Helium on kemiallinen elementti, jonka atominumero on 2, mikä tarkoittaa, että neutraalissa heliumatomissa on kaksi protonia ja kaksi elektronia. Heliumin tärkeimpiä kemiallisia ominaisuuksia ovat sen atomimassa, aineen tila, kiehumis- ja sulamispisteet sekä tiheys. Elementin atomimassa on 4.0026 grammaa moolia kohti ja se on kaasu lähes kaikissa lämpötiloissa ja paineolosuhteissa. Heliumin tiheys on 0.1786 grammaa litrassa 32 ° C: n lämpötilassa ja 0.0 kilopascalia (kPa).
Nestemäistä ja kiinteää heliumia voi esiintyä vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa olevissa korkeapaineolosuhteissa. Yksi heliumin epätavallisista ominaisuuksista on se, että se ei voi esiintyä kiinteänä aineena tai nesteenä normaalipaineessa edes erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Noin 360 kiloa neliötuumaa (2.5 megapascalia) paineessa siirtyminen nesteen ja kiinteän aineen välillä tai sulamispiste on -458 ° F (0.95 Kelvin). Kiehumispiste on -452 ° F (4.22 Kelvin).
Jotkut heliumin ominaisuuksista tekevät siitä mielenkiintoisen ja yleisen kvanttimekaniikan oppiaineen. Alhaisen atomiluvun vuoksi se on toiseksi yksinkertaisin atomi vedyn jälkeen. Matemaattisilla menetelmillä voidaan analysoida subatomisten hiukkasten – protonien, elektronien ja neutronien – käyttäytymistä heliumatomissa. Tällaiset menetelmät eivät kuitenkaan voi täysin määrittää näiden hiukkasten käyttäytymistä. Atomeja, joilla on suurempi atomiluku ja joissa on enemmän subatomisia hiukkasia, on yleensä vaikeampi käsitellä kvanttimekaanisen analyysin kannalta.
Helium on kaikkein vähiten reaktiivinen kaikista aineista. Heliumin ei-reaktiiviset ominaisuudet johtuvat siitä, että se on kevyin yleensä ei-reaktiivisista jalokaasuista. Jalokaasulla on “täysi” elektronikuori, mikä tarkoittaa, että se ei voi helposti antaa tai vastaanottaa elektroneja kemiallisessa reaktiossa. Elektroninvaihto tai -jako on useimpien kemiallisten reaktioiden perusta, joten jalokaasut osallistuvat yleensä vain harvoihin kemiallisiin reaktioihin. Lisäksi heliumissa on vain kaksi elektronia, jotka voisivat osallistua reaktioon ollenkaan, kun taas kaikissa muissa jalokaasuissa – ja itse asiassa kaikissa vetyä lukuun ottamatta – on enemmän.
Heliumille on monia eri käyttötarkoituksia, jotka johtuvat heliumin kemiallisista ominaisuuksista – erityisesti sen kevyestä painosta, lämpötilasta ja paineesta sekä alhaisesta reaktiivisuudesta. Helium on esimerkiksi huomattavasti kevyempää kuin ilma, joten sitä käytetään usein ilmapallojen täyttämiseen, jotta ne voivat kellua, ja ilmalaivoja, kuten blimpit, jotta ne voivat lentää. Nestemäistä heliumia, joka voi esiintyä vain äärimmäisissä paineissa ja erittäin alhaisissa lämpötiloissa, käytetään jäähdytysaineena suprajohteille, jotka saavuttavat erittäin johtavat ominaisuudet vain hyvin alhaisissa lämpötiloissa.