왜 헬륨은 절대영도로 고체가 되지 않는가?

절대영도는 열역학에서 절대 온도 K의 최저가 되는 온도를 말한다. 이 절대영도는 섭씨 -273.15℃이다. 이 온도에서는 엔트로피와 엔탈피는 0이 된다.

이 온도가 되면 모든 물질은 얼어붙는데, 실은 헬륨은 단순히 절대영도가 된 것만으로는 고체가 되지 않는다.

헬륨가스는 상온에서는 비행선의 내용물에 사용될 정도로 가볍고 흡입하면 목소리가 높아지는 것으로 유명하다. 이 가스는 상압 하에서 약 4K(-269℃)에서 액체로 변화한다. 이 끓는점은 모든 물질 중에서 가장 낮습니다. 헬륨보다 가벼운 수소분자 쪽이 융점이 높다.

헬륨은 절대영도에서도 압력이 없으면 액체상태를 유지하고 고체로 하려면 25기압의 압력을 가해야 한다(해발 0m의 기압이 1기압이다).

잘 알려진 바와 같이 헬륨의 최외각은 전자로 채워지기 때문에 헬륨 자체는 화학반응을 일으키기 어려운 희가스로 분류된다. 헬륨원자끼리 화학반응을 하는 일도 없기 때문에 원자 1개로 안정된 상태가 된다. 이 경우 헬륨원자 1개로 분자처럼 운동할 수 있다. 이와 같이 1개의 원자만으로 이루어지는 분자를 단원자 분자라고 부른다.

희가스를 구성하는 단원자 분자간에는 상호작용 인력이 작용하고 있다. 이 인력은 원자핵 주위에 편재하는 전자의 불균형(원자핵 주위에 편재하고 있는 전자가 일부분에 달려 있는 것)에 의한 반데르발스 힘(van der Waals force)이다. 반대로 분자가 너무 가까워서 두 원자의 전자구름이 겹치면 파울리의 배타율에 의해 강한 척력이 발생한다. 이 인력과 척력이 균형을 이룰 때의 원자간 거리는 원자의 직경이 된다.

이 상호작용에 의해 분자가 규칙적으로 정렬되어 있는 상태가 고체이다. 반대로 분자가 이 상호작용을 넘어갈 정도로 큰 에너지를 가지고 있고 공간을 자유롭게 날아다니는 상태가 기체이다. 그리고 이러한 중간에서 완전히 상호작용을 떨치지 못했지만 분자의 정렬을 붕괴시키기에 충분한 에너지를 분자가 가지고 있으면 액체가 된다.

분자간력이 생기는 원인은 많이 있다. 반데르발스 힘 이외에 이온 간 상호작용, 쌍극자 상호작용, 수소결합을 들 수 있다.

그러나 희가스의 단원자 분자 간의 상호작용에 의한 힘은 반데르발스 힘 이외에는 무시할 정도로 작다. 사실 희가스 원자는 이온화하거나 수소결합하지 않고 화학반응도 하지 않으며 전기음성도의 값 또한 없기 때문에 전기 쌍극자도 발생하지 않는다. 따라서 희가스의 분자간력은 다른 원소의 분자간력보다 약하다.
따라서 희가스의 융점과 비점은 낮아진다.

단 헬륨원자의 질량은 작기 때문에 다른 희가스 원자와 비교하여 움직이기 쉬운 원자라고 할 수 있다. 게다가 반데르발스 힘은 양자요동에 의한 것이기 때문에 반데르발스 힘은 그 원자에 포함되는 전자가 많을수록 강해진다. 그런데 헬륨의 원소번호는 2로 작기 때문에 이 인력은 희가스 중에서도 매우 약하다고 추측된다.

절대영도로 고체가 되지 않는다는 것은 그만큼 헬륨원자간의 상호작용이 약하다는 것이다.

가장 일반적인 수소의 동위원소는 질량 수 1의 수소원자이다. 따라서 일반적인 수소분자의 질량수는 2가 된다. 일반적인 헬륨의 질량수는 4이기 때문에 수소분자 쪽이 헬륨원자보다 질량이 작다.

그런데 실험에 의하면 헬륨 쪽이 수소보다 고체가 되기 어렵다. 사실 수소의 융점은 약 4K(-259.2℃)이며 상압에서도 고체가 될 수 있다.

그 이유는 수소분자가 2원자 분자이기 때문이다. 전술한 바와 같이 헬륨원자의 분자간력은 반데르발스 힘 이외는 무시할 정도로 작다. 그러나 수소분자는 반데르발스 힘 외에도 전기적 인력이 존재한다. 이 전기적 인력은 수소가 고체가 되기 쉽게 한다.

▣ 요약
・헬륨은 절대영도에서도 고체가 되지 않는다. 고체로 만들기 위해서는 매우 큰 압력을 가할 필요가 있다.
・헬륨원자간의 인력은 매우 약하기 때문에 저온에서도 정렬하기 어렵다.
・헬륨에 한정되지 않고 다른 희가스의 융점·비점도 매우 낮다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 希ガスの性質―なぜヘリウムは絶対零度で固体にならないのか
https://butsurimemo.com/liquid-helium/