Heliul este un element chimic cu numărul atomic 2, ceea ce înseamnă că un atom neutru de heliu are doi protoni și doi electroni. Cele mai importante proprietăți chimice ale heliului includ masa atomică, starea materiei, punctele de fierbere și de topire și densitatea. Elementul are o masă atomică de 4.0026 grame pe mol și este un gaz la aproape toate temperaturile și condițiile de presiune. Densitatea heliului este de 0.1786 grame pe litru la 32°F (0.0°C) și 101.325 kilopascali (kPa).
Heliul lichid și solid poate exista numai în condiții de temperatură extrem de scăzută și presiune înaltă. Una dintre proprietățile neobișnuite ale heliului este că nu poate exista ca solid sau lichid la presiuni normale, chiar și la temperaturi extrem de scăzute. La o presiune de aproximativ 360 de lire pe inch pătrat (2.5 megapascali), tranziția dintre lichid și solid, sau punctul de topire, este de -458 ° F (0.95 Kelvin). Punctul de fierbere este de -452°F (4.22 Kelvin).
Unele dintre proprietățile heliului îl fac un subiect de studiu interesant și comun în mecanica cuantică. Din cauza numărului său atomic scăzut, este al doilea cel mai simplu atom după hidrogen. Procedurile matematice pot fi utilizate pentru a analiza comportamentul particulelor subatomice – protoni, electroni și neutroni – din atomul de heliu. Cu toate acestea, astfel de metode nu pot determina comportamentul acestor particule cu o certitudine absolută. Atomii cu numere atomice mai mari, care au mai multe particule subatomice, tind să fie mai greu de lucrat în ceea ce privește analiza mecanică cuantică.
Heliul este cel mai puțin reactiv dintre toate elementele. Proprietățile nereactive ale heliului provin din faptul că este cel mai ușor dintre gazele nobile, în general, nereactive. Un gaz nobil are un înveliș de electroni „plin”, ceea ce înseamnă că nu poate da sau primi cu ușurință electroni într-o reacție chimică. Schimbul de electroni sau partajarea este baza pentru majoritatea reacțiilor chimice, astfel încât gazele nobile tind să participe la puține reacții chimice. În plus, heliul are doar doi electroni care ar putea participa la o reacție, în timp ce toate celelalte gaze nobile – și într-adevăr, toate elementele în afară de hidrogen – au mai mulți.
Există multe utilizări diferite pentru heliu care decurg din proprietățile chimice ale heliului – în special greutatea sa ușoară, calitățile de temperatură și presiune și reactivitatea sa scăzută. Heliul este, de exemplu, considerabil mai ușor decât aerul, așa că este adesea folosit pentru umplerea baloanelor, astfel încât acestea să plutească și a aeronavelor, cum ar fi dirigibilile, pentru a putea zbura. Heliul lichid, care poate exista doar la presiuni extreme și la temperaturi foarte scăzute, este folosit ca lichid de răcire pentru supraconductori, care își iau proprietățile extrem de conductoare doar la temperaturi foarte scăzute.