헬륨 기체의 성질

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헬륨(Helium, He)의 성질과 이용

 

󰋯  원자번호：2

󰋯  족：18족(1주기)

󰋯  원자량：4.003

󰋯  밀도：기체(0.1785 g/L), 액체(0.145 g·cm^-3)

󰋯  전자궤도의 전자 수：2

󰋯  mp：-272.2℃(26기압) / 󰋯bp：-268.94℃

 

주기율표상에서 두 번째 원소인 헬륨의 핵은 2개의 중성자와 2개의 양성자를 가졌으므로 원자량은 4이다. 이 원소는 주기율표에서 18족 제일 위 1주기에 있다. 헬륨을 비롯한 제18족의 원소들은 ‘희유가스’(noble gas)라 부르기도 한다. 이들은 다른 원소와 화학반응을 거의 하지 않는 불활성(不活性) 기체이기 때문이다. ‘noble’은 ‘고고한, 귀한’ 등의 의미가 있고, 우리말 희유는 '흔하지 않다'는 의미이다.

 

희유(稀有)가스에 속하는 원소들이 화학적으로 안정한 것은 그들 핵을 이루는 양성자와 중성자들 사이의 결합 에너지(binding energy)가 워낙 크기 때문이다.

 

헬륨이 속하는 18족 원소들은 모두 색과 냄새가 없다. 또 원자 2개가 결합하여 분자를 이루는 ‘이원자 분자’인 수소(H₂)와 달리, 18족 희유가스 원소들은 원자 혼자(He, Ne, Ar 등) 존재한다.

 

우주에는 헬륨이 수소 다음으로 많으며, 우주 전체 물질의 약 25%를 차지한다. 그러므로 우주 전체에서 수소(약 75%)와 헬륨의 양을 합치면 99.9%를 점유하게 된다. 그러나 지구의 대기 중에 존재하는 헬륨의 양은 극히 적다.

 

헬륨 원소의 발견

 

과학자들이 헬륨 원소의 존재를 처음 발견한 곳은 지구가 아니라 태양이었다. 프랑스의 천문학자 장센(Pierre Janssen 1824-1907)은 1868년 태양빛을 분광기로 분석하다가 예상치 못한 파장의 빛을 발견했다. 각 원소는 높은 열을 주면 각기 독특한 파장의 빛을 낸다. 그러므로 그 파장을 조사하면 그 빛을 내는 물질이 어떤 원소인지 판별할 수 있다. 이 고유의 파장은 각 원소의 지문(指紋)과도 같다. 예를 들어 가로등에서 나오는 노란색 빛(스펙트럼)은 나트륨에서 나오는 것이다.

 

장센은 태양빛에 포함된 낯선 파장의 빛은 어떤 미지의 원소에서 나오는 것이라고 판단하고, ‘헬륨’이라는 이름을 붙였다. ‘헬륨’이란 말은 태양을 의미하는 그리스어 helios에서 따온 것이다. 지구상의 헬륨 원소는 1895년에 스코틀랜드의 화학자 램지(William Ramsay 1852-1916)가 처음 발견했다. 그는 헬륨을 발견하고 연구한 공로로 1904년에 노벨 화학상을 수상했다.

 

태양에서는 수소가 핵융합반응을 하여 헬륨이 생겨난다. 태양 내부는 온도와 압력이 높아, 수소의 핵인 양성자가 융합하여 헬륨 핵이 생겨나는 것이다. 다행스럽게도 태양에서는 핵융합반응이 수소폭탄처럼 한꺼번에 일어나지 않고 천천히 진행된다. 과학자들은 태양의 핵융합반응은 앞으로 50억년 더 계속될 것으로 추정한다.

 

 

헬륨의 성질 

 

헬륨의 핵은 ‘알파 입자’ 또는 ‘알파선’이라는 다른 유명한 이름도 함께 가졌다. 방사성 원소가 붕괴할 때 나오는 방사선을 처음 발견한 영국의 물리학자 러더퍼드(Ernest Rutherford 1871-1937)는 그 방사선이 입자 상태임을 알고 ‘알파 입자’라는 이름을 붙였다.

 

오늘날 헬륨 가스는 산업에서 잘 이용되고 있다. 산업에 필요한 헬륨은 대부분 천연가스 속에 소량 포함된 것을 추출한 것이다. 우라늄이나 라돈 같은 방사성 동위원소가 붕괴될 때도 헬륨이 발생한다. 천연가스 속에는 메탄 외에 헬륨이 약 0.3% 포함되어 있다. 천연가스에서 헬륨을 추출할 때는 천연가스 전체를 액화(液化)시켰다가 기화(氣化)하는 온도 차를 이용하는 ‘분별증류법’을 사용한다. 즉 헬륨은 -268.9℃가 되어야 액체로 되는 기체이다. 그러므로 천연가스의 온도를 냉각시키면 메탄 등 다른 기체가 먼저 액화되고, 헬륨만 기체로 남아 있다.

 

헬륨의 중요한 용도

 

헬륨은 밀도가 낮고 가벼우며 불타지 않기 때문에 애드벌룬과 비행선 속에 수소 대신 넣는다. 헬륨을 채운 기상관측 기구는 고층의 기상상태를 조사하는 중요한 도구이다. 그리고 수심 20-30m 이하의 깊은 곳에서 작업하는 잠수부는 반드시 산소와 헬륨을 혼합한 탱크를 휴대하고 수중에서 호흡한다. 그 이유는 헬륨은 질소와 달리 혈액에 녹지 않으므로 위험한 잠수병을 방지해주기 때문이다. 

 

수심 깊은 곳에서 일반 공기를 호흡하면, 공기 중의 78%를 차지한 질소가 혈액 속에 많이 녹게 된다. 이런 상태에서 잠수부가 급하게 수면으로 떠오른다면, 기압이 낮아짐에 따라 혈액에 녹아 있던 질소가 작은 공기방울(기포氣泡)이 되어 모세혈관을 막게 된다. 이것이 잠수병이다. 이 현상은 탄산수 병을 여는 순간 기압이 낮아짐에 따라 물에 용해되어 있던 거품이 끓어오르는 것과 같다. 잠수병은 극심한 두통과 관절통을 느끼며, 치료가 어렵고 치명적이다.

 

흥미롭게도, 헬륨이 다량 포함된 공기 중에서 말을 하면 아주 다른 목소리가 나온다. 헬륨은 공기보다 밀도가 낮기 때문에 성대(聲帶)를 더 빨리 진동시킨 때문이다. 헬륨과 네온을 혼합한 가스로 기체 레이저를 만들 수 있다. 슈퍼마켓의 계산대에서 바코드를 읽는 레이저는 바로 ‘헬륨-네온 레이저’이다.

 

오늘날 헬륨은 극저온(極低溫) 과학기술 분야에서 매우 중요한 물질로 이용된다. 헬륨을 액화시키면 -270℃에 가까운 온도가 된다. 이런 낮은 온도에서는 전류가 저항 없이 흐르는 초전도현상이 나타난다. 오늘날 초전도자석은 원자 연구에 사용하는 입자가속기를 비롯, 병원에서 인체 촬영에 사용하는 MRI, NMR 등에 이용되고 있다.

 

천문학자들은 여러 가지 관측 장비를 액체헬륨으로 냉각시켜 사용한다. 초저온으로 냉각된 관측 장비들은 열(熱)에 의해 발생하는 오차를 없애주어 훨씬 정밀한 관측치를 얻을 수 있게 하기 때문이다.

 

액체 헬륨은 네덜란드의 과학자 오네스(Heike Kamerlingh Onnes 1853-1926)가 1908년에 처음 만들었다. 그가 액체헬륨을 만드는데 성공하기 이전까지는, 헬륨은 절대 액화되지 않는 기체라고 생각했다. 

 

 

중수소와 삼중수소의 차이