헬륨

헬륨
원소 정보
기호	He
원자 번호	2
전자 수	2 (준위별)
원자의 성질
원자 질량	4.003 Da
반지름	원자 31 pm
전기 음성도	N/A (폴링 척도)
이온화 에너지	1차
물리적 성질
상태 (STP)	기체
밀도	0.1786 g/cm3
결정 구조	육방정계
녹는점	-272.20 °C
끓는점	-268.928 °C
융해열	0.0138 kJ/mol
기화열	0.0829 kJ/mol

전 우주를 통틀어서 두 번째로 흔한 원소. 그런데 지구상에서는 매우 희귀한 원소이다. 실제로 헬륨의 발견도 태양의 선스펙트럼(황색이다)을 관측하는 과정에서 그 존재가 발견되었으며, 태양에서 발견되었다고 하여 그리스 신화의 태양신인 헬리오스에서 이름을 명명하였다.

금속성 원소에 붙는 어미 ~ium이 붙었지만 금속이 아니다. 그게, 스펙트럼을 분석해서 헬륨을 발견할 때는 이게 금속인 줄 알고 -ium 접미사를 붙였다가 실제로 추출해놓고 보니까 금속이 아니어서 새된 케이스라고. 지구상에서의 헬륨은 주로 천연가스와 함께 추출되는데, 이는 지각 내 방사성원소의 알파붕괴에서 생성된 알파선(알파선 자체가 헬륨의 원자핵이다)이 천연가스전에 갇혀 있다가 함께 추출되는 것으로 알려져 있다.

특성

비활성기체중에서도 가장 반응성이 작다. 애초에 헬륨 기체도 단원자상태로만 존재하며, 어지간한 조건에서는 반응하지 않는다. 원소계의 깡패플루오르와 고압, 극저온에서 반응한다고 한다.

모든 원소 중 녹는점과 끓는점이 가장 낮다. 어느 정도냐면, 1기압에서는 고체가 존재하지 않는다. 고체 헬륨을 만들려면 1~1.5K에서 2.5 MPa 정도의 압력까지 가해야 한다. 1기압에서 온도를 무작정 낮추면 고체가 아니라 초유체라고 하는 상태로 상전이한다.

헬륨은 물에 가장 용해되지 않는 기체 중의 하나이며, 굴절률은 1에 가깝다.

헬륨은 표준 조건에서 단원자 분자로 존재한다.

헬륨은 원자량이 적어 수소를 제외하고는 열 전도성, 비열, 기체상의 음속이 다른 기체보다 모두 크다. 아울러 헬륨은 공기보다 고체를 통과해 확산하는 속도가 3배 빠르며, 이는 수소의 확산 속도의 약 65%이다.

극저온에서 초전도성을 보인다.

헬륨 I

4.22K의 끓는점 이하와 2.1768K의 람다 점 이상에서는 동위원소 4He가 정상적인 무색의 액체 상태로 존재하고 이를 헬륨 I이라고 한다. 다른 극저온 액체와 마찬가지로 헬륨 I은 가열하면 끓고, 온도가 낮아지면 수축한다. 반면에 람다 점 이하에서는 헬륨이 끓지 않고, 온도를 더 낮추면 오히려 팽창한다.

헬륨 II

람다 점 이하의 액체 헬륨을 일컫는 헬륨 II는 특별한 성질을 가지는데, 열 전도성이 매우 커서 끓게 되면 기체가 발생하지 않고 표면으로부터 증발한다. 3He도 초유체 상을 가지지만 이는 더 낮은 온도에서만 가능하다. 일반적인 액체와는 다르게 헬륨 II는 표면을 타고 올라와서 결과적으로 표면을 같은 높이로 만들 수 있다.

헬륨 만들기

공업적으로는 천연가스 중에서 분리 제조되는 것이 가장 많은데, 헬륨이 극저온에서도 얼지 않는 특성을 이용하여 공존하는 다른 가스를 저온고압으로 액화하여 제거한 다음 일정 순도의 헬륨을 얻는다.

용도

수소보다는 무겁고 비싸지만 그래도 공기보다 가볍고 비활성기체인 덕분에 비행선에 많이 애용된다. 공중에 뜨는 풍선에도 헬륨이 들어 있다.

헬륨을 들이마시고 말하면 목소리가 높게 변해 큰 웃음을 준다. 이는 소리의 전달 속도가 보통 공기보다 3배정도 빠르기 때문이다. 하지만 이 장난을 하겠다고 헬륨을 잔뜩 들이마셨다간 질식사할 수 있다.

액체 헬륨은 아주 차갑기 때문에 냉각재로 연구소에서 많이 쓰인다. LHC는 가동할 때마다 액체 헬륨을 들이부어 초전도 자석을 유지한다.

네온과 함께 헬륨-네온 레이저에 사용된다.

헬륨 화합물

헬륨은 비활성 기체이지만 화합물이 존재한다. 대표적으로, 우주 초기에 만들어진 최초의 산이라고 생각되는 수소 이온화 헬륨(HeH⁺)이 있고, 그 외에도 리튬-헬륨 화합물(LiHe), 헬륨 이량체(He₂)가 존재한다.