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헬륨 (21261 views - Periodic Table Of Elements)

헬륨(영어: helium 헬리엄[*], 문화어: 헬리움←독일어: Helium 헬리움[*])은 화학 원소로, 기호는 He(←라틴어: helium 헬리움[*])이고 원자번호는 2이다. 질량수가 3인 3He과 4인 4He이 있다. 화학 원소 중 끓는점이 가장 낮으며, 상압에서는 영점에너지로 인하여 절대영도에서도 액체로 존재할 수 있는 유일한 원소다. 단, 액체 헬륨의 동위원소는 일정한 온도 및 압력 하에서 고체로 존재할 수 있다. 기체, 액체, 고체가 공존하는 3중점이 없는 유일한 원소이다. 헬륨은 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센이 발견하였다. 그는 1868년 8월 18일 일식의 관측에서 특정 대역의 노란 빛, 즉 587.6나노미터 부분에 새로운 선이 존재하는 것을 알아내고 헬륨의 존재를 밝혔다. 헬륨이라는 말은 그리스어로 태양을 뜻하는 말 헬리오스(Helios)에서 유래하였다. 수소 다음으로 가벼운 원소이며, 다른 원소와 잘 반응을 하지 않기 때문에, 지구상에서는 거의 존재하지 않는다. 현재 지구상의 헬륨은 대부분은 방사성 원소의 핵붕괴로 생성된 알파 입자가 천연 가스에 포획된 상태로 있다가 발굴된다. 1903년, 미국의 천연 가스전에서 다량의 헬륨이 발굴되었다. 그러나 헬륨은 우주에서 수소 다음으로 두 번째로 흔한 원소로서, 은하계 전체 원소의 24%를 차지한다. 태양과 가스 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성) 들도 수소와 헬륨이 전체의 대부분을 차지하고 있다. 이러한 우주에서의 수소와 헬륨 분포는 빅뱅 이론으로 설명이 가능하며, 그 외에 항성이 주계열성으로 빛나면서 중심부에서 일어나는 수소 핵융합 반응으로도 일부 생성된다.
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헬륨

헬륨

헬륨(2He)
2 HHeLi
Nu

He

Ne
2He
일반적 성질
, 주기, 구역 18족, 1주기, p-구역
화학 계열 비활성 기체
겉보기 무색
원자 질량 4.002602(2) g/mol
전자 배열 1s2
준위전자 2
물리적 성질
상태 기체
밀도 (0 °C, 101.325 kPa)
0.1786 g/L
녹는점 (2.5 MPa) 0.95 K
끓는점 4.22 K
융해열 0.0138 kJ/mol
기화열 0.0829 kJ/mol
열용량 (25 °C) 20.786 J/(mol·K)
증기압
압력(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
온도(K) 1.23 1.67 2.48 4.21
원자의 성질
전기 음성도 자료 없음 (폴링 척도)
이온화 에너지 1차: 2372.3 kJ/mol
2차: 5250.5 kJ/mol
원자 반지름 (계산) 31 pm
공유 반지름 32 pm
판데르발스 반지름 140 pm
그 밖의 성질
결정 구조 육방정계
열전도율 (300 K) 151.3 m W/(m·K)
CAS 등록번호 7440-59-7
주요 동위 원소
동위체 존재비 반감기 DM DE
(MeV)
DP
3He 0.000137%* 안정
4He 99.999863%* 안정
*대기 중 구성비로 장소에 따라 다를 수 있다.
동위 원소 목록

헬륨(영어: helium 헬리엄[*], 문화어: 헬리움←독일어: Helium 헬리움[*])은 화학 원소로, 기호는 He(←라틴어: helium 헬리움[*])이고 원자번호는 2이다. 질량수가 3인 3He과 4인 4He이 있다. 화학 원소끓는점이 가장 낮으며, 상압에서는 영점에너지로 인하여 절대영도에서도 액체로 존재할 수 있는 유일한 원소다. 단, 액체 헬륨의 동위원소는 일정한 온도 및 압력 하에서 고체로 존재할 수 있다. 기체, 액체, 고체가 공존하는 3중점이 없는 유일한 원소이다.

헬륨은 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센이 발견하였다. 그는 1868년 8월 18일 일식의 관측에서 특정 대역의 노란 , 즉 587.6나노미터 부분에 새로운 선이 존재하는 것을 알아내고 헬륨의 존재를 밝혔다. 헬륨이라는 말은 그리스어로 태양을 뜻하는 말 헬리오스(Helios)에서 유래하였다.

수소 다음으로 가벼운 원소이며, 다른 원소와 잘 반응을 하지 않기 때문에, 지구상에서는 거의 존재하지 않는다. 현재 지구상의 헬륨은 대부분은 방사성 원소의 핵붕괴로 생성된 알파 입자천연 가스에 포획된 상태로 있다가 발굴된다. 1903년, 미국천연 가스전에서 다량의 헬륨이 발굴되었다.

그러나 헬륨은 우주에서 수소 다음으로 두 번째로 흔한 원소로서, 은하계 전체 원소의 24%를 차지한다. 태양과 가스 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성) 들도 수소와 헬륨이 전체의 대부분을 차지하고 있다. 이러한 우주에서의 수소와 헬륨 분포는 빅뱅 이론으로 설명이 가능하며, 그 외에 항성주계열성으로 빛나면서 중심부에서 일어나는 수소 핵융합 반응으로도 일부 생성된다.

알려진 특성

4He의 원자 구조

비활성 기체

헬륨은 가장 반응성이 적은 비활성 기체이다. 그뿐만 아니라 알려진 모든 화학 원소 중에서 가장 반응성이 적다. 거의 모든 조건에서 헬륨은 단원자 분자로 존재하며 반응하지 않는다.

상 변화

헬륨은 매우 높은 압력하에서 고체나 액체의 상태가 될 수 있다. 실험실에서 조건을 맞춘 고압력 상태에서 만들어지는 고체 헬륨은 맨눈으로는 확인할 수 없을 정도로 작은 크기이며, 압력을 가함에 따라 30% 정도 부피가 감소될 수 있다.[1] 5×107 Pa의 압력에서 헬륨의 용적율의 50배에 달한다.[2] 압력 1기압에서 헬륨은 절대 영도에 도달하여도 고체가 되지 않고 액체 상태를 유지한다. 이는 양자 역학으로 설명되는데, 즉 헬륨의 영점 에너지가 너무 높아 절대 영도에 이르러도 분자 운동이 활발히 유지되기 때문이다. 헬륨을 고체 상태로 유지하기 위해서는 1~1.5 K(약 −272 )에서 약 2.5 MPa의 압력을 가해야 한다.[3] 헬륨의 고체 상태와 액체 상태는 굴절률이 같아 분간이 매우 어렵다. 헬륨은 1기압의 압력에서 약 2.3K에서 초유체로 상변이한다. 고압에서 만들어지는 고체 헬륨도 초유체와 비슷한 현상이 발견되었다.

액체 헬륨[4]

저온의 액체 헬륨에는 이상한 성질이 많다. 그중 여러가지가 헬륨이 원가자 보즈 입자라는 사실 때문에 일어난다. 하 가지는 액체 헬륨이 점성 저항(viscous resistance) 없이 흐른다는 사실이다. 그것은 속도가 작은 경우의 '마른 물(dry water)'의 이상적인 예 이다. 그 이유는 다음과 같다.

액체가 점성을 가지려면 내부 에너지의 손실이 있어야 한다. 즉 액체의 한 부분이 나머지와는 다른 운동을 할 방법이 있어야 하는 것이다. 그것은 원자 몇 개를 나머지 원자들과는 다른 상태로 때려서 보낼 수 있다는 뜻이다. 하지만 충분히 낮은 온도에서는 열운동이 아주 작아지고 모든 원자는 같은 상태로 가려 한다. 몇 개의 원자가 움직이고 있다면 다른 모든 원자들도 따라서 같은 상태로 움직이고 싶어 하는 것이다. 그 운동에는 어떤 경직성(rigidity)이 있어서 독립적인 입자의 경우에 생기는 불규칙한 난류이 형태로 움직임을 깨뜨릴 수가 없다. 보즈 입자로 이루어진 액체는 모든 입자들이 같은 상태로 가려는 강한 경향이 있다. 고온에서는 많은 원자들을 여러 다른 상태들로 보낼 수 있을 만큼 열에너지가 충분하기 때문에 이 같은 협력적인 운동이 일어나지 않는다. 하지만 충분히 낮은 온도에선 헬륨 원자들이 모두 같은 상태로 가려 하는 순간이 갑자기 찾아온다. 헬륨이 초유동체(superfluid)가 되는 것이다. 한 자기 덧붙이자면, 이 현상은 헬륨의 동위 원소 중 원자량이 4인 것들에서만 볼 수 있다. 원자량이 3인 동위 원소는 개개의 원자가 페르미 입자이기 때문에 액체 상태에서 보통의 유체가 된다. 초유동체 현상은 4He에서만 일어나기 때문에 이는 분명히 보즈 입자인 알파 입자의 성지리에 의한 양자역학적 효과이다.

용도

헬륨을 이용한 비행선
헬륨을 이용한 조명기구

공기보다 가볍고 비활성 기체임을 이용해 폭발하기 쉬운 수소 대신에 비행선, 풍선, 애드벌룬,에 이용된다. 또, 심해 잠수부의 산소통의 질소 대체로 이용된다. 그 이유는 질소보다 헬륨혈액에 대한 용해도가 작아 잠수병을 예방할 수 있기 때문이다. 헬륨의 끓는점이 매우 낮은 것을 이용해 초저온 냉각제로 사용되기도 한다.

헬륨은 산화흔적이 남으면 안 되는 용접을 할 때 산소의 접근을 막기 위한 용도로 헬륨 환경을 조성한다. 반도체 등의 제작을 위해 플라즈마를 생성시킬 때 플라즈마의 균일한 정착을 위해 헬륨을 적정량 사용한다.

또한 목소리 변조에 사용되기도 하는데, 헬륨 가스에서는 공기중에 비해 약 3배정도 전송 속도가 빠르기 때문에 약 10~20초정도 목소리의 음이 높아지는 현상이 발생한다. 단 많은 양을 마실 경우 질식할 수도 있으므로 주의해야 한다.

또 헬륨은 트리믹스에 사용되는데, 트리믹스는 압축 공기에서 질소의 비율을 줄이고 그만큼을 헬륨으로 채운 것이다. 헬륨은 용해도가 매우 낮기 때문에 압축 공기를 사용했을 때(30~40m)보다 더욱 깊이 잠수할 수 있다. 그러나 70m~80m 정도까지 내려가면 헬륨이 용해되어 헬륨 마취 현상이 일어난다.

핵융합

1H→3He→6Be→방사성 붕괴→4He→12C→16O→ 20Ne→24Mg→28Si→56Fe

각주

외부 링크


1,2,3-Trichloropropane2-Ethoxyethanol2-Methoxyethanol2,4-Dinitrotoluene4,4'-Methylenedianiline41xx steelAcrylamideAL-6XNAlGaAlloy 20AlnicoAlumel알루미늄알루미늄 합금알루미늄 청동Aluminium-lithium alloyAluminosilicate아말감Ammonium dichromateAnhydrous안트라센Argentium sterling silverArsenic pentoxide삼산화 비소Arsenical bronzeArsenical copper배빗메탈Bell metalBenzyl butyl phthalate베릴륨베릴륨구리Billon (alloy)BirmabrightBis(2-ethylhexyl) phthalateBismanol비스무트붕사붕산황동BrightrayBritannia metalBritannia silver청동Bulat steelCalamine brassCalifornia Electronic Waste Recycling Act주철CelestriumChina RoHSChinese silverChromel크로뮴산크로뮴Chromium hydrideChromium trioxide콜타르코발트Cobalt(II) acetateCobalt(II) carbonateCobalt(II) chlorideCobalt(II) nitrateCobalt(II) sulfateColored goldConstantan구리Copper hydrideCopper–tungstenCorinthian bronzeCrown goldCrucible steelCunife백동Cymbal alloys다마스쿠스 강Devarda's alloyDibutyl phthalateDiisobutyl phthalateDoré bullion두랄루민Dutch metalElectrical steel호박금Elektron (alloy)ElinvarFernicoFerroalloy페로세륨FerrochromeFerromanganeseFerromolybdenumFerrosiliconFerrotitaniumFerrouraniumField's metalFlorentine bronzeGalfenolGalinstan갈륨Gilding metal유리GlucydurGoloidGuanín (bronze)Gum metalGunmetalHaynes InternationalHepatizonHexabromocyclododecaneHexavalent chromiumHiduminiumHigh-speed steelHigh-strength low-alloy steelHigh-temperature insulation wool수화물하이드라진수소HydronaliumInconel인듐International Material Data SystemInvarIron–hydrogen alloyItalmaKanthal (alloy)KovarLead hydrogen arsenateLead(II) chromate리튬Magnalium마그네슘Magnox (alloy)MangalloyManganinMaraging steelMarine grade stainlessMartensitic stainless steelMegalliumMelchior (alloy)머큐리MischmetalMolybdochalkosMonelMu-metalMuntz metalMushet steelMusk xyleneN-Methyl-2-pyrrolidone니크롬니켈Nickel hydride양은Nickel titaniumNicrosilNisil노르딕 골드올리고머Ormolu퍼멀로이퓨터Phosphor bronzePhthalic acid선철Pinchbeck (alloy)피치 (중합체)플라스틱Platinum sterlingPlexiglas플루토늄Plutonium–gallium alloyPolybrominated biphenylPolybrominated diphenyl ethers칼륨Potassium chromate다이크로뮴산 포타슘Pseudo palladiumQueen's metalREACH유해물질 제한지침Reynolds 531Rhodite로듐Rose's metal사마륨Samarium–cobalt magnetSanicro 28스칸듐Scandium hydrideShakudōShibuichiSilver steel나트륨Sodium chromateSodium dichromate나크땜납Speculum metalSpiegeleisenSpring steelStaballoy스테인리스강강철Stellite스털링 실버Strontium chromateStructural steelSubstance of very high concernSupermalloySurgical stainless steelTerfenol-DTerneTibetan silver주석 (원소)타이타늄Titanium alloyTitanium Beta CTitanium goldTitanium hydrideTitanium nitrideTombacTool steelTributyltin oxideTrichloroethyleneTris(2-chloroethyl) phosphateTumbagaType metal우라늄Uranium hydrideVitalliumWEEE 지침Weathering steelWhite metal우드 합금Wootz steelY alloyZamakZeron 100아연지르코늄Zirconium dioxideZirconium hydride붕소탄소질소산소네온플루오린규소Sulfur염소 (원소)아르곤칼슘바나듐GermaniumArsenic셀레늄브로민크립톤제논 (원소)아이오딘텔루륨테크네튬이트륨몰리브데넘나이오븀스트론튬루비듐세슘바륨란타넘하프늄탄탈럼레늄텅스텐오스뮴이리듐백금수은탈륨폴로늄아스타틴라돈프랑슘라듐악티늄러더포듐시보귬보륨하슘마이트너륨다름슈타튬뢴트게늄코페르니슘니호늄플레로븀모스코븀리버모륨테네신오가네손세륨프라세오디뮴네오디뮴프로메튬유로퓸가돌리늄터븀디스프로슘홀뮴어븀이터븀툴륨루테튬토륨프로트악티늄넵투늄아메리슘퀴륨버클륨캘리포늄아인슈타이늄페르뮴멘델레븀노벨륨로렌슘그래핀화학원소 (화학)

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Periodic Table Of Elements

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