ヘリウムの分子量は？計算方法や化学式・密度・沸点も解説【希ガスの性質も】

ヘリウムの分子量は？計算方法や化学式・密度・沸点も解説【希ガスの性質も】

ヘリウムは、風船や飛行船に使われるガスとして広く知られていますが、その化学的な性質や物理的な特性を詳しく理解している方は意外と少ないかもしれません。

ヘリウムは周期表の第1周期に位置する希ガス（貴ガス）の一種であり、化学的に非常に安定した元素として知られています。

この記事では、ヘリウムの分子量をはじめ、計算方法・化学式・密度・沸点・希ガスとしての性質まで幅広く解説していきます。

化学や物理の授業でヘリウムについて学んでいる方、仕事でヘリウムを扱う方、純粋に興味をお持ちの方など、どなたにも役立つ内容を目指しました。

ぜひ最後までご覧ください。

ヘリウムの分子量は4.00｜単原子分子だから原子量がそのまま分子量になる

それではまず、ヘリウムの分子量と、なぜ原子量がそのまま分子量になるのかについて解説していきます。

ヘリウムは単原子分子｜化学式はHeのみ

ヘリウムの化学式は「He」と表されます。

多くの気体は2つの原子が結合した二原子分子（例えば、酸素はO₂、窒素はN₂）として存在しますが、ヘリウムは1つの原子のみで気体として安定して存在する単原子分子です。

これはヘリウムが希ガス（貴ガス）に属しており、電子配置がすでに安定した閉殻構造を持っているためです。

他の原子と結合する必要がなく、1つの原子のままで安定して存在できるという非常に特殊な性質を持っています。

ヘリウムの原子量と分子量の関係

原子量とは、炭素12（¹²C）を12と定めたときの相対的な質量のことです。

ヘリウムの原子量は4.003（計算では4.00として扱うことが多い）とされています。

分子量は分子を構成する全原子の原子量の合計ですが、ヘリウムは単原子分子のため、構成原子はHeが1つのみです。

したがって、ヘリウムの分子量＝ヘリウムの原子量＝4.00という関係が成り立ちます。

分子量の計算方法をわかりやすく確認

ヘリウムの分子量の計算方法はシンプルです。

他の気体と比較すると、酸素（O₂）の分子量は16.00×2＝32.00、窒素（N₂）は14.01×2＝28.02です。

ヘリウムの分子量4.00は非常に小さく、これが後述する低密度や高い拡散速度といった性質にも直結しています。

ヘリウムの密度・沸点・融点などの物理的性質

続いては、ヘリウムの密度・沸点・融点をはじめとした物理的な性質を確認していきます。

ヘリウムは分子量が小さいことから、物理的にも非常にユニークな特徴を持っています。

ヘリウムの密度｜空気より軽いのはなぜ？

ヘリウムの密度（0℃・1気圧の標準状態）は約0.1785 g/Lです。

これに対して空気の密度は約1.293 g/Lですので、ヘリウムは空気の約7分の1の重さしかありません。

ヘリウムが風船や飛行船を浮かせるために使われるのは、この圧倒的な軽さがあるからです。

密度が小さい理由は、ヘリウムの分子量が4.00と極めて小さいことに起因しています。

気体の密度は分子量に比例するため、分子量が小さいヘリウムは必然的に密度も小さくなるのです。

ヘリウムの沸点と融点｜極めて低温な物質

ヘリウムの物理的な性質の中でも特筆すべきは、沸点と融点の低さです。

性質	値
沸点	−268.93℃（4.22 K）
融点	−272.20℃（約25気圧下）
密度（標準状態）	0.1785 g/L
分子量	4.00
化学式	He

ヘリウムの沸点は−268.93℃（4.22K）と、全物質の中で最も沸点が低い物質のひとつです。

また、ヘリウムは通常の大気圧下では固体になりません。

融点は約25気圧という高圧をかけた状態でのみ−272.20℃（約1K）付近で固体になるため、液体ヘリウムは超低温の冷却剤として医療機器（MRI装置など）や科学研究に広く活用されています。

ヘリウムのモル質量と気体としての挙動

ヘリウムのモル質量は4.00 g/molです。

これは1モル（6.02×10²³個）のヘリウム原子の質量が4.00グラムであることを意味します。

ヘリウムは理想気体に非常に近い挙動を示す気体としても知られています。

原子間の引力がほとんどなく、分子間力（ファンデルワールス力）が極めて弱いため、理想気体の法則（PV＝nRT）をほぼそのまま適用できる点も特徴的です。

ヘリウムの化学的性質｜希ガスとしての特徴

続いては、ヘリウムが希ガス（貴ガス）としてどのような化学的性質を持つのかを確認していきます。

希ガスの性質を理解することで、ヘリウムがなぜあれほど安定しているのかがよくわかるでしょう。

希ガスとは何か｜ヘリウムの電子配置

希ガス（貴ガス）とは、周期表の第18族に属する元素群のことを指します。

ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）、ラドン（Rn）などが代表的な希ガス元素です。

このため、ヘリウムは化学反応をほとんど起こさない化学的不活性な元素として知られています。

イオン化エネルギーも全元素の中で最大であり、電子を引き剥がすのが最も困難な元素でもあります。

ヘリウムと他の希ガスの比較

ヘリウムを他の希ガスと比較することで、その特性がより明確になるでしょう。

元素	記号	原子量（分子量）	沸点
ヘリウム	He	4.00	−268.93℃
ネオン	Ne	20.18	−246.05℃
アルゴン	Ar	39.95	−185.86℃
クリプトン	Kr	83.80	−153.22℃

上の表を見ると、原子量（分子量）が小さいほど沸点が低くなる傾向があることがわかります。

これは分子量が小さいほど分子間力（ファンデルワールス力）が弱くなるためです。

ヘリウムはその中でも最も分子量が小さく、最も沸点が低いという特別な位置にあります。

ヘリウムの用途｜安定性と物理特性が活きる場面

ヘリウムの化学的安定性と物理的特性は、さまざまな分野での利用につながっています。

主な用途を以下にまとめます。

化学的に不活性であるため、反応を起こしてほしくない場面での保護ガスとしての役割も非常に重要です。

ヘリウムの産出・存在・入手に関する基礎知識

続いては、ヘリウムがどこにどのように存在し、どのように得られるのかを確認していきます。

ヘリウムは宇宙では非常に豊富に存在しますが、地球上では限られた資源であることをご存じでしょうか。

宇宙と地球でのヘリウムの存在量

ヘリウムは宇宙全体では水素に次いで2番目に多い元素です。

太陽の質量の約25％はヘリウムであるとされており、核融合反応（水素→ヘリウム）によって絶えず生成されています。

一方、地球の大気中のヘリウム濃度はわずか約0.0005％（5ppm）程度にすぎません。

地球上でのヘリウムの主な産出源は、天然ガス田です。

ウランやトリウムなどの放射性元素がアルファ崩壊する際に放出されるアルファ粒子がヘリウム原子核に相当し、地下に蓄積されたものが採取されます。

ヘリウムの採取と精製方法

ヘリウムは天然ガスの分留（低温蒸留）によって得られます。

天然ガスの中に含まれるヘリウムの濃度は通常0.1～数％程度です。

これを低温に冷却することでメタンやその他の成分を液化・分離し、最終的にヘリウムだけを純粋な形で取り出します。

世界のヘリウム供給の大部分はアメリカ・カタール・ロシアなどの天然ガス産出国に依存しており、供給量が限られた貴重な資源でもあります。

ヘリウムの同位体｜ヘリウム3とヘリウム4

ヘリウムには主に2種類の同位体が存在します。

私たちが日常的に目にするヘリウムのほぼすべてはヘリウム4（⁴He）です。

一方のヘリウム3（³He）は地球上では非常に希少ですが、核融合研究や量子コンピュータの冷却材としての応用が期待されており、将来的な注目素材でもあります。

ヘリウムの原子量4.003は、このヘリウム4が圧倒的多数を占めることに由来しています。

まとめ

この記事では、ヘリウムの分子量を中心に、計算方法・化学式・密度・沸点・希ガスとしての性質・産出方法まで幅広く解説しました。

最後に重要なポイントを整理しておきましょう。

ヘリウムの分子量は4.00であり、単原子分子であるため原子量がそのまま分子量となります。

化学式は「He」で表され、希ガス（貴ガス）に属するため化学的に非常に安定しています。

密度は約0.1785 g/Lと空気の約7分の1の軽さであり、沸点は−268.93℃と全物質中でも最低レベルの低さです。

これらの特性から、医療・半導体・宇宙開発・ダイビングなど幅広い分野で活躍する元素であることがおわかりいただけたでしょう。

ヘリウムは身近な存在でありながら、化学・物理の観点から見ると非常に奥深い元素です。

今後ヘリウムについてさらに深く学びたい方は、希ガス元素全体の性質や核融合反応との関連にも目を向けてみると、理解がより深まるでしょう。