【元素図鑑】ヘリウム He【原子番号2】

ヘリウムは、元素記号 He、原子番号2 の化学元素である。無色、無臭、無味、無毒、不活性な単原子ガスで、周期表では希ガス族の第1位。沸点と融点は全元素の中で最も低い。観測可能な宇宙では2番目に軽く、2番目に豊富な元素である（水素が最も軽く、最も豊富である）。元素全体の約24%の質量で存在し、これはすべての重元素を合わせた質量の12倍以上である。これは、ヘリウムに続く3つの元素に対して、ヘリウム4の核結合エネルギー（核子あたり）が非常に高いためである。ヘリウム4は核融合や放射性崩壊の産物であることも、この結合エネルギーによるものである。宇宙に存在するヘリウムのほとんどはヘリウム4であり、その大部分はビッグバンで形成されたものである。星の中で水素が核融合することで、大量の新しいヘリウムが作られる。

ヘリウムは、1868年の日食の際に、ジョルジュ・レイエ、C・T・ヘイグ大尉、ノーマン・R・ポグソン、ジョン・ハーシェル中尉によって、未知の黄色いスペクトル線の特徴として初めて検出され、その後、フランスの天文学者ジュール・ジャンセンによって確認された。ジャンセンは、ノーマン・ロッキャーとともに、この元素を検出したことでしばしば共同してクレジットされている。ジャンセンは1868年の日食の際にヘリウムのスペクトル線を記録し、ロッキアはイギリスからそれを観測した。ロッキャーは、この線が新元素によるものであることを最初に提唱し、その元素に名前をつけた。1895年、化学者のサー・ウィリアム・ラムジー、ペル・テオドル・クレーヴ、ニルス・アブラハム・ラングレーが、ウラン鉱石クレバイトからヘリウムが発生していることを発見し、この元素の正式な発見となった。1903年には、今日ヘリウムガスの最大の供給国であるアメリカの天然ガス田から大量のヘリウムが発見された。

液体ヘリウムは、低温工学（単一用途としては最大で、生産量の約4分の1を占める）と超伝導磁石の冷却に使用されており、主な商業用途はMRIスキャナーである。ヘリウムは、加圧ガスやパージガス、アーク溶接の保護雰囲気、シリコンウェハー製造のための結晶成長など、その他の工業用途で生産量の半分を占めている。また、気球や飛行船の昇降用ガスとしての利用もよく知られているが、これはマイナーな用途である。また、空気と密度が異なる他の気体と同様に、少量のヘリウムを吸い込むと、一時的に人間の声の音色や質が変化する。科学研究において、ヘリウム-4の2つの流体相（ヘリウムIとヘリウムII）の挙動は、量子力学の研究者（特に超流動の特性）および絶対零度付近の物質で生じる超伝導などの現象を研究する研究者にとって重要なものである。

地球上では、大気中に5.2 ppmという比較的少ない量である。地球上に存在するヘリウムのほとんどは、重い放射性元素（トリウムやウランなど）の自然放射性崩壊によって作られたもので、この崩壊によって放出されるアルファ粒子はヘリウム4原子核からなる。この放射性ヘリウムは、天然ガス中に体積比で7%も含まれており、分留と呼ばれる低温分離プロセスによって商業的に取り出されている。大気中に放出されるとすぐに宇宙空間に逃げてしまうため、再生不可能な資源である地上ヘリウムは、これまでますます不足すると考えられていた。しかし、最近の研究では、放射性崩壊によって地中深くに生成されたヘリウムが、火山活動によって放出された天然ガス中に予想以上に多く蓄積されていることが示唆されています。

基本情報

和名	ヘリウム
英名	Helium
語源	ギリシャ語 「太陽(helios)」
元素記号	He
原子量	4.003
常温（25℃）での状態	気体
色	無色
臭い	無臭
密度	0.1785 g L-1 (気体, -0.15℃)
融点	-272.2℃（加圧下）
沸点	-268.934℃
発見者	ロッキャー（イギリス, 1871年）
含有鉱物	クレーべ石（閃ウラン鉱の一種）

名前の由来

更新をお待ちください。

主な用途

更新をお待ちください。

生成方法

更新をお待ちください。

化合物

ヘリウムは価数が0であり、通常の条件下では化学的に反応しない。電離しない限り、電気絶縁体である。他の希ガスと同様に、ヘリウムは準安定エネルギー準位を持っており、電離電位以下の電圧の放電で電離したままであることが可能である。ヘリウムはグロー放電や電子線照射、プラズマ化によって、タングステン、ヨウ素、フッ素、硫黄、リンなどとエキシマーと呼ばれる不安定な化合物を形成することがある。分子化合物のHeNe、HgHe₁₀、WHe₂や分子イオンのHe⁺²、He₂⁺²、HeH⁺、HeD⁺はこの方法で作られたものである。HeH⁺も基底状態では安定だが、非常に反応性が高い。既知の最強のブレンステッド酸であり、接触した分子や対アニオンをすべてプロトン化するため、孤立してしか存在できない。この手法により、多数のバンドシステムを持つ中性分子He₂や、分極力のみで結合しているように見えるHgHeも生成された。

ヘリウムのファンデルワールス化合物は、極低温のヘリウムガスと他の物質の原子を用いて、LiHeとHe2のように形成することもできる。

理論的には、2000年に発見されたHArFに類似したヘリウムフルオロハイドライド（HHeF）のような、他の真の化合物も可能であろう。計算では、ヘリウムと酸素の結合を持つ2つの新しい化合物が安定である可能性を示している。CsFHeOとN(CH₃)₄FHeOは、台湾のグループが2005年に初めて理論化した準安定なFHeO^–アニオンの誘導体で、理論によって予測された新しい分子種である。もし実験で確認されれば、安定な化合物が知られていない元素はネオンのみとなる。

ヘリウム原子は、高圧下で加熱することにより、中空の炭素カゴ分子（フラーレン）の中に挿入されている。形成された内包フラーレン分子は、高温でも安定である。このフラーレンの化学誘導体を形成すると、ヘリウムは内部に留まる。ヘリウム3を用いると、ヘリウム核磁気共鳴分光法で容易に観測することができる。ヘリウム-3を含むフラーレンは多数報告されている。ヘリウム原子は共有結合やイオン結合で結合していないが、これらの物質は他の化学量論的化合物と同様に明確な性質と明確な組成を持っている。

高圧下では、ヘリウムは他の様々な元素と化合物を形成することができる。ヘリウム-窒素クラスレート（He(N₂)₁₁）結晶は、ダイヤモンドアンビルセルを用いて、室温、圧力約10 GPaで成長させたものである。絶縁体であるNa₂Heは113 GPa以上の圧力で熱力学的に安定であることが示されている。これは蛍石構造を持つ。

主な特徴

更新をお待ちください。

研究事例

更新をお待ちください。

筆者の薦める1冊