DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

原子番号2番ヘリウム 安定で、そして軽い

今回の記事はヘリウムについて書いて行きたいと思います。

 

1. ヘリウムとは

ヘリウムは原子番号が2番の原子であり、本来ならヘリオン(Helion)と名付けられるべきであったが初めて発見されたときに金属であると勘違いされたため、現在のヘリウムと名付けられた経緯がある原子である。

そして、ヘリウムは非常に安定した原子であり、安定であるが故に他の原子とは反応をすることは無く、現在までヘリウムと他の原子で化合物を生成する事例は一件も報告されていない...

と考えられていたがつい最近になって超高圧下でヘリウムとナトリウムが安定な化合物を生成する可能性があると報告されたため、ヘリウムと他の原子では化合物を生成しないと言う事実に終止符が打たれる可能性もあります。

しかし、逆に言うとヘリウムはここまでしないと反応しない物質であり、実を言うと単体ではヘリウムは全原子中で最も安定な原子であり、その理由は

  1. 最外殻が埋まっている
  2. 最外殻電子が原子核と近い

であり、この事実はヘリウムが安定な原子である理由となっている。

では、何故以上2つの理由がヘリウムを安定化しているかと言うと原子核は最外殻電子が8つ(ヘリウムの場合は2つ)の時に非常に安定した状態となり、この状態では他の化合物と反応を起こさなくても安定であるため単原子分子を形成します。

そもそも反応をし、分子を形成するということはより安定な状態でいるために行う物であり、例えば窒素や酸素の場合は単原子でいると安定ではないがもう1つの分子と結合すると安定であるため二原子分子となっています。

 

そして、これらの状態になっている原子は周期表で言うと一番右側にある原子であり、通称希ガス(18族原子)と言われている。

しかし、いくら安定な18族原子でも原子核からあまりにも遠いと最外殻の電子が原子核の束縛から解放される、つまりイオン化して他の原子や分子と反応してしまい、化合物を形成してしまうことがあり、現に比較的原子番号の大きいキセノン(Xe)は化合物を形成することで知られている。

けれどもヘリウムは18族原子の中で最も原子番号が小さいため、最外殻の電子が原子核から強く束縛を受けるため、普通の状態では反応はまず起こさないと考えられている。

このことがヘリウムが全原子中で最も安定な原子であると言われており、反応をしないということは化学的に安定であるとも言え、ヘリウムは無毒な気体であるとも言える。

 

また、ヘリウムは安定であるということ以外にもう一つ特徴的なことがあり、それは非常に軽いということである。

先ほども書いたようにヘリウムの原子番号は2番と非常に小さく、質量数もおよそ4と酸素の8分の1程度しかない。

気体の重さは単純に質量数によって決まるため、質量数が小さい気体であるほど軽く、ヘリウムは全気体中で2番目に質量数が軽いため、全気体の中で2番目に軽い気体とも言い換えることが出来る。

 

以上のことよりヘリウムは

  1. 反応性が無く、非常に安定である
  2. 質量数が小さいため非常に軽い

と言う特徴こそがヘリウムの最大の特徴であるといっても過言ではない。

 

 

 

2. ヘリウムの応用法

ヘリウムは質量数が小さい上に安全であるため多くの所で活用されている。

例えばその例として風船が挙げられる。

風船を口で膨らましても上に上がることは無く、むしろ下に沈んでしまうが時折スーパーなどで配っている風船は手放すと上に上がってしまうぐらいに浮いている。

では、同じ風船でも何故口で膨らましたものは沈み、スーパーで配られる風船は浮くかと言うと中に入っている気体が違うからであり、口で膨らました風船は気体の成分が呼吸で吐いた気体なので当然空気と比較すると二酸化炭素の量が多く、二酸化炭素は酸素よりも質量数が大きいために口で膨らました風船は空気より重く、沈んでしまうが

スーパーで配られている風船は中身がヘリウムであるので空気よりも軽く、そのために浮くからです。

 

また、ヘリウムガスを用いると声が高くなることで有名ですが実はあの現象もヘリウムの軽さに起因しているであり、空気を音が伝わる速さは15 ℃で340 m/s程度であるが伝える物質が軽くなればなるほど音が伝わる速さは速くなり、ヘリウムの場合だと

970 m/sほどまで速くなります。

音速が速くなると振動数が大きくなり、振動数が大きくなるということは波長が短くなるということであり、波長が短くなると音が高くなるためヘリウムガスを吸うと声が高くなるのです。

また、裏を返せば質量数の大きい気体(=重い気体)中では振動数が小さくなるため逆に波長が長くなり、結果として声が低くなります。

 

以上がヘリウムガスの応用法だがこのようなことが出来る理由はヘリウムが安定だからであり、実際にアンモニアで行うと確かに声は若干ではあるが高くなり、風船もヘリウムほどではないが浮くがアンモニアは反応性が高い(=有毒である)ためアンモニアでこのようなことは決して行われない。

 

また、かつて飛行船を飛ばすときは水素を用いて飛ばしていたが水素は水素原子同士が1つずつ単結合で結合した二原子分子であるため反応性はヘリウムとは比較にならないほど高く、温度が上がるとすぐ酸素と反応し、結果として熱が大量に放出されるという欠点がある。

実際にそのことが仇となり、1,937年にLZ 129と言う飛行船が大火災になるという事故が発生し、それ以来飛行船にはヘリウムが使用されるという経緯がかつてあった。

まあ、現在は飛行船自体見かけなくなったが...

 

このように書くとヘリウムは安全で無毒な気体のように見えるが実際に全く安全であるとは言えず...

 

 

 

3. ヘリウムの注意点

ここまで書くとヘリウムは安全であるため吸っても大丈夫そうに見えるが実際にヘリウムガスだけを吸うと非常に危険であり、場合によっては死亡することもあり得ます。

確かにヘリウムには毒は無く、人体とも何の反応も起こさないため一見安全そうに見えるがヘリウムガスだけということは当然酸素は一切含まれておらず、ヘリウムガスの危険性はヘリウムガスにあるのではなく、酸素が無いことに危険性があるということである。

実際に市販されているヘリウムガスは酸素が約20%混入されており、この混合ガスは空気中の窒素をヘリウムと置き換えただけのガスであり、このガスを吸う分には何の問題も無いのである。

しかし、当然ではあるがヘリウムが封入された風船には酸素が一切含まれておらず、ヘリウム100%であるために吸うと酸欠状態となり、命にかかわるために風船中のヘリウムガスを吸うことは厳禁である

 

このように無毒だからと言っても決して安全ではなく、ヘリウムや窒素ガスの場合は気体が危ないのではなく、酸素が無いことが危険であるためにたとえ危険性が無い物でも

注意無しで使用してはなりません。

 

以上ヘリウムガスについてでした。

 

 

 

参照記事ですwww.rigelultragiant.comwww.rigelultragiant.com