Helium är ett kemiskt grundämne med atomnummer 2, vilket betyder att en neutral heliumatom har två protoner och två elektroner. Heliums viktigaste kemiska egenskaper inkluderar dess atommassa, materiens tillstånd, kok- och smältpunkter och densitet. Grundämnet har en atommassa på 4.0026 gram per mol och är en gas vid nästan alla temperaturer och tryckförhållanden. Heliums densitet är 0.1786 gram per liter vid 32°F (0.0°C) och 101.325 kilopascal (kPa).
Flytande och fast helium kan endast existera under extremt låga temperaturer och högtrycksförhållanden. En av de ovanliga egenskaperna hos helium är att det inte kan existera som fast eller vätska vid normala tryck, inte ens vid extremt låga temperaturer. Vid ett tryck på ungefär 360 pund per kvadrattum (2.5 megapascal) är övergången mellan flytande och fast substans, eller smältpunkten, -458°F (0.95 Kelvin). Kokpunkten är -452°F (4.22 Kelvin).
Några av egenskaperna hos helium gör det till ett intressant och vanligt ämne för studier inom kvantmekanik. Det är, på grund av sitt låga atomnummer, den näst enklaste atomen efter väte. Matematiska procedurer kan användas för att analysera beteendet hos de subatomära partiklarna – protoner, elektroner och neutroner – i heliumatomen. Sådana metoder kan dock inte bestämma beteendet hos dessa partiklar med absolut säkerhet. Atomer med större atomnummer, som har fler subatomära partiklar, tenderar att vara svårare att arbeta med när det gäller kvantmekanisk analys.
Helium är det minst reaktiva av alla grundämnen. Heliums icke-reaktiva egenskaper härrör från det faktum att det är den lättaste av de generellt icke-reaktiva ädelgaserna. En ädelgas har ett ”fullt” elektronskal, vilket betyder att den inte lätt kan ge eller ta emot elektroner i en kemisk reaktion. Elektronutbyte eller delning är grunden för de flesta kemiska reaktioner, så ädelgaserna tenderar att delta i få kemiska reaktioner. Dessutom har helium bara två elektroner som överhuvudtaget kan delta i en reaktion, medan alla andra ädelgaser – och faktiskt alla element förutom väte – har fler.
Det finns många olika användningsområden för helium som härrör från heliums kemiska egenskaper – särskilt dess låga vikt, temperatur och tryckkvaliteter och dess låga reaktivitet. Helium är till exempel betydligt lättare än luft, så det används ofta för att fylla ballonger så att de kan flyta och luftskepp som luftskepp så att de kan flyga. Flytande helium, som endast kan existera vid extrema tryck och vid mycket låga temperaturer, används som kylmedel för supraledare, som endast antar sina extremt ledande egenskaper vid mycket låga temperaturer.