Helij je plin kojeg svi poznajemo: to je onaj laki, nezapaljivi plin (za razliku od vodika) kojim se pune baloni. Jasno je da je nezapaljiv, jer pripada skupini plemenitih plinova. Ta se skupina označava brojem 18, VIIIA ili 0 – ovo posljednje znači da je njihova valencija 0, pa se ne spajaju ni sa čime pa tako ni s kisikom (ono prvo nije sasvim točno). Helij je bolji plin za balone od vodika jer je sigurniji, no ipak nije u svemu bolji od njega. Skuplji je i teži od vodika, pa stoga ima manji uzgon. Odakle to znam?

Da je helij teži od vodika, ili da se izrazim znanstveno korektnije, da je gustoća helija veća od gustoće vodika znam ne zato što mi je to ostalo iz neke knjige iz koje sam učio za test ili ispit iz kemije. To mi otkriva pogled na periodni sustav. Tamo piše da je redni broj helija 2, a relativna atomska masa 4. Prvi kemijski element je vodik s rednim (protonskim) brojem i relativnom atomskom masom 1. To znači da je atom helija (koji čini njegovu molekulu) dva puta teži od molekule vodika, H₂. Kako je gustoća plina razmjerna njihovoj relativnoj molekulskoj masi – što proizlazi iz Avogadrova zakona – gustoća helija, He, dvaput je veća od gustoće vodika, H₂. Oba su plina dakako lakša od zraka, jer je relativna atomska masa dušika (N₂) 28, a kisika (O₂) 32. (Kad izračunamo prosjek dolazimo do broja 29, koji se zove Koppov broj). Još nam preostaje da izračunamo gustoću helija. To možemo učiniti i bez pozivanja na plinsku jednadžbu. Gustoća idealnog plina pri normalnim uvjetima tlaka i temperature iznosi 22,4 litre po molu, pa kad masu mola helija (4 g) podijelimo sa 22,4 L dobivamo 0,18 g/L. Izračunavanje gustoće ostalih plinova prepuštam čitatelju.

Kako je otkriven helij? Čitavu priču možemo iščitati iz njegova imena, koje se sastoji od osnove hel- i nastavka -ij. Osnova potječe od grčke riječi za Sunce (helios), a nastavak -ij? Kako to da ime nijednog drugog plemenitog plin (neon, argon, kripton, ksenon, radon) nema taj nastavak, a helij ga ima?

Helij pripada elementima koji su, poput rubidija ili indija, otkriveni zahvaljujući spektralnoj analizi. Njemački fizičar Gustav Robert Kirchhoff, kojeg poznajemo između ostalog i po zakonima grananja struje, otkrio je natrij u spektru Sunca. Bilo je to veliko otkriće jer je s jedne strane pokazalo zbog čega nastaju tamne linije u Sunčevom spektru koje je prije njega zapazio Joseph Fraunhofer, a s druge stane pokazao da se može napraviti „nemoguće“: kemijski analizirati zvijezde. Njegovim je putem pošao engleski astronom Joseph Norman Lockyer i za pomrčine Sunca 1868. godine u Sunčevoj koroni otkrio spektralne linije koje nije mogao pripisati nijednom poznatom elementu. Otkrio je „Sunčev element“, pa je stoga jasna osnova hel. Ali zašto -ij?

Spektralna linija helija nalazila se vrlo blizu spektralne linije natrija, poznate žute D-linije (λ = 589,2 nm), pa je Lockyer zaključio da novi element mora biti sličan natriju. Natrij, kako svi metali, ima nastavak -ij (-ium), pa je Lockyer, misleći da je novootkriveni element metal, njegovom imenu dodao taj nastavak. Krivo je mislio, jer ako su elementi slični po spektru ne moraju biti slični i po kemijskim svojstvima. (Griješe i oni koji pišu uran i titan, umjesto uranij i titanij, jer rečena dva elementa nisu nemetali nego metali.)

Helij je tako došao na glas kao jedini kemijski element koji je otkriven u svemiru, na Suncu, a ne na Zemlji. Štoviše, helij je smatran „hipotetskim elementom“ jer za kemičara ono što u epruveti ne vidi, ne postoji (zbiljski). Stoga se pravim otkrivačem helija može smatrati talijanski kemičar Luigi Palmieri koji je primijetio Lockyerovu liniju u spektru plina kojeg je dobio 1881. godine otapajući uzorak minerala s Vezuva. Sedam godina kasnije, američki je mineralog William Francis Hillebrand opazio izlaženje nekog nepoznatog plina koji se dobiva kada je mineral kleveit (uraninit) otapao u kiselini.

Ovo je drugo otkriće bilo presudno, jer je ono navelo Williama Ramsaya da 1895. godine snimi spektar nepoznatog plina, pa je otkrio da on odgovara upravo spektru helija kojeg je Lockyer otkrio na Suncu. Tako je konačno otkriće novog elementa privedeno kraju, a čitatelju ostavljam da sudi tko je pravi otkrivač helija, Lockyer, Ramsay ili Palmieri.

No odakle helij u uraninitu, kada kemijska formula tog minerala (UO₂) ne odaje nazočnost helija? Odgovor na to pitanje leži u činjenici da je uranij radioaktivan kao što su radioaktivni i članovi njegova, uranijeva niza. Ti elementi dakako zrače, a zrače između ostalog i alfa-zračenje. No što su alfa-zrake?

Ništa drugo nego jezgre helijevih atoma ili, rečeno jezikom kemičara ioni helija, helioni, He²⁺. Nakon apsorpcije ti ioni primaju elektrone i postaju atomi helija, He.

I tako smo došli do paradoksa helija. Helij je poslije vodika najrasprostranjeniji element u svemiru (na 12 atoma vodika dolazi jedan atom helija) dok ga na Zemlji ima malo, vrlo malo. U zraku ga ima samo 0,000524 % (5,24 ppm). Više ga ima u zemnom plinu (0,01 – 0,1 %, iznimno 1-2 %). Zašto je to tako?

U svemiru helij nastaje fuzijom, spajanjem jezgara vodika u zvijezdama. Na Zemlji pak nastaje radioaktivnim raspadom. I dobro je da je tako, jer da je obratno, Sunce ne bi sjalo, a na Zemlji se zbog zračenja ne bi moglo živjeti. No to su već fantazije.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.