm. Các ion, như Ne+, (NeAr)+, (NeH)+ và (HeNe)+, cũng đã được quan sát từ các nghiên cứu quang phổ và khối lượng phổ. Ngoài ra, neon còn tạo ra hidrat không ổn định.

Neon là khí hiếm nhẹ thứ hai sau heli. Khí Neon tạo ra ánh sáng da cam ánh đỏ trong ống phóng điện chân không. Nó có khả năng làm lạnh gấp 40 lần heli lỏng và 3 lần so với hidro lỏng (trên cùng một đơn vị thể tích). Trong phần lớn các ứng dụng neon là chất làm lạnh rẻ tiền hơn so với heli. Trong các loại khí hiếm, neon có cường độ xả điện tích mạnh nhất ở các hiệu điện thế và cường độ dòng điện bình thường.

Ứng dụng của khí Neon

Ánh sáng màu da cam ánh đỏ mà neon phát ra trong các đèn neon được sử dụng rộng rãi trong các biển quảng cáo. Từ “neon” cũng được sử dụng chung để chỉ các loại ánh sáng quảng cáo. Trong khi thực tế rất nhiều khí khác cũng được sử dụng để tạo ra các loại màu sắc khác.

Các ứng dụng khác của khí neon tinh khiết: Đèn chỉ thị điện thế cao. Thu lôi. Ống đo bước sóng. Ống âm cực trong ti vi. Neon và heli được sử dụng để tạo ra các loại laser khí. Neon lỏng được sử dụng trong công nghiệp như một chất làm lạnh nhiệt độ cực thấp

3. Khí Argon

Tính chất của khí Argon  

 Khí argon là một trong các loại khí hiếm phổ biến nhất. Nó có ký hiệu Ar và số nguyên tử bằng 18. Là khí hiếm thứ ba trong nhóm 18. Chiếm khoảng 0,934% về thể tích khí quyển nó là khí hiếm phổ biến nhất trên Trái Đất.

Argon hòa tan trong nước nhiều gấp 2,5 lần nitơ và xấp xỉ độ hòa tan của oxy. Argon là nguyên tố hóa học có độ ổn định cao. Argon không màu, không mùi trong cả dạng lỏng và khí.

Ở nhiệt độ thường, áp suất không khí, Argon là chất khí trơ. Là khí không màu, không mùi, không vị, không độc hại và không bắt lửa.

Ứng dụng của khí Argon tinh khiết

– Argon được sử dụng làm chất mang, chất dẫn, khí đệm trong máy đo sắc ký khí.

– Khí Argon tinh khiết ứng dụng trong chạy máy phân tích, chạy máy quang phổ, phân tích thực phẩm, công nghệ hạt Nhân, công nghệ Polime-composite.

– Khí argon sử dụng cho công nghiệp, y tế và kiểm định.

– Argon được dùng như plasma trong ICP, khí nền trong GFAAS

– Khi trộn với metan, argon được dùng trong máy đếm Geiger và máy đo huỳnh quang tia X (XRF – X ray flourescence).

4. Khí Krypton

Đặc điểm nổi bật của khí Krypton

Giống như các khí hiếm khác, kripton được sử dụng trong chiếu sáng và nhiếp ảnh. Ánh sáng Krypton có nhiều dải phổ, và krypton rất hữu ích trong các laser khí đốt năng lượng cao (ion krypton và laser excimer). Mỗi loại đều tạo ra tiếng vang và khuếch đại một dải phổ. Krypton fluoride cũng tạo ra một laser hữu ích.

Quang phổ của Krypton mạnh nhất là màu xanh lá cây và màu vàng da cam. Krypton là một trong những sản phẩm của quá trình phân hạch uranium . Krypton rắn có màu trắng và có cấu trúc tinh thể khối trung tâm. Là một thuộc tính chung của tất cả các loại khí hiếm (trừ helium, có cấu trúc tinh thể đóng chặt hình lục giác).

Ứng dụng của Krypton

  • Các đường phát thải của Krypton làm cho dòng khí ion hoá xuất hiện màu trắng. Nó làm cho bóng đèn có một nguồn ánh sáng trắng rực rỡ. Điều này rất có ích trong công nghiệp điện ảnh.
  • Krypton được sử dụng trong một số nháy sáng cho nhiếp ảnh tốc độ cao. Khí Krypton cũng được kết hợp với các loại khí khác để tạo ra các dấu hiệu phát sáng với ánh sáng màu vàng xanh lục.
  • Krypton được pha trộn với argon trong các đèn huỳnh quang tiết kiệm năng lượng. Nó làm giảm điện năng tiêu thụ nhưng cũng làm giảm độ sáng và tăng chi phí. Kripton chi phí đắt hơn khoảng 100 lần so với Argon.
  • Krypton (cùng với Xenon) cũng được sử dụng để làm bóng đèn sợi đốt để giảm sự bay hơi của sợi dây và cho phép nhiệt độ hoạt động cao hơn. Ánh sáng của nó có màu xanh dương khác biệt so với bóng đèn thông thường.
  • Laser fluoride krypton có vai trò quan trọng trong nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch hạt nhân trong các thí nghiệm.
  • Trong vật lý hạt thực nghiệm, krypton lỏng được sử dụng để xây dựng năng lượng điện từ gần như đồng nhất.
  • Krypton có ứng dụng trong chụp cộng hưởng từ (MRI) cho hình ảnh đường thở.

5. Khí xenon

Khí Xenon (Xe) là một trong các loại khí hiếm. Nó trơ và quý hiếm. Nó không mùi, không màu, không vị và không phản ứng hóa học.

Ứng dụng của Xenon

Xenon tạo ra ánh sáng màu xanh hoặc màu hoa oải hương khi có dòng điện chạy qua. Đèn chiếu xenon chiếu sáng tốt hơn so với đèn thông thường.

Một số ví dụ:

  • Đèn tia sáng
  • Đèn flash nhiếp ảnh
  • Đèn hồ quang cường độ cao để chiếu hình ảnh động
  • Một số đèn dùng để quan sát sâu
  • Đèn diệt khuẩn
  • Đèn hồ quang áp lực cao.

Trên thực tế, bạn có thể thường xuyên gặp đèn sử dụng khí Xe tinh khiết. Nếu bạn nhìn thấy đèn pha làm phát sáng màu xanh nhạt, chúng có thể được làm bằng Xenon.