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헬륨 helium (기호 He)

31 2022.06.20 16:51

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헬륨
원소주기율표 상에서 1주기 18족에 속하는 비활성 기체로 우주에서 수소 다음으로 많은 원소이다. 원소 기호는 He, 녹는점은 -272.20°C(2.5MPa), 끓는점은  -268.93°C, 밀도는 0.1786g/L이다. 단원자 기체로 반응성이 거의 없어 비활성 기체라고도 하며 색깔과 냄새가 없고 공기 중에 매우 적은 양이 존재한다.

 ■ 우주에선 흔하지만 지구에선 희귀

우주 전체에서 수소 다음으로 흔한 원소이다. 물질을 기준으로 우주 전체 질량의 24%를 차지한다.[5] 수소가 가장 흔한 이유는 처음 물질이 원자 형태를 이룰 때 가장 간단한 조합, 양성자1 + 전자1이기 때문이라 짐작되듯, 헬륨이 두 번째인 이유도 양성자2 + 중성자2 + 전자2로 수소 다음으로 간단한 조합이기 때문이다. 지금도 별 내부의 핵융합 반응에 의해 계속 생성되고 있다. 괜히 대군주가 밥통으로 선정된 게 아니었다.

다만, 다른 원소와 거의 결합하지 않기 때문에 화합물로 존재하지 않는다. 또한 헬륨 자체의 단원자로 존재하기 때문에 매우 가벼워서 지구 중력으로 잡을 수 없어 서서히 우주 공간으로 빠져나간다. 따라서 지구에서는 아주 희귀하다. 하지만 지구의 중력도 상당히 세고 자기권도 있기 때문에 사실 헬륨은 지구를 빠져나가더라도 아주 느린 속도로 빠져 나간다. 대기 중으로 노출된 헬륨이 지구 대류권을 빠져나가는 데 걸리는 시간은 평균 210만 년이다. 대류권을 벗어난 헬륨은 이후 서서히 올라가 성층권, 중간권 등을 통과하며 지구 대기권을 벗어나 우주로 빠져나간다.

■ 헬륨 채굴

대기에 있는 헬륨은 토륨, 우라늄의 알파붕괴의 산물이며 땅속에 갈라진 틈이나 모래의 틈속에서 서서히 빠져나와 대기를 형성한다. 보통 핵분열로 인해 발생하는 α선에 의해 만들어진다.

대기에서는 농도가 매우 낮아 주로 천연가스에서 추출하는 데 단가는 높은 편. 우라늄이나 토륨 등의 핵분열로 생성된 알파선이 천연가스에 모이고 이것을 이용하는 것이다. 헬륨은 가벼워서 대기권에 노출되면 느린 시간에 걸쳐 빠져나가지만 원자의 체적이 크기 때문에 천연가스 구처럼 땅 속에 갇혀 있는 경우엔 대지에 노출되기 전까지는 계속 땅속에 갇혀있게 된다. 유전에 따라서는 상당히 많은 양의 헬륨이 포함된 곳도 있다.

천연가스와 같이 채취할 수 있는 헬륨의 매장량 중 경제성 있는 헬륨의 매장량은 대략 현재 170만 톤이고 비경제적이지만 그래도 충분히 추출할 수 있는 양은 500만 톤에 근접한다. 하지만 연간 3만 톤씩 추출하고 있으므로 대략 60년 후면 고갈위기. 또한 매년 2~5%씩 헬륨 사용량이 증가하고 있어 실제로는 30년 내로 고갈될 수 있다. 하지만 핵융합 발전이 상용화된다면 어떨까? 쓰레기가 되버리 겠지.

과거 천연가스가 생성될 때 우라늄과 토륨이 농축된 광석 주위에서 생성된 천연가스가 헬륨을 포함할 확률이 높다. 그냥 일반적인 지하에서 생성된 천연가스는 헬륨이 극소량으로 차라리 없다고 하는 게 낫다. 즉, 천연가스의 매장량은 많지만 헬륨을 포함한 천연가스의 구를 계산한 매장량은 그보다 적다. 물론 좋은 구가 발견되면 헬륨 매장량은 더 늘어날 수 있다. 아주아주 농축된 천연가스 구에서는 하나의 구에서 헬륨이 10만 톤까지 나온 경우도 있으며 어떤 구에서는 천연가스 대 헬륨 부피가 7~15%까지 농축된 경우도 있다.

■ 화학적 특성

이상 기체에 제일 근접한 모습을 보여 주는 현실 기체.

18족의 대표주자로서, 화학적 활성은 거의 없다. 화학결합을 원자가 전자들이 퍼즐의 틈처럼 끼워맞춰지는 것이라 볼 때, 18족은 그 '틈'이 없기 때문이다. 그리고 핵과 최외곽 전자의 거리도 가장 가까워 핵과 전자간의 인력이 가장 크기에 비활성기체 중에서도 가장 활성이 어렵다. 또한 수소 다음으로 작은 분자량은 이 기체를 화학적으로 불안정한, 그래서 위험한 수소의 대체재로 사용할 수 있게 해준다.

양자역학적인 이야기를 하자면, 헬륨의 동위원소는 물성이 아주 크게 다르다. 헬륨의 동위원소는 (양성자2, 중성자2, 전자2)의 4He가 있고 (양성자2, 중성자1, 전자2)의 3He가 있다. 양성자, 중성자, 전자가 각각 페르미온인데, 4He는 페르미온이 짝수개 있으니 보손이 되고 3He는 홀수개 있으니 페르미온이 된다. 그러므로 100K 이하의 극저온에서의 헬륨의 비열은 매우 다르다. 대학 3~4학년의 양자역학/통계역학의 지식이 필요하니 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 결론적으로 헬륨의 동위원소는 물리적성질이 매우 다르다. 화학적 성질 역시 질량 비의 차이가 커서 뚜렷히 다르긴 하나 하지만 기본적으로 헬륨은 화학적으로 극히 안정적인 단원자 물질이기 때문에 공학적으로는 의미가 없다.

수소와는 달리 액화시켜 냉매에도 활용되는데, 이는 작은 분자량과 동시에 극단적 비활성으로 인해, 매우 약한 분자간 인력이 온도하강의 한계인 액화점을 낮게 만들기 때문이다. 현재, 인류가 인공적으로 만드는 가장 낮은 온도는 액화헬륨을 이용하는 것.

최근 미국 유타대학교의 연구팀이 초고압에서 나트륨과의 화합물을 만드는데 성공했다. 단 113기가파스칼이라는 초고압환경에서만 유지된다고 한다.

■ 이용

공기보다 가볍기 때문에 비행선이나 풍선 안에 채워넣는 기체로 사용된다. 수소가 더 가볍고 싸긴 하지만 화기와 접촉 시 폭발과 화재의 위험이 있기 때문에 비활성 기체인 헬륨을 사용하는 것이다. 수소의 부력이 헬륨보다 8% 더 큰 것도 한 가지 원인. 독일의 유명한 비행선인 힌덴부르크호의 참사도 수소가스를 사용한 것이 큰 원인이었다. 원래 힌덴부르크호는 헬륨가스를 쓰도록 설계했는데 당시 최대의 헬륨공급처인 미국과 독일의 관계가 악화되던 중이라 미국에서 헬륨을 수출하지 않아서 그냥 수소로 채우고 갔다가 참사가 발생했다. 표면의 알루미늄이 테르밋으로 작용한 이유도 있지만, 애초에 헬륨을 썼다면 대화재나 폭발은 없었을 것이다.

심해 같은 고압의 환경에서 작업하는 잠수부들의 질소 대체 가스로 사용되기도 한다. 고압에서 기체의 분압이 높아져도 질소에 비해 혈액에 용해되는 정도가 낮기 때문에 압력을 낮출 때 생길 수 있는 잠수병을 막을 수 있다.

최근에는 대용량 하드디스크에도 헬륨이 충전된다.

또한 액체 헬륨은 초전도 전자석의 초전도 현상을 위한 냉각제로서 많은 곳에 사용되고 있다. 대표적으로 MRI등이 액체 헬륨을 냉각제로 사용한다.

한때, 기술로는 액화가 안 되던 헬륨이 최후의 영구기체로 여겨졌으나 기술이 발전하면서 헬륨도 액화가 가능하면서 영구기체의 개념이 재정의 되었다.

1기압에서는 절대영도(약 -273.15도)까지 내리더라도 고체헬륨을 만들 수 없다. 녹는점이 25기압일 때 절대영도에 가까운 -272도라서 그렇다. 즉, 극저온이라도 압력을 높여야만 고체 헬륨이 형성되는 것. 목성의 중심부 등 아주 특이한 환경을 제외하면 고체 헬륨을 실험실 밖에서 볼 수는 없다.

안정적 동위원소로는 헬륨3(3He)와 헬륨4(4He)가 있는데 지구에는 거의 헬륨4뿐이지만 달표면에는 태양풍으로 날아와 쌓인 헬륨3가 비교적 풍부하다고 알려져 있다. 그런데 지구에서는 헬륨3를 만들기가 매우 어려우며 주요 매장지 역시 미국과 러시아가 보유한 핵탄두 저장시설에서 극소량만이 생산된다. 연간생산량은 2.3Kg 정도로, 주로 핵탄두 내부의 우라늄이 자연붕괴를 일으킬 때 부산물로 생기는 헬륨3을 포집하는 방식이다. 그나마 현재에는 그 생산량이 점점 줄어드는 실정. 중성자 검출 등 상당한 수요가 있고 헬륨3는 가장 이상적인 핵융합 발전의 연료이므로 유망한 미래의 에너지 자원으로 여겨져서 SF 소설이나 우주개발 제안 등에서 달표면의 핼륨3를 채취하여 지구로 가져오자는 주장도 있다.

달에 존재하는 헬륨3(3He)는 이미 20세기에 달탐사가 이루어졌지만 21세기 시점에서 다시금 달탐사 계획이 추진되고 있는 여러 이유들 중 하나이기도 하다. 핵융합 연료로서의 가능성 때문인데, 지구상에서 얻을 수 있는 핵융합 연료인 중수소나 삼중수소에 비해서 좀 더 깨끗하고 방사능 폐기물의 생성 역시 보다 억제된 핵융합 반응을 얻을 수 있기에 중수소나 삼중수소 대신 헬륨3를 핵융합 연료로서 사용한다면 보다 안전하고 쓰기 편한 핵융합로를 만들 수 있게 되기 때문이다. 그렇기 때문에 헬륨3는 상기한 대로 가장 이상적인 핵융합 연료로 손꼽히지만, 아쉽게도 지구상에서는 얻기 힘든 물질이기도 하므로 우주개발을 통해서 채굴해야할 필요성이 있다. 그래도 다행스러운 것은 지구에서 그렇게까지 멀지 않은 달에 헬륨3가 비교적 풍부하게 존재한다는 것. 추정치로는 100만톤이지만 정밀탐사를 실시한다면 이보다 더 많을 수도 있다.

■ 목소리 변조 (도널드 덕 효과)

각종 영상매체에서는 간혹 유머용으로 쓰이기도 한다. 헬륨가스가 든 풍선을 입에 대고 가스를 마신 후 말을 하면 고음의 음성변조를 한 듯한 목소리가 나온다. 헬륨의 낮은 분자량이 빠른 이동속도를 만들어 같은 에너지로 만들어내는 음파의 진동수가 더 빠르기 때문에 원래 목소리보다 고음으로 나오는 것이다. 이를 도널드 덕 효과라고 한다. 줄리아 로버츠가 주연으로 나온 영화 '내 남자친구의 결혼식'에서도 이런 장면이 나오는데 참으로 골때린다. 참고로 크립톤을 들이마시면 반대의 현상이 일어난다.

이 놀이를 지나치게 하다보면 산소부족증에 걸릴 위험이 있는데 실제로 헬륨 애드벌룬 안에 들어가서 이 놀이를 하던 남매(혹은 연인)가 산소결핍증으로 사망하거나 뇌손상이 벌어지는 사례가 있었다. 그래서 상업용 헬륨가스에는 공기 중의 산소 비율과 비슷하게 약 20% 가량의 산소를 첨가한다. 물론 이렇게 산소를 20% 섞어도 일반공기의 밀도보다 3분의 1에 불과하기 때문에 애드벌룬을 띄우는데 문제는 없다. 공기의 평균분자량은 28.8이고, 산소-헬륨 혼합기체의 평균분자량은 약 9.6밖에 되지 않는다.

일본에서는 아이돌 멤버가 방송에서 헬륨 가스를 마셨다가 의식을 잃고 입원하는 사건이 있었다. 스타더스트 프로모션의 아이돌 연습생 3b junior이 출연하는 TV 아사히의 '3b junior의 호시쿠즈 상사'라는 방송에서 연습생인 만큼 나이가 어린 멤버도 있었는데도 방송 제작진이 성인용 헬륨 가스임을 확인하지 못하고 방송에 사용하여 문제가 발생한 것이다. 이에 TV 아사히 임원들이 사죄 기자회견을 하는 등 사태가 커졌으며 다행히 해당 멤버는 라이브에 출연할 수 있을 정도까지 회복되었다고 한다.

■ 고갈 위기

우주에서 수소 다음으로 많다. 지구엔 별로 없단다.
헬륨 역시 유전에서 얻는 자원이며, 2012년 무렵 각 국의 헬륨 플랜트가 노후화를 이유로 가동을 중지하면서 생산량이 급감. 지구 상의 헬륨이 고갈 위기에 처해 있다.

9.11 테러 이후 액체헬륨이 고갈 직전 상태가 돼서 은근히 골때리는 원소.

주 공급처인 미국은 헬륨을 전략물자로 취급해왔는데 9.11테러 이후로 헬륨공급이 매우 줄었다. 테러 이전 액화헬륨 100리터에 200~300만원에서 400만원 이상으로 값이 상승했다. 그러나 이마저도 헬륨의 실제 희소성과 가치를 전혀 반영하지 못하는 가격이라는 것이 일반론이다. 노벨상 수상자로 헬륨 전문가인 물리학자 로버트 리처드슨의 주장으로는 헬륨의 가격은 지금 가격의 일만배(...)가 적정 가격이라고 한다. 물론 액체질소를 넘어 액체헬륨을 다루는 실험실에서는 대부분 헬륨을 재포집하여 냉각하는 시스템을 갖추고 있다. 그러나 조금씩은 손실이 생기는 법이고, 이 정도 손실도 작은 대학, 작은 연구실일수록 엄청난 부담으로 다가온다. 그나마도 4He의 이야기.

3He가 되면 부르는 게 값이다. 중수로에서 삼중수소를 채취하거나 그나마 약간이나 대량으로 채취하는 법은 6Li에 열중성자를 충돌시키면 3H와 4He이 형성되며 여기서 3H가 붕괴되는데 기다리면 된다. 이런식으로 채취하니 엄청나게 비싼 기체이다.

연구용이나 중성자 검출기 용도로 쓰인다.

헬륨은 새로운 매장자원이 발견되지 않으면 대략 30년이면 고갈된다. 광섬유나 LCD 제작에 헬륨이 꼭 필요한데, 고갈된 후에는 어떻게 될지... 뭐 핵융합발전이 상용화되면... 그래도 3He는... 근데 2016년 6월 28일에 탄자니아에서 새로운 대규모 헬륨가스전이 발견되었다.
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