ヘリウム：歴史、特性、構造、リスク、用途 - 化学

ヘリウムは、シンボル彼との化学元素です。これは周期表の最初の希ガスであり、通常、その右端にあります。いくつかの化合物はどれも安定していないため、通常の状態では不活性ガスです。また、非常に速く膨張し、沸点が最も低い物質です。

人気のあるレベルでは、それは有名なガスです。無数のイベントや子供たちのパーティーでは、風船が上空で失われるまで上昇するのを目撃することが一般的であるためです。しかし、太陽系の隅々まで、そしてそれ以上に失われているのは、風船が爆発または収縮したときに放出されるヘリウム原子です。

ヘリウムで膨らんだ風船は、日常の状況でこの要素に最も近い場所にあります。出典：Pixabay。

実際、ヘリウムの風船がこのガスには不適切な慣行であると考える人もいますし、それには十分な理由があります。幸いなことに、他の化学元素から分離する物理的および化学的特性のおかげで、より重要で興味深い用途があります。

たとえば、液体ヘリウムは非常に冷たいので、金属合金のようなものはすべて凍結し、超伝導材料になります。同様に、それは超流動性を示す液体であり、ガラス容器の壁を登ることができます。

その名前は、それが地球ではなく太陽で初めて特定されたという事実に起因しています。それは宇宙全体で2番目に豊富な元素であり、その濃度は地球の地殻では無視できるほどですが、天然ガスやウランとトリウムの放射性鉱物の埋蔵量から得ることができます。

ここで、ヘリウムは別の奇妙な事実を示しています。それは、大気中よりも下層土の方がはるかに豊富なガスであり、最終的には地球とその重力場から脱出します。

歴史

ヘリウムは地球ではなく太陽で発見されましたが、実際にはその名前はギリシャ語で太陽を意味する「helios」に由来しています。元素自体の存在は、ドミトリメンデレーエフの周期表とは対照的でした。新しいガスを入れる場所がなかったためです。言い換えれば、それまでに希ガスについては何も疑われていませんでした。

英語で「ヘリウム」と書かれた「ヘリウム」の名前は、末尾が-iumで終わり、これを金属と呼んでいます。酸素、水素、フッ素、塩素、窒素以外のガスの存在が認められなかったからです。

この名前は、1868年の日食中にフランスの天文学者ジュールヤンセンがインドで観察したことをイギリスから研究したイギリスの天文学者ノーマンロッキーによって指定されました。

これは、これまで未知の元素からの黄色のスペクトル線でした。Lockyerは、これは太陽で見つかった新しい化学元素の存在が原因であると主張しました。

ほぼ20年後の1895年に、スコットランドの化学者ウィリアムラムゼイは、放射性鉱物を研究したときに、残留ガスからの同じスペクトル、クレバイトを認識しました。したがって、地球にもヘリウムがありました。

物理的及び化学的性質

外観

感電後にヘリウムのサンプルが光るアンプル。出典：化学元素の高解像度画像

ヘリウムは、味がなく、不活性でもある無色無臭のガスです。ただし、電気ショックが加えられると、電圧差によっては灰色がかった紫のかすみ（上の画像）として光り始め、その後オレンジ色に光ります。したがって、ヘリウムライトはオレンジ色です。

原子番号（Z）

二

モル質量

4.002 g / mol

融点

-272.2ºC

沸点

-268.92ºC

密度

-0.1786 g / L、通常の条件下、つまり気相。

-0.145 g / mL、融点、液体ヘリウム。

-0.125 g / mL、ヘリウムが沸騰し始めるとき。

-0.187 g / mL、0 K、25 atm、つまり、圧力と温度の特定の条件での固体ヘリウム。

三重点

2.177 Kおよび5.043 kPa（0.04935 atm）

クリティカルポイント

5.1953 Kおよび0.22746 MPa（2.2448 atm）

融合熱

0.0138 kJ / mol

気化熱

0.0829 kJ / mol

モル熱容量

20.78 J /（mol K）

蒸気圧

4.21 Kで0.9869 atm。この値は、ヘリウムの浮遊がどの程度可能であり、室温（298 K近く）で簡単に脱出できるかを示します。

イオン化エネルギー

-最初：2372.3 kJ / mol（He ⁺ガス状）

-2番目：5250.5 kJ / mol（He ²⁺ガス状）

ヘリウムのイオン化エネルギーは、気体原子が強力な実効核電荷を経験する電子を失う必要があるため、特に高いです。また、原子のサイズが小さいこと、および2つの電子が原子核（2つの陽子と2つの中性子）にどれほど「近づく」かを考慮することによっても理解できます。

溶解度

水中では、0.97 mLが水100 mLごとに0℃で溶解します。これは、難溶性であることを意味します。

反応性

ヘリウムは、自然界で2番目に反応性の低い化学元素です。通常の条件下では、それは不活性ガスであると言うのが正しいです。ヘリウム化合物に大きな圧力をかけずに部屋や実験室で操作することは決してできないようです。またはおそらく、劇的に高いまたは低い温度。

例は、ダイヤモンドアンビルセルで再現された300 GPaの圧力下でのみ安定している化合物Na ₂ Heに見られます。

Na ₂ He の化学結合は、電子が結晶内に適切に配置されているため「奇妙」ですが、単純なファンデルウォール相互作用とはほど遠いため、分子集合体に閉じ込められたヘリウム原子だけで構成されているわけではありません。。ここで、どのヘリウム化合物が実在するか、実在しないヘリウム化合物の間にジレンマが生じます。

たとえば、高圧の窒素分子はヘリウム原子をトラップして一種のクラスレートHe（N ₂）_{11を形成し}ます。

同様に、フラーレンカチオンの内包錯体C ₆₀^{+ n}およびC ₇₀^{+ nが}あり、その空洞にはヘリウム原子を収容できます。そして、分子カチオンHeH ⁺（He-H ⁺）は、非常に遠くの星雲で見られます。

酸化数

試して好奇心するために、その化合物のいずれかにおけるヘリウムの酸化数は、これがナトリウムで0に等しいことが発見される計算_2は、例えば、仮想的なナトリウムに式対応することを考えるかもしれませんしている₂⁺ I ^2- ; しかし、それは純粋なイオン特性を持っていると仮定することですが、実際にはその結合はそうではありません。

さらに、ヘリウムは2 s軌道にそれらを収容できず、エネルギー的に利用できないため、電子を獲得しません。その原子のサイズが小さく、その核の効果的な核電荷が大きいため、それらを失うこともありません。そのため、ヘリウムは常に（理論上）He ⁰原子としてその派生化合物に参加します。

構造と電子構成

ヘリウムは、マクロスケールで観測されるすべてのガスと同様に、それを保管するコンテナの体積を占め、そのため不定の形状を持っています。ただし、温度が低下し、-269℃未満に低下し始めると、ガスは凝縮して無色の液体になります。ヘリウムI、この要素の2つの液相の最初。

ヘリウムがこのような低温で凝縮する理由は、その原子をまとめる散乱力が低いためです。フェーズが考慮したものは何でも。これは、その電子構成から説明できます。

1秒²

2つの電子が1秒の原子軌道を占めています。ヘリウム原子は、ほぼ完全な球として視覚化できます。その均一な電子周辺は、核内の2つの陽子の有効核電荷によって分極される可能性はほとんどありません。

したがって、自然発生および誘導された双極子モーメントはまれであり、非常に弱いです。したがって、温度が絶対零度に近づき、He原子が十分にゆっくりと近づき、その分散力が液体を定義するようにする必要があります。ヘリウム結晶。

二量体

気相では、He原子を分離する空間は、常に互いに分離していると見なすことができるようなものです。そのため、小容量のバイアルでは、ヘリウムは放電してその原子が灰色がかった薄暗い霧でイオン化されるまで無色に見えます。

ただし、液相では、He原子は、相互作用が弱い場合でも、「無視」できなくなります。現在、分散力により、一時的に結合して二量体He-HeまたはHe ₂を形成できます。したがって、ヘリウムIは、気相中の原子と平衡状態にあるHe _2の巨大なクラスターと考えることができます。

そのため、ヘリウムIは蒸気と区別するのが非常に困難です。この液体が密閉容器からこぼれた場合、それは白っぽいフレアとして逃げます。

ヘリウムII

温度がさらに低下し、2,178 K（-270,972ºC）に達すると、相転移が発生します。ヘリウムIはヘリウムIIに変換されます。

この時点から、すでに魅力的なヘリウム液体は超流動流体または量子流体になります。つまり、それらの巨視的特性は、He ₂二量体が個別の原子であるかのように（そしておそらくそれらが個別に）現れます。滑りや「クライミング」の際に原子を止める表面がないため、完全な粘性がありません。

これが、ヘリウムIIが重力に打ち勝つガラス容器の壁を登ることができる理由です。表面が同じ温度のままであり、したがって揮発しない限り、それらがどんなに高いものであっても。

このため、液体ヘリウムはわずかな亀裂や隙間から逃げるため、ガラス容器に保管することはできません。ガスの場合と非常によく似ています。代わりに、そのような容器（デュワーズタンク）の設計にはステンレス鋼が使用されます。

結晶

温度が0 K（絶対ゼロ）に低下したとしても、He原子間の散乱力は、それらを結晶構造に秩序化するのに十分強力ではありません。凝固が発生するには、圧力が約25 atmに上昇する必要があります。次に、コンパクトな六角形ヘリウム結晶（hcp）が表示されます。

地球物理学的研究では、このhcp構造は、どの程度の圧力が増加しても（ギガパスカル、GPaまで）変化しないことが示されています。ただし、これらのhcp結晶が体心立方相（bcc）に遷移する圧力温度図には狭い領域があります。

見つけて入手する場所

コスモスと岩

ヘリウムは、宇宙で2番目に豊富な元素であり、その質量の24％を占めています。出典：Pxhere。

ヘリウムは宇宙全体で2番目に豊富な元素であり、水素に次ぐ。星は、元素合成の過程で2つの水素原子核を融合させることにより、絶え間ない計り知れない量のヘリウム原子を生成します。

同様に、α粒子を放出する放射性プロセスは、環境内の電子と相互作用する場合、ヘリウム原子の生成の源となります。たとえば、ウランとトリウムの放射性鉱物の堆積物中の岩体のものと一緒に。これらの2つの元素は、ウランから始まる放射性崩壊を受けます。

アルファ粒子の形成におけるウランの放射性崩壊。アルファ粒子は、後に地下堆積物でヘリウム原子に変換されます。出典：ガブリエルボリバル

したがって、これらの放射性鉱物が濃縮されている岩石では、ヘリウム原子がトラップされ、酸性媒体で消化されると放出されます。

これらのミネラルの一部には、クリーブアイト、カルノタイト、およびウラニナイトがあり、すべてウラン酸化物（UO ₂またはU ₃ O ₈）とトリウム、重金属、希土類の不純物で構成されています。地下水路を介して灌漑されたヘリウムは、最終的には天然ガス貯留層、鉱物泉、または隕鉄に蓄積する可能性があります。

ウランとトリウムの放射性崩壊から、リソスフェアでは年間3000トンに相当するヘリウムの質量が生成されると推定されています。

空気と海

ヘリウムは水にあまり溶けないので、遅くなるよりも早く（その起源がどこにあっても）深層から上昇し、大気の層を通過して最終的に宇宙空間に到達します。その原子は非常に小さくて軽いので、地球の重力場はそれらを大気中に保持することができません。

上記により、大気中（5.2 ppm）と海中（4 ppt）のヘリウム濃度は非常に低くなっています。

次に、これらの2つの媒体のいずれかから抽出したい場合、「最良の」オプションは空気です。これは、最初に液化してすべての成分ガスを凝縮させ、ヘリウムはガス状のままにする必要があります。

しかし、空気からヘリウムを得るのは現実的ではなく、放射性鉱物が豊富な岩から得られます。ヘリウムはその総質量の最大7％に相当する可能性があるため、天然ガスの埋蔵量から得られます。

天然ガスの液化と蒸留

空気を液化する代わりに、ヘリウムの組成が間違いなくはるかに大きい天然ガスを使用する方が簡単で収益性が高くなります。したがって、ヘリウムを得るための優れた（商業的）原料は天然ガスであり、これも分留にかけることができる。

蒸留の最終生成物は、非常に純粋なヘリウムが通過する活性炭で精製されます。そして最後に、液体ヘリウムが使用される極低温プロセスによって、ヘリウムがネオンから分離されます。

同位体

ヘリウムは自然界で主に⁴ He 同位体として存在し、その裸の核は有名なα粒子です。この⁴ He 原子には2つの中性子と2つの陽子があります。中性子が1つしかない同位体³ He は、それほど多くはありません。1つ目は2つ目よりも重い（原子質量が大きい）。

したがって、同位体ペア³ Heと⁴ Heは、測定可能な特性を定義するものであり、化学元素としてのヘリウムについて私たちが理解しているものです。³ Heは軽いので、その原子は運動エネルギーが高く、したがって超流動体に合体するためにはさらに低い温度が必要であると想定されます。

³彼はここでは、地球上の非常に希少種と考えられています。しかし、月の土壌ではより豊富です（約2000倍以上）。そのため、月は、将来の宇宙船の核燃料として使用できる³ Heの可能な供給源として、プロジェクトやストーリーの主題となっています。

ヘリウムの他の同位体の中で、それぞれの半減期とともに言及することができます：⁵ He（t _1/2 = 7.6・10 ^-22 s）、⁶ He（t _1/2 = 0.8 s）および⁸ He （t _1/2 = 0.119 s）。

リスク

ヘリウムは不活性ガスであるため、体内で発生する反応には関与しません。

その原子は、生体分子との相互作用なしに吐き出されたり吐き出されたりして、目に見える影響をもたらします。声帯から発せられる音を除いて、より高く、より頻繁になります。

気球からヘリウムを（適度に）吸い込む人は、リス（またはアヒル）の声に似た高い声で話します。

問題は、そのような人が不適切な量のヘリウムを吸入すると、その原子が酸素分子と置き換わるため、窒息の危険を冒すことです。したがって、そのヘリウムをすべて吐き出すまで呼吸できなくなります。そのヘリウムは、その圧力のために、肺組織を引き裂いたり、気圧外傷を引き起こしたりします。

説明されたばかりの理由で、ヘリウムを吸入して死亡した人々の症例が報告されています。

一方、酸素（または他の物質）に対する反応性がないため、火災の危険性はありませんが、高圧下で保管されて漏れると、物理的に危険です。

用途

ヘリウムの物理的および化学的特性は、ヘリウムを特別なガスにするだけでなく、極低温を必要とする用途に非常に有用な物質にもなります。このセクションでは、これらのアプリケーションまたは使用のいくつかについて説明します。

圧力およびブリードシステム

一部のシステムでは、圧力を上げる（加圧する）必要があります。そのためには、そのコンポーネントと相互作用しないガスを注入または供給する必要があります。たとえば、試薬や表面が望ましくない反応に敏感な場合。

このように、圧力はヘリウムの体積とともに増加させることができ、そのヘリウムの化学的不活性によりこの目的には理想的です。それが提供する不活性雰囲気は、ある場合には窒素のそれを超える。

逆のプロセス、つまりパージには、ヘリウムも使用されます。これは、その存在を除去したいすべての酸素、水蒸気、またはその他のガスを同伴するためです。このようにして、ヘリウムが空になると、システムの圧力が低下します。

リーク検出

ヘリウムはわずかな亀裂から漏れる可能性があるため、パイプ、高真空容器、または低温タンクでの漏れの検出にも役立ちます。

検出は、視覚的またはタッチで実行できる場合があります。ただし、これはほとんどの場合、検査中のシステムから逃げるヘリウムの場所と量を「通知」する検出器です。

キャリアガス

ヘリウム原子は、パージシステムで述べたように、圧力に応じて重い分子と一緒に運ばれます。たとえば、この原理はガスクロマトグラフィー分析で日常的に使用されています。これは、霧状のサンプルをカラムに沿って引きずり、固定相と相互作用させることができるためです。

風船と飛行船

ヘリウムは飛行船を膨らませるのに使用され、可燃性ガスではないため水素よりもはるかに安全です。出典：Pixabay。

空気に比べて密度が低く、酸素との反応性がないため、子供たちのパーティーで気球を膨らませるために使用されています（酸素と混合されているため、誰も呼吸できず）、飛行船（上の画像）、火災の危険性を表すものではありません。

ダイビング

ヘリウムは、ダイバーが呼吸する酸素タンクの主要コンポーネントの1つです。出典：Pxhere。

ダイバーがより深いところまで降下すると、水によって加えられる大きな圧力のために、呼吸が困難になります。そのため、酸素タンクにヘリウムを追加して、ダイバーが呼吸して吐き出すガスの密度を減らし、少ない作業で吐き出すことができます。

アーク溶接

溶接プロセスでは、電気アークが2つの金属が結合するのに十分な熱を提供します。ヘリウム雰囲気下で実行した場合、白熱金属は空気中の酸素と反応してそれぞれの酸化物になることはありません。したがって、ヘリウムはこれが起こらないようにします。

超伝導体

液体ヘリウムは、核磁気共鳴画像スキャナーで使用される磁石を冷却するために使用されます。出典：Jan Ainali

液体ヘリウムは非常に冷たいため、金属を凍結して超伝導体にすることができます。このおかげで、液体ヘリウムで冷却された非常に強力な磁石を製造することが可能になり、イメージスキャナーや核磁気共鳴分光計で使用されてきました。

参考文献

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