L’hélium est un élément chimique de numéro atomique 2, ce qui signifie qu’un atome d’hélium neutre possède deux protons et deux électrons. Les propriétés chimiques les plus importantes de l’hélium comprennent sa masse atomique, l’état de la matière, les points d’ébullition et de fusion et la densité. L’élément a une masse atomique de 4.0026 grammes par mole et est un gaz à presque toutes les températures et conditions de pression. La densité de l’hélium est de 0.1786 gramme par litre à 32°F (0.0°C) et 101.325 kilopascals (kPa).
L’hélium liquide et solide ne peut exister que dans des conditions de haute pression à très basse température. L’une des propriétés inhabituelles de l’hélium est qu’il ne peut pas exister sous forme solide ou liquide à des pressions normales, même à des températures extrêmement basses. À une pression d’environ 360 livres par pouce carré (2.5 mégapascals), la transition entre le liquide et le solide, ou le point de fusion, est de -458 °F (0.95 Kelvin). Le point d’ébullition est de -452°F (4.22 Kelvin).
Certaines propriétés de l’hélium en font un sujet d’étude intéressant et courant en mécanique quantique. C’est, en raison de son faible numéro atomique, le deuxième atome le plus simple après l’hydrogène. Des procédures mathématiques peuvent être utilisées pour analyser les comportements des particules subatomiques — protons, électrons et neutrons — au sein de l’atome d’hélium. De telles méthodes ne peuvent cependant pas déterminer le comportement de ces particules avec une certitude absolue. Les atomes avec des numéros atomiques plus grands, qui ont plus de particules subatomiques, ont tendance à être plus difficiles à travailler en termes d’analyse mécanique quantique.
L’hélium est le moins réactif de tous les éléments. Les propriétés non réactives de l’hélium proviennent du fait qu’il est le plus léger des gaz nobles généralement non réactifs. Un gaz noble a une couche d’électrons pleine, ce qui signifie qu’il ne peut pas facilement donner ou recevoir des électrons dans une réaction chimique. L’échange ou le partage d’électrons est à la base de la plupart des réactions chimiques, de sorte que les gaz rares ont tendance à participer à peu de réactions chimiques. De plus, l’hélium n’a que deux électrons qui pourraient participer à une réaction, tandis que tous les autres gaz nobles – et en effet, tous les éléments à l’exception de l’hydrogène – en ont plus.
Il existe de nombreuses utilisations différentes de l’hélium qui découlent des propriétés chimiques de l’hélium – en particulier sa légèreté, ses qualités de température et de pression, et sa faible réactivité. L’hélium est, par exemple, considérablement plus léger que l’air, il est donc souvent utilisé pour remplir des ballons afin qu’ils puissent flotter et des dirigeables tels que des dirigeables pour qu’ils puissent voler. L’hélium liquide, qui ne peut exister qu’à des pressions extrêmes et à des températures très basses, est utilisé comme réfrigérant pour les supraconducteurs, qui ne prennent leurs propriétés extrêmement conductrices qu’à très basse température.