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ヘリウム Helium -空気より軽い! 超伝導磁石の冷却材

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ヘリウムといえば、声のトーンを変える不思議な気体「ヘリウムガス」が有名です。みなさんも一度は試したことがあるでしょう。このヘリウムは、分析機器などの冷却材としてなくてはならないものです。

ヘリウムの基本物性データ

分類 非金属、希ガス
原子番号・原子量 2 (4.002602)
電子配置 1s2
密度 0.1785kg/m3
融点 –272.2℃
沸点 –268.93℃
硬度
色・形状 無色・気体
存在度 地球 —、宇宙2.72 x 109
クラーク数 8×10-7%
発見者 エドワード・フランクランド、ノーマン・ロッキャー(1868年)
主な同位体 3He(0.000137%%)、4H3(99.9998630%)、6He(β, 0.807秒)
用途例 冷却材(液体He)、浮揚用ガス(He)、呼吸用ボンベ(O2 +He)
前後の元素 水素ヘリウムリチウム

最も低い沸点を持つ元素

ヘリウムは、1868年にイギリスの天文学者ロッキャーがインドで皆既日食を観測していた際、太陽光のスペクトル線の中から発見しました。その際、ギリシャ語の太陽を意味するheliosからヘリウム(Helium)と名付けられました。

無色・無臭で、すべての元素の中で最も低い沸点を有します。絶対零度(ー273.15℃)でも液体のままであり、加圧をしなければ固体になりません。

ヘリウムの存在量は、宇宙空間においては水素につで2番目に多いのですが、空気中には極微量しか含まれていません。そのため、工業的に使用されるヘリウムは、アメリカの特定の地域で産出される天然ガスより分離して得ています。

ちなみに、「〜ウム」という名前は通常ならば金属元素に付けられる名前ですが、発見当初ヘリウムは金属と推測されてしまいました。本来はhelionとすべきでした。なぜなら希ガス元素の接尾語は-onだからです(argon, neon, krypton, xenon)。実際helionに訂正すべきとの主張もあったようですが、残念ながら受け入れられていません(関連記事:もし新元素に命名することになったら)。

 

ノーマン・ロッキャー

Norman Lockyer

1836-1920年。イギリスの天文学者。太陽の黒点の研究などが有名。1869年に現在でも非常に有名な週間自然科学雑誌である「ネイチャー」(Nature)を創刊した。1913年には、ノーマン・ロッキャー天文台を設立している。

 

気球や飛行船を浮かす気体

ヘリウムは水素の次に軽い気体です。空気よりも軽いので、気球にヘリウムガスをつめることによって空を飛ぶことができます。

以前は水素も気球に用いられていましたが、水素は発火すると爆発する危険があるため、現在では安全なヘリウム気球がほとんどです。

縁日などでもらう風船にもヘリウムが入っていますが、水素と異なり安定な気体であるため、安全です。

ヘリウムは風船のゴム繊維より小さいため、徐々に抜け出て、次の日には萎んでしまう。

ヘリウム風船:ヘリウムは風船のゴム繊維より小さいため、徐々に抜け出て、次の日には萎んでしまう。

 

声が変わる気体ーねぜ声が変わるの?

スプレー缶に入ったヘリウムガスを吸い込むと、どうしてアヒルのような声に変わるのでしょうか。ヘリウムがノドの何かを刺激・麻痺させるから…

ではありません。

ヘリウムガスは空気より密度が小さいので、声帯の発した音の伝達速度が早くなります。そのため声の波長が短くなって、そとに響く音は高い音になるのです。ただし、スプレー缶にはいっているのはヘリウムと酸素の混合気体ですが、風船に入っているヘリウムはヘリウム100%です。風船の中のヘリウムは吸ってはいけません。

ヘリウムによる声変わりのメカニズム

ヘリウムによる声変わりのメカニズム

 

超伝導の発見につながった最強の冷却材

ヘリウムはすべての元素の中でも最も低い融点、沸点を有するため、なかなか液化できずにいました。

1908年、ようやくオランダのカマリング・オネス(Kamerlingh Onnes)が、冷却と加圧を繰り返すことでヘリウムを液化することに成功しました。

その温度は約–269℃という非常に低い温度。この液体ヘリウムにより、人類は最強の冷却材を手に入れることができたのです。

この冷却材を利用して、極低温下の金属物性の研究を続けた結果、1911年、ある温度において水銀の電気抵抗が突然ゼロになるという現象(超伝導)が発見されました。

ただし、現在は、高温超伝導体*などの発見により、高価な液体ヘリウムは使わない方向で研究が進んでいます。

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 時速500km/h 以上での草稿を可能とする超伝導磁気浮上式リニアモーターカーや、磁気共鳴現象を利用して疾患状態をデジタル画像で映し出すMRI(磁気共鳴映像装置)、同じ現象を利用して化合物の構造を測定する核磁気共鳴装置(NMR)などに使われる超伝導マグネットの冷却材として、液体ヘリウムが使われている。

 

*高温超伝導体:超電導になる転移温度が高い超伝導物質のこと。一般的には、転移温度が液体窒素温度を超えるものを指す。

 

ヘリウム不足?脱ヘリウムへの道

ヘリウム は米国のほかカタール、アルジェリア、英国、ロシアなど6ヵ国しか採取できないレアガス。それでも、上述したように多くの産業に多用されています。2012年の後半に起こったヘリウム不足は、風船用のヘリウムすら発売中止になったほどでした。現に東京ディズニーランドのヘリウム風船の販売が中止に追い込まれたほどです。日本のヘリウムは100%輸入に頼っていて、米国からの輸入が95%。現在(2016年1月)ではヘリウム供給は安定に行われていますが、可採年数は25年ともいわれています。ヘリウムを使わない技術革新が近い将来必要となるかもしれません。

 

ヘリウムの用途別販売量(出典:岩谷産業)

ヘリウムの用途別販売量(出典:岩谷産業)

 

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Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行(日本は全県制覇、海外はまだ20カ国ほど)、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。

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