Jaksollisen järjestelmän toinen alkuaine on helium, He, jonka atomiluku on 2. Kaikkien heliumatomien ytimissä on 2 protonia ja 2 elektronia. Heliumia on kahta isotooppia, joista , jonka ytimessä on 2 neutronia, on ylivoimaisesti vallitsevin, ja kevyempää isotooppia
, jonka ytimessä on 2 protonia ja 1 neutroni ja jonka massaluku on 3, on paljon pienempiä määriä.
Helium on jalokaasu, mikä tarkoittaa sitä, että se on olemassa vain alkuaineina, jotka eivät koskaan liity toisiin atomeihin. Kuvassa 3.3 on esitetty heliumatomi, jossa näkyy sen 2 elektronia. Heliumin Lewis-symboli on yksinkertaisesti He, jossa on 2 pistettä. Tämä osoittaa hyvin tärkeän atomien ominaisuuden. Kun atomeihin lisätään elektroneja atomiluvun kasvaessa, ne lisätään eri tasoille, joita kutsutaan elektronikuoriksi. Vedyn, H:n, yksi elektroni menee ensimmäiselle elektronikuorelle, jolla on pienin mahdollinen energia. Heliumatomin muodostamiseksi lisätty toinen elektroni menee myös ensimmäiselle elektronikuorelle. Tähän alimpaan elektronikuoreen voi mahtua enintään vain kaksi elektronia, joten heliumilla on täysi elektronikuori. Atomeilla, joilla on täytetty elektronikuori, ei ole taipumusta elektronien menettämiseen, saamiseen tai jakamiseen, eivätkä ne näin ollen liity toisiin atomeihin kemiallisen sidoksen kautta. Tällaisia atomeja esiintyy yksin kaasufaasissa, ja alkuaineita, joista ne koostuvat, kutsutaan jalokaasuiksi. Helium on ensimmäinen jalokaasuista.
Heliumkaasun tiheys on hyvin pieni, vain 0,164 g/l 25˚C:ssa ja 1 atm:n paineessa. Alkuainehelium on vetykaasun jälkeen toiseksi vähiten tiheä aine. Juuri tämän pienen tiheysominaisuuden ansiosta helium on niin käyttökelpoinen ilmapalloissa, myös sääilmapalloissa, jotka voivat pysyä ilmassa päiväkausia ja saavuttaa hyvin suuria korkeuksia.
Heliumia pumpataan maasta joillakin maakaasulähteillä, joista jotkut sisältävät jopa 10 tilavuusprosenttia heliumia. Helium havaittiin ensimmäisen kerran auringossa kuumien heliumatomien lähettämän valon erityisten aallonpituuksien perusteella. Maanalaiset heliumlähteet löysivät Lounais-Kansasissa maakaasua etsivät poramiehet, jotka yrittivät sytyttää uudesta kaivosta tulevaa kaasua ja pettyneinä huomasivat, ettei se palanut, koska se oli käytännössä puhdasta heliumia!
Kemiallisesti reagoimaton heliumilla ei ole muuta kemiallista käyttötarkoitusta kuin kemiallisesti inertin ilmakehän luominen. Helium on myrkytön, hajuton, mauton ja väritön kaasu, jota käytetään sen ainutlaatuisten fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi. Sovellukset sääilmapalloissa ja ilmalaivoissa mainittiin aiemmin. Koska helium liukenee huonosti vereen, sitä sekoitetaan happeen syvänmeren sukeltajien ja joidenkin hengitysvaikeuksista kärsivien henkilöiden hengittämistä varten. Heliumin käytöllä sukeltajat välttävät erittäin kivuliaan ”kurviksi” kutsutun tilan, joka johtuu vereen liuenneesta typpikaasusta muodostuvista typpikuplista.
Heliumia käytetään eniten superkylmänä nesteenä, joka kiehuu vain 4,2 K:n lämpötilassa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella (-269˚C), erityisesti kasvavassa kryotekniikan tieteenalalla, joka käsittelee hyvin alhaisia lämpötiloja. Jotkin metallit ovat suprajohteita tällaisissa lämpötiloissa, joten heliumia käytetään sähkömagneettien jäähdyttämiseen, jolloin suhteellisen pienet magneetit voivat kehittää erittäin voimakkaita magneettikenttiä. Tällaiset magneetit ovat osa erittäin hyödyllistä kemiallista työkalua, joka tunnetaan nimellä ydinmagneettinen resonanssi (NMR). Samantyyppistä kliinisiä sovelluksia varten muunnettua laitetta, jota kutsutaan magneettikuvaukseksi, käytetään lääketieteellisenä diagnostiikkavälineenä, jolla skannataan kehon osia kasvainten ja muiden sairauksien merkkien löytämiseksi.
Hydrogen Wants to be Like Helium
Tutkimus heliumin Lewisin symbolista (oikealla, kuva 3).3) ja alkuainevetyn H2:n Lewisin kaavaa (kuva 3.1) tarkastelemalla nähdään, että H2-molekyylin kumpikin kahdesta vetyatomista voi vaatia itselleen kaksi elektronia ja siten muistuttaa heliumatomia. Muistetaan, että helium on jalokaasu, joka on hyvin tyytyväinen kahteen elektroniinsa. H2:n kumpikin H-atomi on tyytyväinen kahteen elektroniin, vaikka ne jaetaankin. Tämä osoittaa kemiallisen sidoksen perussäännön, jonka mukaan alkuaineen atomeilla on taipumus saada sama elektronikonfiguraatio kuin lähimmällä jalokaasulla. Tässä tapauksessa vety, joka on jaksollisessa järjestelmässä juuri ennen heliumia, saa heliumin jalokaasukonfiguraation jakamalla elektroneja.
Vastaa