2 He ヘリウム 4.003
希ガス sブロック 1周期 18族

ヘリウム

He · 元素 2 · 希ガス

不活性で、重さを感じさせず、絶えず逃げていく元素です。ヘリウムは、どれほど冷やしても、通常の圧力では凍らない唯一の元素です。

20°Cでの状態 気体
原子量 4.003 u
電子配置1s²

構造

ヘリウムの原子

リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

物性表

各バーは、その性質についてヘリウムが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。

物理的性質

密度 1.78e-4 g/cm³ 1%
融点 1 K 0%
沸点 4.2 K 0%
比熱 5.193 J/g·K
熱伝導率 0.151 W/m·K 10%

原子

原子半径 31 pm 0%
共有結合半径 28 pm
ファンデルワールス半径 140 pm

電子

電気陰性度 —
イオン化エネルギー 2372.6 kJ/mol 100%
電子親和力 —

存在

地殻中の存在度 0.52 mg/kg 48%

同一性

元素記号He
原子番号2
原子量4.0026 u
分類希ガス
ブロックs
結晶構造六方最密充填
酸化数0
発見年1868
発見者Pierre Janssen & Norman Lockyer

出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。

大きさ、実寸比

ヘリウムの原子はどのくらいの大きさですか?

半径31 pmです。これは0.031 nmなので、約16.13百万個を横に並べると1ミリメートルになります。

熱範囲

固体、液体、気体—そしてそのとき

ヘリウムは、1 Kから4 Kまでの3 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

ヘリウムは周期1、族18に位置します。 族18のすべての元素は最外殻電子数が同じであるため、非常によく似た性質を示します。

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物語

ヘリウムとは何か、そしてどのように発見されたか

宇宙時代の元素

ギリシャ神話の太陽神ヘリオスにちなんで名付けられたヘリウムは、地球より先に宇宙で発見された唯一の元素という独特の特徴を持っています。1868年の日食の際に太陽のスペクトルから初めて検出されたヘリウムは、宇宙で2番目に存在度の高い元素である一方、地球上では最も希少な元素の一つです。

驚異的な物理的性質

ヘリウムは、一般的な経験では考えにくい特異な性質を示します。通常の圧力では固体に凍結できない唯一の元素です。絶対零度(-273.15°C)でも、圧力が25気圧を超えない限り液体のままです。2.17Kでは、ヘリウム4が粘度ゼロの超流動体となり、上向きに流れたり、分子サイズの細孔を通り抜けたりできます。

希ガスの特性

周期表で最初の希ガスであるヘリウムは、既知のあらゆる条件下で完全に化学的に不活性です。その電子配置(1s²)は閉殻を示しており、最も安定した元素となっています。天然にはヘリウム化合物は存在しませんが、実験室条件では特殊な水素化ヘリウムイオン(HeH⁺)が作られています。

同位体の性質

ヘリウム4(⁴He):存在度99.999863% — 放射性元素のアルファ崩壊によって生成されます

ヘリウム3(³He):存在度0.000137% — 極めて希少で、1グラム当たり$15,000の価値がある可能性のある核融合燃料です

用途

ヘリウムの用途

ハイテク分野での用途

🎈 消費・娯楽

  • パーティー用風船:空気の7分の1の密度により浮力を生みます
  • 声の変化:ヘリウムを吸入すると声帯の共鳴が変化し、高い声になります(注意:危険な場合があり、窒息を引き起こす可能性があります)
  • 飛行船・飛行船型気球:Goodyearの飛行船は、安全で不燃性の浮力を得るために200,000立方フィート以上のヘリウムを使用します

🧪 科学・医療用途

  • MRI磁石:超伝導磁石を4.2K(-269°C)まで冷却します。各MRI装置には1,500〜1,700リットルが必要です
  • 呼吸用混合気:ヘリオックス(ヘリウム80%、酸素20%)は、重症ぜんそくや減圧症の治療に用いられます
  • 深海潜水:トライミックス(ヘリウム、窒素、酸素)は、深度30メートルを超える場所での窒素酔いを防ぎます
  • 漏れ検出:ヘリウムは原子サイズが小さいため、真空システムやパイプラインの微小な漏れの検出に適しています
  • クロマトグラフィー:化学的に不活性で熱伝導率が高いため、ガスクロマトグラフィーのキャリアガスとして使用されます

🚀 航空宇宙・技術

  • ロケットエンジンの冷却:SpaceXのFalcon 9は、燃料タンクの加圧とエンジンの冷却にヘリウムを使用します
  • 衛星の姿勢制御:コールドガススラスターは、加圧したヘリウムを使って宇宙機を正確に操縦します
  • 望遠鏡の冷却:James Webb宇宙望遠鏡の装置は、赤外線検出のため液体ヘリウムで7Kまで冷却されます
  • 半導体製造:ケイ素チップの製造やイオン注入中に不活性雰囲気を作ります

🔬 研究用途

  • 粒子加速器:大型ハドロン衝突型加速器は、超伝導磁石の冷却に130トンの液体ヘリウムを使用します
  • 核研究:ヘリウム3は中性子検出や将来の核融合炉に利用できる可能性があります
  • 低温物理研究:量子実験のために絶対零度に近い温度を実現します

取り扱い

安全性

安全性と取り扱いに関する情報

⚠️ 主な危険性

単純窒息性物質 — 酸素置換の危険

  • 窒息の危険:濃度が20%を超えると酸素を置換する可能性があります
  • 警告特性なし:無色・無臭で、機器なしでは検知できません
  • 急速な拡散:空気より軽いため上昇し、高所にたまる可能性があります

🛡️ OSHAガイドライン

  • 設定された許容ばく露限界なし:ヘリウムは生理学的に不活性です
  • 閉鎖空間の規則:閉鎖空間については29 CFR 1910.146に従ってください
  • 酸素の監視:作業区域の酸素濃度を19.5%超に維持してください
  • 換気要件:蓄積を防ぐため、十分に換気してください

🧤 個人用保護具

  • 呼吸用保護具:酸素濃度が低い環境では自給式呼吸器を使用してください
  • 目の保護:加圧システムを取り扱う際は保護眼鏡を着用してください
  • 低温保護:液体ヘリウムには断熱手袋とフェイスシールドを使用してください
  • 衣類:低温の気体や液体との皮膚接触を防ぐため、長袖と長ズボンを着用してください

📦 保管と取り扱い

  • ガスボンベ:直立させて固定し、十分に換気された場所に保管してください
  • 圧力:通常、200〜300 bar(3000〜4500 psi)で保管されます
  • 温度:ボンベを50°C(122°F)未満に保ってください
  • 液体ヘリウム:圧力逃しシステムを備えた専用デュワーに保管してください
  • 取り扱い:適切な運搬機器を使用し、ボンベを転がしたり引きずったりしないでください

🚨 緊急時の手順

ガス漏れ:

  • 直ちに新鮮な空気の場所へ避難してください
  • 区域を上から下へ換気してください(ヘリウムは上昇します)
  • 再入室する前に酸素濃度を監視してください
  • 石けん水または超音波検知器を使用して漏れを確認してください

吸入事故:

  • 直ちに被災者を新鮮な空気の場所へ移してください
  • 呼吸と意識を監視してください
  • 使用可能で、訓練を受けている場合は酸素を投与してください
  • 意識のない被災者については救急サービスに連絡してください

低温物質へのばく露:

  • 直ちに低温源から離してください
  • ぬるま湯で患部を徐々に温めてください
  • 凍った組織をこすったり、マッサージしたりしないでください
  • 重度の凍傷の場合は直ちに医療機関を受診してください

⚠️ 特別な注意事項

  • 純粋なヘリウムを絶対に吸入しないでください:急速な意識消失を引き起こす可能性があります
  • 風船に関する警告:複数の風船からヘリウムを吸入すると、死亡する可能性があります
  • 閉鎖空間:大気を継続的に監視してください
  • 加圧システム:ASMEの圧力容器規格に従ってください

簡単な回答

ヘリウム:よくある質問

ヘリウムとは何ですか?

ヘリウム(記号He)は周期表の元素2で、1周期、18族の希ガスです。 不活性で、重さを感じさせず、絶えず逃げていく元素です。ヘリウムは、どれほど冷やしても、通常の圧力では凍らない唯一の元素です。 室温では気体です。

ヘリウムの電子配置はどのようなものですか?

ヘリウムの基底状態の電子配置は1s²で、2という分布の電子殻が1個あります。 最外殻には8個の電子があり、これによって結合の性質が決まります。

ヘリウムの融点と沸点は何ですか?

ヘリウムの融点は1 K(-272.2 °C)、沸点は4.2 K(-268.9 °C)です。

ヘリウムの原子量は何ですか?

ヘリウムの標準原子量は4.003 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。

ヘリウムの密度はどのくらいですか?

ヘリウムは室温で気体です。密度は0 °C、1 atmで約0.178 g/Lで、空気よりおおむね軽いです。

ヘリウムを発見したのは誰で、いつですか?

ヘリウムは1868年にPierre Janssen & Norman Lockyerによって発見されました。 ギリシャ語の helios、太陽。地球より先にそこで発見されました。にちなんで名付けられました。

地球上でヘリウムはどのくらい一般的ですか?

地球の地殻におけるヘリウムの割合は約0.52 mg/kgで、実際に希少であるため高価です。