Những nguyên tố quý hiếm và đắt nhất thế giới được ví như kim cương trong hóa học

Trong ngành kim hoàn, kim cương luôn được xem là biểu tượng của sự quý hiếm và giá trị. Thế nhưng, ít ai biết rằng trong hóa học cũng tồn tại những nguyên tố và hợp chất còn hiếm và đắt đỏ hơn cả kim cương, thậm chí còn được xem như những “báu vật” của khoa học. Bài viết này sẽ đưa bạn khám phá những nguyên tố này, cùng những ứng dụng đặc biệt của chúng

Khi nhắc đến sự quý hiếm, phần lớn chúng ta thường nghĩ ngay đến kim cương. Thế nhưng, sự thật rằng biết rằng thành phần chính của kim cương là carbon vốn là nguyên tố cơ bản nhất, mà thực tế còn có những nguyên tố và đồng vị hiếm đến mức chỉ tồn tại ở lượng vi mô trên Trái Đất, hoặc phải tổng hợp nhân tạo với chi phí khổng lồ. Chúng không chỉ khan hiếm, mà còn có giá trị ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp, y học và năng lượng. Tất cả tạo nên một bức tranh về những “báu vật” hóa học vừa quý hiếm, vừa có sức ảnh hưởng sâu rộng đến đời sống con người.

1. Astatine

Dẫn đầu trong danh sách này là Astatine (ký hiệu hóa học At với số hiệu nguyên tử 85), nó là một trong những nguyên tố đặc biệt nhất mà khoa học từng khám phá. Thuộc nhóm halogen cùng với flo, clo, brom và iot, nhưng astatine lại không hề giống những “người anh em” phổ biến trong đời sống hàng ngày. Thay vào đó, nó nổi tiếng chính vì sự khan hiếm gần như tuyệt đối. Các ước tính cho thấy toàn bộ Trái Đất, tại một thời điểm bất kỳ, chỉ chứa chưa tới 1 gram astatine tự nhiên, hình thành thoáng qua trong chuỗi phân rã phóng xạ của uranium và thorium trong lòng đất. Điều này khiến astatine được mệnh danh là nguyên tố hiếm nhất trên hành tinh, một “bóng ma” trong thế giới hóa học mà con người chỉ có thể nhận diện gián tiếp qua lý thuyết và thí nghiệm hạt nhân.

Không có đồng vị nào của astatine tồn tại bền vững. Ngay cả đồng vị bền nhất, Astatine-210, cũng chỉ có chu kỳ bán rã khoảng 8,1 giờ. Nghĩa là nếu một lượng đáng kể astatine tồn tại, thì chỉ sau một ngày phần lớn sẽ biến mất, để lại sản phẩm phân rã phóng xạ khác. Thực tế, chưa từng có mẫu vật astatine tinh khiết nào được con người quan sát trực tiếp bằng mắt thường. Khi các nhà khoa học tổng hợp astatine trong phòng thí nghiệm bằng cách bắn phá bismuth bằng hạt alpha, lượng thu được cũng chỉ ở mức nguyên tử hoặc microgam, hoàn toàn không thể chế tạo thành mẫu lưu giữ ổn định. Bản chất mong manh này khiến astatine trở thành một trong số ít nguyên tố có vị trí trong bảng tuần hoàn nhưng lại không tồn tại như một “hóa chất” theo nghĩa thông thường.

Giá trị thương mại của astatine về cơ bản không thể định lượng, vì không có nguồn cung nào đủ để đưa ra thị trường. Tuy nhiên, giá trị khoa học của nó lại vô cùng lớn, đặc biệt trong lĩnh vực y học hạt nhân. Một trong những hướng nghiên cứu triển vọng là sử dụng Astatine-211 trong liệu pháp xạ trị ung thư nhắm trúng đích. Đồng vị này phát ra hạt alpha có năng lượng cao nhưng phạm vi tác động chỉ vài tế bào, giúp tiêu diệt khối u hiệu quả mà không gây tổn hại đến mô lành xung quanh. Nếu công nghệ sản xuất và vận chuyển astatine-211 được cải thiện, đây có thể trở thành “vũ khí bí mật” trong điều trị ung thư, mở ra hướng đi mới cho y học hiện đại. Tuy vậy, thời gian bán rã ngắn vẫn là rào cản lớn, khiến việc ứng dụng thực tiễn ngoài quy mô nghiên cứu trở nên vô cùng khó khăn.

Không giống californium hay rhodium vốn là những nguyên tố có thể cân đo, định giá và mua bán với số lượng hạn chế, sự tồn tại của Astatine như một minh chứng cho giới hạn của khoa học: một nguyên tố được xác định rõ ràng trong lý thuyết, có tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn, nhưng lại luôn ở bên rìa của khả năng chinh phục của con người. Chính vì vậy, astatine không chỉ là nguyên tố hiếm nhất trên Trái Đất, mà còn là biểu tượng của sự mong manh và bí ẩn trong hóa học, một “viên kim cương ảo ảnh” mà nhân loại vẫn đang nỗ lực để chạm đến.

2. Californium-252

Californium là một trong những nguyên tố nhân tạo đặc biệt nhất từng được con người tổng hợp, vừa mang tính biểu tượng về sự chinh phục khoa học hạt nhân, vừa có giá trị thương mại thuộc hàng đắt đỏ nhất trong lịch sử hóa học. Nguyên tố này lần đầu tiên được tổng hợp năm 1950 tại Phòng thí nghiệm bức xạ thuộc Đại học California, từ đó mang tên Californium để ghi dấu nơi khám phá. Trong bảng tuần hoàn, californium nằm ở nhóm actini, ký hiệu hóa học là Cf và mang số hiệu nguyên tử 98, nổi bật nhất chính là đồng vị californium-252 (Cf-252) với khả năng phát ra neutron mạnh mẽ.

Điều khiến californium trở thành “kim cương” trong thế giới hóa chất không chỉ nằm ở bản chất phóng xạ của nó mà còn ở sự khan hiếm và giá trị ứng dụng. Đây là nguyên tố không tồn tại tự nhiên, chỉ có thể tổng hợp trong các lò phản ứng hạt nhân công suất lớn, với quy trình phức tạp và chi phí khổng lồ. Để sản xuất được một vài miligam Cf-252, các nhà khoa học phải mất nhiều tháng chiếu xạ curium hoặc plutonium bằng neutron. Sản lượng toàn cầu hằng năm chỉ đạt vài trăm miligam, đủ để thấy rằng việc sở hữu một gram californium gần như là bất khả thi với cá nhân hay tổ chức ngoài phạm vi nghiên cứu hạt nhân. Chính sự khan hiếm này khiến californium-252 trở thành một trong những hóa chất đắt nhất hành tinh, với giá trị thị trường ước tính vào khoảng 27 triệu USD cho mỗi gram, vượt xa vàng, bạch kim hay rhodium.

Giá trị của californium không chỉ đến từ hiếm có mà còn từ khả năng ứng dụng thực tiễn. Đồng vị Cf-252 phát ra lượng neutron cao gấp nhiều lần so với các nguồn neutron thông thường, khiến nó trở thành công cụ độc nhất vô nhị trong một số lĩnh vực công nghiệp và y học. Trong ngành năng lượng hạt nhân, californium được dùng để khởi động lò phản ứng, đóng vai trò như một “mồi” hạt nhân, giúp duy trì phản ứng dây chuyền ổn định ngay từ những giai đoạn đầu. Trong địa chất và thăm dò khoáng sản, nguồn neutron của Cf-252 được ứng dụng để phát hiện mỏ dầu khí và quặng vàng thông qua kỹ thuật phân tích neutron, mang lại hiệu quả vượt trội so với các phương pháp khảo sát truyền thống. Trong y học, californium còn được nghiên cứu để xạ trị ung thư, đặc biệt trong điều trị các khối u kháng xạ trị bằng tia gamma hay X-quang thông thường.

3. Helium-3

Helium là một nguyên tố khí hiếm, có ký hiệu He và số nguyên tử là 2, nằm ở vị trí thứ hai trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Helium-3 (hay heli-3) là một đồng vị đặc biệt, mang số khối 3 thay vì 4 như đồng vị phổ biến trong tự nhiên. Mặc dù thuộc nhóm khí trơ, nhưng helium-3 lại không đơn thuần chỉ là một loại khí hiếm, mà còn được xem như một trong những nguồn tài nguyên chiến lược của tương lai. Sự quý hiếm của nó, cùng với tiềm năng ứng dụng vượt trội trong công nghệ năng lượng và khoa học hiện đại, khiến nó còn được mệnh danh là “kim cương xanh” trong thế giới hóa chất.

Trong tự nhiên, helium-3 xuất hiện với tỷ lệ cực kỳ thấp, chỉ khoảng 0,000137% trong tổng lượng heli trên Trái Đất. Phần lớn lượng khí này có mặt trong khí quyển hay khí thiên nhiên đều đến từ sự phân rã của triti (hydrogen-3). Do vậy, việc thu thập tại Trái Đất gặp nhiều khó khăn và tốn kém, khiến giá thành của nó cực kỳ cao, có thời điểm lên tới hàng chục nghìn USD cho mỗi lít khí. Đáng chú ý hơn, nhiều nghiên cứu cho rằng Mặt Trăng chứa trữ lượng helium-3 dồi dào, được tích tụ qua hàng tỷ năm từ gió Mặt Trời. Chính phát hiện này đã biến nó trở thành mục tiêu khai thác tiềm năng trong các chương trình thám hiểm không gian, mở ra viễn cảnh một “cuộc chạy đua” mới về năng lượng ngoài Trái Đất.

Giá trị của helium-3 không chỉ đến từ độ hiếm mà còn từ khả năng ứng dụng mang tính chiến lược. Ứng dụng được kỳ vọng nhất chính là trong nhiệt hạch hạt nhân (công nghệ sản xuất năng lượng sạch dựa trên sự hợp nhất hạt nhân) mô phỏng quá trình diễn ra trong lòng Mặt Trời. Khi tham gia phản ứng nhiệt hạch với deuteri, helium-3 có khả năng giải phóng năng lượng khổng lồ mà không tạo ra neutron tự do, từ đó giảm thiểu chất thải phóng xạ vốn là một trong những vấn đề nan giải của năng lượng hạt nhân truyền thống. Chính đặc điểm này khiến helium-3 trở thành ứng viên sáng giá cho việc sản xuất năng lượng sạch, bền vững, và an toàn hơn nhiều so với công nghệ hiện tại.

Ngoài lĩnh vực năng lượng, nó còn có những ứng dụng thực tế khác nhưng không kém phần quan trọng. Nó được sử dụng trong các máy dò neutron nhạy cao, phục vụ giám sát an ninh hạt nhân và nghiên cứu khoa học. Đồng vị này cũng đóng vai trò trong công nghệ làm lạnh siêu thấp (cryogenics), cho phép đạt đến nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối, mở ra các nghiên cứu về siêu dẫn và vật lý lượng tử. Trong y học, được ứng dụng trong kỹ thuật chụp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) để khảo sát chi tiết phổi, cung cấp hình ảnh rõ nét hơn so với phương pháp chụp truyền thống.

4. Rhodium

Rhodium là một trong những kim loại hiếm và đắt giá nhất từng được con người khám phá, thuộc nhóm bạch kim, ký hiệu Rh và số hiệu nguyên tử 45. Với màu trắng bạc sáng bóng, độ bền hóa học vượt trội và khả năng chống ăn mòn hầu như tuyệt đối, rhodium không chỉ là một vật liệu công nghiệp quan trọng mà còn được ví như “kim loại của kim loại quý”, đứng trên cả vàng và bạch kim về độ hiếm lẫn giá trị thương mại.

Trong tự nhiên, rhodium xuất hiện với hàm lượng cực kỳ thấp. Trữ lượng toàn cầu ước tính chưa đến 0,001 phần triệu trong lớp vỏ Trái Đất, nghĩa là hiếm hơn vàng hàng chục lần. Việc khai thác rhodium cũng không hề trực tiếp; nó thường chỉ được tách chiết như sản phẩm phụ trong quá trình luyện bạch kim hoặc niken. Chính điều này khiến nguồn cung rhodium luôn hạn chế và phụ thuộc nhiều vào tình hình khai thác các kim loại khác. Với mức giá cao gấp hàng chục lần giá vàng khiến nó trở thành một trong những kim loại đắt nhất hành tinh.

Giá trị của rhodium không chỉ nằm ở sự khan hiếm mà còn ở những ứng dụng thực tiễn mang tính chiến lược. Quan trọng nhất là vai trò của nó trong bộ xúc tác khí thải (catalytic converters) của ngành công nghiệp ô tô. Rhodium có khả năng xúc tác đặc biệt hiệu quả trong việc khử khí NOx (oxit nitơ), một trong những khí thải nguy hại gây ô nhiễm không khí và tạo mưa axit. Chỉ cần một lượng nhỏ rhodium cũng đủ nâng cao đáng kể hiệu quả xử lý khí thải, góp phần giảm thiểu tác động môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt trên toàn cầu. Đây chính là lý do nhu cầu rhodium luôn duy trì ở mức cao bất chấp giá trị thương mại đắt đỏ.

Ngoài công nghiệp ô tô, rhodium còn được sử dụng trong mạ điện trang sức và thiết bị y tế, nhờ khả năng tạo ra bề mặt sáng bóng, chống xỉn màu và bền vững theo thời gian. Một lớp phủ rhodium mỏng trên trang sức vàng trắng hay bạc có thể tạo nên độ sáng gương đặc trưng, đồng thời bảo vệ kim loại nền khỏi sự ăn mòn. Trong lĩnh vực công nghiệp, rhodium cũng được ứng dụng trong sản xuất gương phản xạ cao, nhiệt kế chịu nhiệt độ cao, và hợp kim đặc biệt dùng trong môi trường khắc nghiệt.

5. Iridium

Iridium là một trong những kim loại hiếm và bền nhất mà nhân loại từng biết đến, thuộc nhóm bạch kim, ký hiệu Ir và số hiệu nguyên tử 77. Nếu rhodium được coi là “kim loại sáng” nhờ khả năng phản xạ và giá trị thương mại, thì iridium lại nổi bật nhờ độ bền hóa học gần như tuyệt đối cùng câu chuyện gắn liền với lịch sử Trái Đất và vũ trụ.

Trong lớp vỏ Trái Đất, iridium cực kỳ khan hiếm, với hàm lượng trung bình chỉ khoảng 0,001 phần triệu, tương đương với rhodium và thấp hơn nhiều so với vàng hay bạch kim. Sự hiếm hoi này khiến việc khai thác iridium trở nên vô cùng khó khăn, chủ yếu thu được như sản phẩm phụ trong quá trình tinh luyện bạch kim và niken. Tuy nhiên, điểm thú vị là iridium lại xuất hiện với tỷ lệ cao hơn nhiều trong thiên thạch và các vật chất ngoài Trái Đất. Chính vì vậy, sự hiện diện bất thường của lớp trầm tích giàu iridium ở ranh giới địa chất K-Pg được xem là bằng chứng quan trọng cho giả thuyết thiên thạch khổng lồ đã va chạm Trái Đất cách đây 66 triệu năm, dẫn đến sự tuyệt chủng hàng loạt của loài khủng long. Nhờ đó, iridium không chỉ là một nguyên tố hiếm, mà còn là “chữ ký vũ trụ” để giải mã lịch sử hành tinh.

Tương tự rhodium, giá trị thương mại của iridium cũng nằm ở mức cao gấp hàng chục lần vàng. Giá trị này đến từ những ứng dụng công nghiệp độc nhất vô nhị. Với độ cứng và khả năng chống ăn mòn cực tốt, iridium được dùng để chế tạo các hợp kim siêu bền, đặc biệt trong những môi trường khắc nghiệt như lò phản ứng hạt nhân, buồng đốt tên lửa, hay điện cực trong công nghệ điện phân. Nhờ điểm nóng chảy rất cao (2.446 °C) và tính trơ hóa học, iridium thường xuất hiện trong các dụng cụ thí nghiệm đặc biệt, chẳng hạn chén nung chịu nhiệt độ cực cao mà không bị biến dạng hay ăn mòn.

Một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của iridium là trong định chuẩn khối lượng quốc tế. Thanh chuẩn kilôgam nguyên mẫu từng được chế tạo từ hợp kim platinum–iridium, nhờ độ bền hóa học và khả năng duy trì khối lượng ổn định trong hàng thế kỷ. Ngoài ra, iridium còn được sử dụng trong thiết bị y tế cấy ghép, dụng cụ phẫu thuật, và cả trong các loại bút cao cấp, nơi ngòi bút được gia cường bằng iridium để đảm bảo độ bền và khả năng viết mượt mà.

6. Platinum

Platinum (hay bạch kim), là một trong những kim loại quý hiếm nổi tiếng nhất trên thế giới, ký hiệu Pt, mang số hiệu nguyên tử 78 và thuộc nhóm bạch kim. Nếu vàng được coi là thước đo truyền thống của sự giàu có, thì bạch kim từ lâu đã được xem là biểu tượng của sự đẳng cấp và bền vững, vượt xa vàng cả về độ hiếm lẫn giá trị công nghiệp.

Trong tự nhiên, platinum xuất hiện với hàm lượng thấp, khoảng 0,005 phần triệu trong lớp vỏ Trái Đất, hiếm hơn vàng nhiều lần. Các mỏ platinum chủ yếu tập trung tại Nam Phi, Nga và một số khu vực ở Bắc Mỹ, chiếm phần lớn nguồn cung toàn cầu. Việc khai thác bạch kim phức tạp hơn vàng, đòi hỏi quy trình tuyển tách tinh vi để thu được kim loại nguyên chất. Chính vì nguồn cung hạn chế và chi phí khai thác cao, bạch kim thường giữ giá trị thương mại ổn định ở mức cao, có thời điểm vượt giá vàng, trở thành kim loại chiến lược vừa quý vừa hiếm.

Điểm khiến platinum khác biệt nằm ở sự kết hợp hoàn hảo giữa tính chất hóa học và cơ học. Đây là kim loại có độ trơ hóa học cao, hầu như không bị oxy hóa hay ăn mòn ngay cả trong môi trường axit mạnh. Cùng với nhiệt độ nóng chảy cao (1.768 °C), platinum đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ ổn định tuyệt đối. Trong công nghiệp, platinum đóng vai trò trọng yếu trong xúc tác hóa học, đặc biệt trong các bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô, nơi nó cùng với rhodium và palladium giúp xử lý khí thải độc hại, góp phần bảo vệ môi trường. Platinum cũng được sử dụng trong sản xuất axit nitric, phân bón, chất dẻo và nhiều quy trình hóa học quan trọng khác.

Ngoài công nghiệp, platinum còn có vị trí không thể thay thế trong y học và công nghệ cao. Một số hợp chất của bạch kim như cisplatin, carboplatin, đã trở thành thuốc hóa trị hiệu quả trong điều trị ung thư, nhờ khả năng can thiệp vào quá trình nhân đôi DNA của tế bào ung thư. Trong lĩnh vực công nghệ, nó được ứng dụng trong chế tạo thiết bị điện tử, pin nhiên liệu, và cả trong công nghệ hàng không vũ trụ. Khả năng duy trì tính ổn định trong điều kiện khắc nghiệt khiến platinum trở thành một trong những vật liệu chiến lược cho tương lai năng lượng sạch và công nghệ cao cấp.

FAQ

Hóa chất đắt nhất thế giới hiện nay là gì?

Hóa chất đắt nhất hiện nay là Californium-252, có giá khoảng 27 triệu USD/gram. Ngoài ra, về lý thuyết, antimatter (phản vật chất) còn đắt hơn gấp nhiều lần nhưng chưa thể thương mại hóa.

Nguyên tố nào hiếm nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học?

Astatine (At) là nguyên tố hiếm nhất trong tự nhiên, toàn bộ Trái Đất chỉ có chưa tới 1 gram tồn tại ở dạng tự nhiên tại một thời điểm.

Kim loại nào quý hiếm và đắt hơn vàng?

Rhodium (Rh), Iridium (Ir) và Platinum (Pt) là những kim loại quý hiếm hơn vàng và có giá trị thương mại cao hơn nhiều lần.

Vì sao Helium-3 được gọi là “kim cương xanh” của năng lượng?

Helium-3 là đồng vị cực hiếm của heli, được coi là “kim cương xanh” vì tiềm năng ứng dụng trong nhiệt hạch hạt nhân tạo ra nguồn năng lượng sạch, bền vững cho tương lai.

Có thể sở hữu cá nhân những hóa chất này không?

• Một số kim loại quý hiếm như Rhodium, Iridium, Platinum có thể mua bán hợp pháp dưới dạng mẫu sưu tầm hoặc đầu tư.
• Các nguyên tố phóng xạ hoặc hạt nhân (Californium, Astatine, Antimatter, Helium-3) không thể sở hữu cá nhân vì lý do an toàn và kiểm soát nghiêm ngặt.