第1周期元素（水素・ヘリウム）：特徴と1s軌道・デュエット則の解説

周期1には2つの元素しかないので、顕著な周期的傾向はありません。

水素もヘリウムもsブロックに属しているが、他のsブロック元素とは挙動が似ていない。この2つの元素を周期表のどの位置に置くべきかという議論がある。

水素

水素の位置は、リチウムの上にあったり、炭素の上にあったり、フッ素の上にあったり、リチウムとフッ素の両方の上にあったり（2回登場）、他の元素の上に浮かんでいたりして、周期表のどのグループにも属していない。

ヘリウム

ヘリウムは希ガスであるため、周期表ではほとんどの場合、pブロックのネオンよりも上に位置する。しかし、電子配置が似ていることから、ベリリウムよりも上に位置することもある。

水素

水素（記号：H）は化学元素の一つで、原子番号は1です。標準的な温度と圧力では、水素は無色、無臭、無味。非金属に属し、引火性が高い。原子質量は1.00794amuで、最も軽い元素である₂。

水素は化学元素の中で最も存在感のある物質です。水素の存在率はおよそ75％です。主系列の星は、主にプラズマ状態の水素で構成されています。しかし、地球上には水素の量が少なくなっています。そのため、工業的には炭化水素（メタンなど）から水素を製造しています。私たちは、生産現場で局所的に元素水素を使用しています。最大の市場は、水素化分解などの化石燃料のアップグレードと、主に肥料市場向けのアンモニア製造にほぼ均等に分けられます。水から電気分解によって水素を製造することもできるが、このプロセスは天然ガスからの水素製造よりも商業的にかなり高価である。

自然界に存在する最も一般的な水素の同位体であるプロチウムは、陽子が1個で中性子を持たない。イオン化合物の中では、水素は正の電荷を帯び、裸のプロトンからなるカチオンになるか、負の電荷を帯び、ハイドライドと呼ばれるアニオンになる。水素はほとんどの元素と化合物を作ることができ、水やほとんどの有機化合物に含まれている。特に酸塩基化学では重要な役割を果たしており、多くの反応で可溶性分子間のプロトンの交換が行われる。シュレーディンガー方程式を解析的に解くことができる唯一の中性原子である水素原子のエネルギーとスペクトルの研究は、量子力学の発展に重要な役割を果たした。

水素と様々な金属との相互作用は、多くの金属が水素脆化を起こす可能性があるため、冶金学や、燃料として使用するための安全な貯蔵方法を開発する上で非常に重要である。水素は、希土類金属や遷移金属からなる多くの化合物に非常に溶けやすく、結晶性の金属にも非晶質の金属にも溶解する。金属に対する水素の溶解性は、金属の結晶格子の局所的な歪みや不純物の影響を受ける。

ヘリウム

ヘリウム（He）は、無色、無臭、無味、無毒、不活性の単原子化学元素で、周期表の希ガス族を代表する元素であり、原子番号は2である。 沸点と融点は元素の中で最も低く、極限状態を除いて気体としてのみ存在する。

ヘリウムは、1868年にフランスの天文学者ピエール・ヤンセンによって発見された。ヤンセンは、日食の光に含まれる未知の黄色いスペクトル線の特徴としてこの物質を初めて検出した。1903年、ヘリウムの大規模な埋蔵量が米国の天然ガス田で発見され、現在では最大の供給国となっている。この物質は、低温学、深海呼吸システム、超伝導磁石の冷却、ヘリウム・デーティング、気球の膨張、飛行船の揚力、アーク溶接やシリコン・ウェハーの成長などの産業用保護ガスとして使用されている。少量のヘリウムガスを吸うと、人間の声の音色や質が一時的に変化する。液体ヘリウム4の2つの流体相、ヘリウムIとヘリウムIIの挙動は、量子力学や超流動現象を研究する研究者や、超伝導のように絶対零度に近い温度が物質に与える影響を研究する研究者にとって重要である。

ヘリウムは2番目に軽い元素で、観測可能な宇宙では2番目に多く存在する。ほとんどのヘリウムはビッグバンで生成されたが、星の中で水素が核融合することで新たなヘリウムが生成されている。地球上では、ヘリウムは比較的稀で、放射性元素の自然崩壊によって、放出されるアルファ粒子がヘリウム原子核で構成されているために作られる。この放射性ヘリウムは、天然ガス中に最大7％の濃度で含まれており、商業的には分留と呼ばれる低温の分離プロセスによって抽出される。