Bagaimana sebuah unsur ditemukan dengan menatap Matahari?
Pada Agustus 1868, saat gerhana total yang terlihat dari India, astronom Prancis Jules Janssen mengamati spektrum protuberans matahari dan mencatat garis kuning pada 587,6 nanometer. Letaknya dekat garis natrium, tetapi tidak berimpit dengan satu pun.
Pada tahun yang sama, orang Inggris Norman Lockyer sampai pada kesimpulan serupa dan mengusulkan bahwa garis itu milik unsur yang belum dikenal. Ia menamainya helium, dari bahasa Yunani helios, matahari.
Usulan itu disambut skeptis. Menyatakan keberadaan unsur yang belum pernah disentuh siapa pun, hanya berdasarkan segaris cahaya, melampaui yang diterima kimia masa itu. Dua puluh tujuh tahun berlalu sampai William Ramsay, pada 1895, memperoleh helium di London dengan mengolah mineral kleveit memakai asam dan memastikan spektrumnya memuat garis kuning yang sama.
Helium adalah satu-satunya unsur yang dikenali di luar Bumi sebelum dikenali di Bumi.
Mengapa ia begitu lembam?
Karena konfigurasi 1s². Dua elektron mengisi penuh kulit pertama, dan kulit itu tidak menerima lebih: orbital 1s berkapasitas dua dan tidak lebih.
Atom dengan kulit penuh tidak memperoleh apa pun dengan melepas atau menerima elektron. Energi ionisasi helium adalah 2 372 kJ/mol, yang tertinggi dalam seluruh tabel periodik. Mencabut satu elektron darinya lebih mahal daripada dari atom mana pun.
Kestabilan itu berakibat melampaui kimia. Inti dengan dua proton dan dua neutron terikat luar biasa kuat, dan karena itu partikel alfa yang dipancarkan dalam peluruhan radioaktif adalah inti helium, bukan pecahan lain. Energi ikat per nukleon helium 4 adalah puncak setempat yang mendominasi seluruh nukleosintesis bintang.
Tidak dikenal senyawa helium yang stabil pada kondisi biasa. Beberapa spesies pernah dilaporkan pada tekanan ekstrem, seperti Na₂He di atas sejuta atmosfer, tetapi itu bukan kimia sehari-hari.
Apa itu helium superfluida?
Di bawah 2,17 K, helium cair berhenti berperilaku sebagai cairan biasa. Peralihan itu disebut titik lambda karena bentuk kurva kalor jenisnya.
Dalam keadaan itu, yang disebut helium II, kekentalannya tak terbedakan dari nol. Cairan itu mengalir lewat kapiler berdiameter yang tak akan dilewati fluida normal mana pun. Ia merayap naik dinding wadah dalam lapisan setebal beberapa puluh nanometer dan keluar lewat tepinya: jika sebuah gelas diisi helium superfluida dan dibiarkan terisolasi, ia mengosong sendiri.
Daya hantar kalornya ratusan kali lebih besar daripada tembaga. Karena itu helium superfluida tidak mendidih membentuk gelembung: kalor apa pun tersebar begitu cepat sehingga permukaannya menguap tanpa didih setempat. Saat melewati titik lambda, rendaman helium yang tadinya menggelegak mendadak tenang, dan perubahan kasatmata itu adalah tanda klasik di laboratorium.
Pyotr Kapitsa menerima Nobel pada 1978 atas kerja ini. Gejalanya berasal dari kenyataan bahwa atom helium 4 adalah boson dan semuanya dapat menempati keadaan kuantum yang sama.
Mengapa langka di Bumi jika melimpah di alam semesta?
Karena alasan yang sama dengan hidrogen: massa. Atom helium berbobot empat satuan dan bergerak cukup cepat untuk lolos dari atmosfer Bumi. Helium purba dari pembentukan planet sudah lama hilang.
Seluruh helium yang tersedia sekarang bersifat radiogenik. Uranium 238 dan torium 232 dalam batuan kerak memancarkan partikel alfa saat meluruh; setiap partikel alfa menangkap dua elektron dan menjadi atom helium. Prosesnya sangat lambat: waktu paruh uranium 238 adalah 4 468 juta tahun.
Helium itu bermigrasi lewat batuan dan menumpuk di bawah perangkap geologi yang sama yang menahan gas alam. Kadar di sebagian besar ladang terlalu rendah untuk membenarkan pemisahan. Hanya beberapa lapangan — di Kansas, Qatar, Aljazair, dan Rusia — melampaui ambang ekonomi, sekitar 0,3 %.
Pemisahan dilakukan lewat pencairan bertingkat: gas alam didinginkan sampai segalanya yang lain mengembun dan helium, dengan titik didih terendah yang ada, tetap berwujud gas.
Untuk apa dipakai, selain balon?
Balon hanyalah bagian kecil dan mencolok dari konsumsi yang sebagian besar bersifat teknis.
Penggunaan utamanya adalah pendinginan magnet superkonduktor. Mesin pencitraan resonansi magnetik memuat kumparan yang harus tetap di bawah suhu kritisnya, dan hanya helium cair mencapai 4,2 K. Satu alat lazimnya menampung 1 000 sampai 2 000 liter. Large Hadron Collider di CERN memakai sekitar 120 ton.
Dalam pengelasan busur, helium melindungi lelehan dari oksigen atmosfer. Daya hantar kalornya yang tinggi menghasilkan busur lebih panas daripada argon, yang cocok untuk aluminium dan tembaga.
Dalam pendeteksian kebocoran dimanfaatkan kenyataan bahwa atom helium kecil dan lembam secara kimia: sistem ditekan dengan helium dan dicari dari luar memakai spektrometer massa. Ia mendeteksi kebocoran yang tak terungkap oleh metode lain.
Ia juga dipakai dalam campuran pernapasan untuk penyelaman dalam, menggantikan nitrogen yang pada tekanan tinggi menimbulkan narkosis. Campuran helium dan oksigen, yang disebut heliox, memungkinkan kerja bawah laut pada kedalaman ketika udara mampat akan melumpuhkan.
Dalam penelitian, helium 3 — isotop yang sangat langka, sekitar satu bagian per juta dari helium alami — memungkinkan pencapaian suhu yang lebih rendah lagi. Lemari pendingin pengenceran yang mencampur helium 3 dengan helium 4 turun di bawah beberapa milikelvin, dan itulah teknologi yang menjaga komputer kuantum superkonduktor tetap dingin.