2 He ヘリウム 4.003
希ガス s-block Period 1 Group 18

ヘリウム

He · Element 2 · Noble gases

Inert, weightless and permanently escaping: helium is the only element that will not freeze at ordinary pressure, no matter how cold you make it.

20°Cでの状態 気体
原子量 4.003 u
ELECTRON CONFIGURATION 1s²

構造

ヘリウム原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された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

性質一覧

各バーは、その性質についてヘリウムが118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

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 0.15 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%

同定

元素記号He
原子番号2
原子量4.003 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 Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a ヘリウム atom?

Radius 31 pm — that is 0.031 nm, so about 16129 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

ヘリウム is liquid over a 3 K window, from 1 K to 4 K.

位置

表での位置

ヘリウム sits in period 1, group 18. Everything in group 18 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 希ガス

All 希ガス

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特別な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で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、地球上では非常にまれです。

驚くべき物理的性質

ヘリウムは、一般的な経験では考えにくい性質を示します。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、ヘリウムは液体のままです。2.17Kでは、ヘリウム-4は粘度ゼロの超流動体となり、上方や分子サイズの細孔を通って流れることができます。

希ガスの特徴

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

ヘリウム-3(³He):存在度0.000137% - 非常にまれで、1グラムあたり$15,000の価値がある潜在的な核融合燃料

用途

ヘリウムの用途

ハイテク分野での用途

🎈 消費・エンターテインメント

  • 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: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・飛行船型広告機: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・医療への応用

  • 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、深さ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:化学的不活性と熱伝導率により、ガスクロマトグラフィーのキャリアガスとして使われます

🚀 航空宇宙・技術

  • ロケットエンジンの冷却:SpaceX 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 Space Telescope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の際に不活性雰囲気を作ります

🔬 研究への応用

  • 粒子加速器:Large Hadron Collider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は中性子の検出や、将来の核融合炉に利用されます
  • 低温物理学研究: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

単純窒息性ガス - 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
  • 警告性質なし: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、高い場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PEL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:低酸素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
  • 衣服:冷たい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、換気のよい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:圧力逃がしシステム付きの専用デュワーに保管してください
  • 取り扱い:適切な吊り上げ装置を使用し、ボンベを決して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
  • 上から下へ区域を換気してください(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出器を使って漏れを確認してください

吸入事故

  • 直ちに被害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
  • 利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
  • 意識のない被害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
  • 凍傷にな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
  • 重度の凍傷については直ちに医療機関を受診してください

⚠️ 特別な注意事項

  • 純粋なヘリウムを決して吸入しないでください:急速に意識を失う可能性があります
  • 風船に関する警告:風船から何度も吸入すると、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
  • 圧力システム: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

What is ヘリウム?

ヘリウム (symbol He) is element 2 on the periodic table, a 希ガス in period 1, group 18. Inert, weightless and permanently escaping: helium is the only element that will not freeze at ordinary pressure, no matter how cold you make it. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of ヘリウム?

ヘリウム's ground-state electron configuration is 1s², giving 1 occupied shell holding 2 electrons respectively. Its outer shell holds 8 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of ヘリウム?

ヘリウム melts at 1 K (-272.2 °C) and boils at 4.2 K (-268.9 °C).

What is the atomic mass of ヘリウム?

The standard atomic weight of ヘリウム is 4.003 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is ヘリウム?

ヘリウム is a gas at room temperature; its density is about 0.178 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.

Who discovered ヘリウム, and when?

ヘリウム was discovered in 1868 by Pierre Janssen & Norman Lockyer. It is named after greek helios, the Sun — found there before Earth.

How common is ヘリウム on Earth?

ヘリウム makes up about 0.52 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.