水素 - ヘリウム - リチウム - He Ne 周期表 外見 無色の気体 高電圧をかけると紫色に発光する ヘリウムのスペクトル 一般特性 名称, 記号, 番号 ヘリウム, He, 2 分類 希ガス 族, 周期, ブロック 18,1, s 原子量 4.002602(2) g·mol-1 電子配置 1s2 電子殻 2 (Image) 物理特性 相 気体 密度 (0 °C, 101.325 kPa) 0.1786 g/L 融点での液体密度 0.145 g·cm-3 融点 (at 2.5 MPa) 0.95 K, −272.20 °C, −457.96 °F 沸点 4.22 K, −268.93 °C, −452.07 °F 臨界点 5.19 K, 0.227 MPa 融解熱 0.0138 kJ·mol-1 蒸発熱 0.0829 kJ·mol-1 熱容量 (25 °C) 20.786 J·mol-1·K-1 蒸気圧(defined by ITS-90) 圧力(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 温度 (K) 1.23 1.67 2.48 4.21 原子特性 イオン化エネルギー 第1： 2372.3 kJ·mol-1 第2： 5250.5 kJ·mol-1 共有結合半径 28 pm ファンデルワールス半径 140 pm その他 結晶構造 六方晶系 磁性 反磁性[1] 熱伝導率 (300 K) 0.1513 W·m-1·K-1 音の伝わる速さ 972 m/s CAS登録番号 7440-59-7 最安定同位体 詳細はヘリウムの同位体を参照 同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP 3He 0.000137%* 中性子1個で安定 4He 99.999863%* 中性子2個で安定 *Atmospheric value, abundance may differ elsewhere. 表・話・編・歴 ヘリウム (英 helium,独 Helium) は原子番号 2、元素記号 He の元素である。 無色、無臭、無味、無毒で最も軽い希ガス元素である。すべての元素の中で最も沸点が低く、加圧下でしか固体にならない。ヘリウムは不活性の単原子ガスとして存在する。また、存在量は水素に次いで宇宙で2番目に多い。ヘリウムは地球の大気の0.0005%を占め、鉱物やミネラルウォーターの中にも溶け込んでいる。天然ガスと共に豊富に産出し、気球や小型飛行船の浮揚用ガスとして用いられたり、液体ヘリウムを超伝導用の低温素材としたり、深海へ潜る際の呼吸ガスとして用いられている。 目次 1 特徴 2 用途 3 歴史 3.1 発見 3.2 産出と利用 4 同位体 5 関連項目 6 脚注 編集 特徴 標準状態において、ヘリウムは単原子ガスとして存在する。ヘリウムを固化するには非常に特殊な条件下に置かなければならない。元素の中で沸点が最も低く、標準圧力下では温度を下げて絶対零度になっても不確定性原理のため液体のままであり、固化するにはさらに高い圧力をかける必要がある。液体とガスの臨界温度の差は 5.19 K しかない。固体ヘリウムはヘリウム3とヘリウム4で必要な圧力が異なり、圧力を調節して体積の30%をコントロールすることができる。ヘリウムは比熱容量が非常に高く、密度の高い蒸気となり、部屋の温度が上昇すると素早く膨張する。 固体ヘリウムは 1.5 K、2.5-3.5 MPa という非常に低い温度と高い圧力の下でしか存在できない。だいたいこのくらいの温度以上になると、相転移を起こしてしまう。これ以下の温度ではそれぞれ立方体型の分子を作っている。 ヘリウム-4の2つの液体状態、ヘリウムIとヘリウムIIは、量子力学の研究（超流動現象）において重要で、物質が超伝導を帯びるような絶対零度に近い超低温で発現する。 編集 用途 ヘリウムは空気よりも軽いため、浮揚用ガスとして使われ、広告用バルーンや天体観測用気球、軍事用偵察気球などに使用されている。ヘリウムは水素の92.64%もの浮揚力があり、燃えないため、水素よりも安全なガスとして風船のガスなど広く利用されている。 以下のような他の用途がある。 ヘリウムと酸素等との混合ガスはテクニカルダイビングなど、深海潜水用の呼吸ガスとして用いられる。ヘリウムは窒素よりも麻酔作用が少ないため、窒素中毒などの中毒症状を起こしにくい。さらにヘリウムは粘度が低いため、高圧下でも呼吸抵抗が小さく、身体からの排泄速度が速いため、使い方によっては減圧症になる可能性を低減できる。欠点として熱伝導率が高いため、体温調節が難しくなり低体温症になる危険があること、また空気と比較してはるかに高価であることがある。ヘリウムと酸素の混合ガスであるヘリオックスと、ヘリウム、酸素、窒素を混合したトライミックスがある。 ヘリウム中では音速が空気中よりずっと速い（純粋ヘリウム中では約1000m/s）ため[2]、ヘリウムを吸入してから発声すると、甲高い音色の奇妙な声が出る（ドナルドダック効果）。これに着目して、いわゆるパーティグッズとしても利用される。ヘリウムに毒性はないが、酸素を混入していないヘリウムを吸入したことによる酸欠事故がまれに起こっている。このため、パーティグッズのヘリウム缶は酸素が20%ほど含まれている。 ヘリウムは沸点、融点ともに最も低い元素であり、液体ヘリウムは他の超低温物質よりも低温となり、超伝導や低温学など、絶対零度に近い環境での研究が必要な分野で冷媒として使用されている。また、ヘリウム3とヘリウム4を使った希釈冷凍法がある。 能美防災の民生用蓄圧式消火器には、窒素の代わりに圧力源として使われている。 ガスクロマトグラフィーなどの搬送ガスとしても使用される。 水素爆弾では水素がヘリウムになる核融合反応が使用されている。 液体ヘリウムはロケットの噴射口を守る冷却剤、シリコンやゲルマニウム結晶の保護材、あるいは原子炉の冷却材、超音速風洞実験での充満ガスとして用いられている。 同位体であるヘリウム3は核融合発電の燃料としての利用が考えられている。しかし、現在熱核融合炉で想定されている温度の領域では、トリチウム燃料の場合に比べて核融合反応が起こりにくい上、地球上で天然に採取する事はほとんど不可能である。太陽から噴出した太陽風が月面に堆積した物を採取する、木星などの木星型惑星で採取する等の方法が検討されている。 液体ヘリウムはNMRやMRIの測定装置で超伝導電磁石の冷却に使われている。 ヘリウムは分子が小さく、きわめて微小な孔にも浸入可能であるため（ヘリウムを詰めた風船が時間が経つと小さくしぼみ、浮力が落ちるのはこのためである）、配管のリーク（漏れ）を高精度で非破壊検査するのに用いられることがある（配管に気体のヘリウムを流してヘリウムリークディテクタで漏れを検知する）。前述の特徴のほか、化学的に安定で人畜に無害、また大気中にほとんど存在しないため誤検出の心配がないなど、この用途には理想的な物質であるとされている。 しかしわずかな隙間にも侵入するため、潜水艦や減圧室などヘリウムの混合ガスを使用する状態において、防水として設計された時計などの隙間にも侵入し、圧力変化によって腕時計のガラスを吹き飛ばしてしまうことがある。このため、一部のダイバーズ・ウォッチにはヘリウム・エスケープ・バルブが付いており、この機構で内部のヘリウムを自動的に外へ逃がすことができる。 水素に次いで軽い気体であるため、ポンプなどを使って移動させる時に少ないエネルギーで素早く移動させる事ができる。また液体に溶けやすく人体に無害と言う特性もあり、血管内で素早く膨らませたり縮めたりすることで心臓の機能を補助するIABPのバルーンに吹き込む気体として採用されている。 編集 歴史 編集 発見 ヘリウム原子の存在を示す最初の証拠は、1868年8月18日に太陽の彩層部分の光を発光分光分析(en)した際に見つかった、波長587.49ナノメートルの黄色い輝線だった。これを発見したのは、インドのグントゥールで皆既日食を観察していたフランス人天文学者のピエール・ジャンサンだった[3]。彼は当初、この線はナトリウムを示すと考えたが、同年10月20日にイギリス人天文学者ノーマン・ロッキャーがやはり太陽光を分析して黄線を観測し、ナトリウムのフラウンホーファー線記号D1やD2に近かったことから、D3と名づけた[4]。ロッキャーは、この元素が太陽を構成する地球では知られていない元素だと結論づけ、彼とイギリスの化学者エドワード・フランクランドは、ギリシア語で太陽 (ἥλιος) を意味する「ヘリウム」と名づけた[5][6][7]。 ヘリウムのスペクトル 1882年、イタリアの物理学者ルイージ・パルミエーリ(en)は、ヴェスヴィオ山の溶岩を分析していた際に、スペクトルD3線を見つけた。これが地球上で初めてヘリウムの存在を示唆する証拠となった[8]。 1895年3月26日、イギリスの化学者ウィリアム・ラムゼー卿がクレーベ石(en)（10%以上の希土類元素を含む閃ウラン鉱）と無機酸を反応させる実験を通じてヘリウムの分離に成功し、地球上で初めて生成した。ラムゼーはアルゴンを探していたが、硫酸で発生させたガスから窒素や酸素を取り除いた残りをスペクトル分光して調べたところ、太陽光と同じD3線を発見した[4][9][10][11]。そしてこれが、ロッキャーやウィリアム・クルックスが名づけた「ヘリウム」であると同定した。実はアメリカの地球科学者ウィリアム・フランシス・ヒレブランド(en)がラムゼーに先立ち閃ウラン鉱標本の試験を行っている際に変わったスペクトルを見つけていたが、彼はこれを窒素のスペクトルと思い込んでいた。ヒレブランドはラムゼーに祝辞の手紙を送っている[12]。 原子量を計測できる程度の量は、スウェーデンウプサラ市でペール・テオドール・クレーベとアブラハム・ラングレ(en)が抽出に成功した[13][14]。 1907年（1903年?）にアーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、新しく見つかったガスをガラス管に詰めてスペクトルを調べようとした際に、粒子が薄いガラス壁を通り抜けることを見つけ、アルファ粒子がヘリウムの原子核であることを突き止めた。1908年にはオランダのヘイケ・カメルリング・オネスがガスを1K以下まで冷却し、液化に初めて成功した[15]。彼はさらに温度を下げて固体を得ようとしたが、常圧のヘリウムは三重点を持たないため、これには失敗した。しかし、1926年に、オネスの教えを受けたウィレム・ヘンドリック・ケーソンが1cm3のヘリウム固体化に初めて成功した[16]。 1938年、ロシアのピョートル・カピッツァは絶対零度近くまで冷却したヘリウム4がほとんど粘性を持っていないことを発見し、これは超流動と呼ばれた[17]。1972年には、アメリカのダグラス・D・オシェロフ、デビッド・リー、ロバート・リチャードソンによって、絶対零度に近い温度域でヘリウム3でも同じ現象が発見された[18]。 編集 産出と利用 1903年、アメリカ・カンザス州デクスター(en)で石油掘削のボーリングが行われたところ、不燃性のガスが湧き出た。カンザス在住の地質学者エラスムス・ハワース(en)がこれを収集し、ローレンス市のカンザス大学で化学者ハミルトン・キャディ(en)とデイヴィッド・マクファーランドの協力を得て成分解析を行った。その結果、ガスは質量比で窒素72%、メタン15%（酸素がなかったため燃焼しなかった）、水素1%と、残り12%の成分は解明できなかった[19]。さらに解析を進めた結果キャディとマクファーランドは、1.84%はヘリウムであることを突き止めた[20][21]。これによって、地球全体では希少であるヘリウムがアメリカのグレートプレーンズ地下に大量に存在しており、天然ガスの副産物として入手可能だということが判明した[22]。アメリカの主なヘリウム含有ガス田は、ほとんどがカンザス州、オクラホマ州、テキサス州西部の地域にある[23]。 この発見によって、アメリカ合衆国は一大ヘリウム供給国となった。第一次世界大戦時、リチャード・スレルホール卿(en)の助言を受けて、アメリカ海軍は3基の実験的な小規模ヘリウム製造設備に投資をした。これは、空気よりも軽く不燃性のガスを阻塞気球に使う目的があった。これ以前、ヘリウムガスは通算で1m3も得られていなかったのだが、この計画で生産されたガスは純度92%で5,700m3にのぼり[4]、1921年12月1日に処女航行を行った世界初のヘリウム飛行船C-7（アメリカ海軍）にも使われた[24]。 第一次世界大戦中、抽出方法は低温によるガスの液化法からそれほど改良されなかったが、生産は続けられた。当初は飛行船などの揚力ガス(en)需要が中心だったが、第二次世界大戦中にはそれに加えアーク溶接用の需要が拡大した。ヘリウム質量分析計(en)も原子爆弾を製造するマンハッタン計画で用いられた[25]。 1925年、アメリカ合衆国連邦政府は、テキサス州アマリロでヘリウム国家備蓄計画(en)を発動した。これは、民間の商用や戦時の軍用目的の飛行船へ供給体制を備えることを目的とした[4]。アメリカ軍はドイツへのヘリウム輸出を制限したが、これが水素を用いざるをえなくなったヒンデンブルグ号の爆発事故の遠因となった。大戦後にヘリウム需要は縮小したが、1950年代に入ると、宇宙開発競争や冷戦を背景としたロケットエンジンの推進剤用などへ酸素や水素の冷却用として、ヘリウムの用途は広がった。1965年、アメリカのヘリウム消費量は戦時中の最大量の8倍にもなった[26]。「ヘリウム条例1960修正条項」（Public Law 86–777）発布後、アメリカ合衆国鉱山局（USBM）は、カンザス州ブシュトン市(en)にある複数の民間所有ガス精製工場から天然ガス中のヘリウム回収を始め、これを延長684kmのパイプラインでテキサス州アマリロ近郊のクリフサイドにある国家備蓄基地へ集約した[23]。これらのヘリウム-窒素混合ガスはクリフサイド周辺のガス田に再注入され、純度向上と貯蔵を両立させた[27]。 1995年段階で、アメリカのヘリウム備蓄量は10億m3[23]（14億ドル相当）に達し、翌年に議会は貯蔵増の停止と[28]、「ヘリウム民営化条例1996」(Public Law 104–273)を採決して、2005年までに備蓄ヘリウムをすべて販売することを内務省に命じた[23][29]。ただし、備蓄分の売り切りは2015年と予想される[23]。 1930年から1945年にかけて生産され、飛行船に使われたヘリウムの純度は98.3%であった。1945年には純度99.9%ヘリウムが溶接用に少々製造された。1949年までにヘリウムはグレードA（99.95%）まで商用生産が実現した[30]。 長い間、アメリカは全世界の商用ヘリウム生産量90%以上を担って来た。その他にはカナダ、ポーランド、ロシア等でも生産された。1990年代中頃、アルジェリアのアルゼウ(en)にて、全ヨーロッパの需要量を賄う1,700万m3の新工場が稼動を開始した。2000年までにアメリカのヘリウム総需要は年間1500万kgまで増加したが[31]、2004年から2006年にかけてカタールのラス・ラファンとアルジェリアのスキクダ(en)でそれぞれ新工場の建設が行われた。2007年段階で、ラス・ラファンは稼動率50%、スキクダは未稼働の状態にある。しかし、アルジェリアはスキクダでの生産が始まれば、世界2位の供給国となる[32]。その一方で、世界的なヘリウム需要は価格とともに上昇し[33]、2007年の消費量は2002年比倍増となった[34]。需給バランスの変動により、将来は深刻なヘリウム不足と価格高騰が予測される[35]。 編集 同位体 詳細は「ヘリウムの同位体」を参照 ヘリウム原子の原子核は 2つの陽子と2つの中性子からなり、周りを2つの電子が回って構成される（ヘリウム4）。同位体にヘリウム3（陽子 2、中性子 1、電子 2）がある。 ヘリウム3は、天然には非常に僅かしか存在しないので、原子炉で生成したものが利用される。原子炉内で、リチウム6に中性子を当てると、三重水素とヘリウム4ができ、この三重水素がベータ崩壊して、ヘリウム3となる（半減期12.5年）。 そのほか、人工的に作られた同位体としては、ヘリウム6、ヘリウム8、ヘリウム10などがある。 ヘリウムの同位体を用いた地球化学的な応用は大きく分けて2つある。まず、ヘリウム3をトレーサーとした地球物質の循環を探ることができる。もうひとつは岩石中に天然に存在する放射性同位体であるウランやトリウムの放射壊変（アルファ崩壊）に伴って放出されるヘリウム4の蓄積量から、その岩石の生成年代を求めることができる（U, Th/He 放射年代測定）。 編集 関連項目 ウィキメディア・コモンズには、ヘリウムに関連するマルチメディアがあります。 超流動 編集 脚注 ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81th edition, CRC press. ^ 共鳴の起こる波長（喉頭腔の大きさに依存）を一定とすると、周波数はその媒質を伝わる波の速さに比例する。周波数#定義を参照。 ^ Kochhar, R. 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