水素
水素（すいそ、Hydrogen）は、非金属の元素の一つであり、原子番号は 1、元素記号は H で表される。宇宙で最も軽く、豊富に存在する原子であり、水や有機化合物、生物内部にも多数存在する。無色、無臭で、非常に燃えやすいなどの特徴がある。水素は、ほとんどの元素と化学反応を起こすことができ、アンモニアの製造、浮揚用ガス、代替燃料、燃料電池などとして使われている。また、宇宙に於ける主系列の天体の活動のほとんどはプラズマとなった水素の反応によるものである。
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| 一般特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| 名称, 記号, 番号 | 水素, H, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 分類 | 非金属元素 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 1 (IA), 1, s | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度、硬度 | 0.0899 kg/m3、不明 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 色 | 無色 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子性質 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 1.00794 amu | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子半径 (計測値) | 25 (53) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 37 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| VDW半径 | 120 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | 1s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子殻 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化数 (酸化物) | 1 (両性) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方晶系 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 相 | 気体 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 14.025 K (-259.125℃) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 20.268 K (-252.882℃) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| モル体積 | 11.42 ×10;10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 0.44936 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 0.05868 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸気圧 | 209 Pa (23 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 音の伝わる速さ | 1270 m/s (298.15 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| その他 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| クラーク数 | 0.87 % | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | 2.2（ポーリング） | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 比熱容量 | 14304 J/(kg*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 導電率 | __ 106/m Ω | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 0.1815 W/(m*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ION化エネルギー | 1312 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| (比較的)安定同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| 注記がない限り国際単位系使用及び標準状態下 | |||||||||||||||||||||||||||||||
特徴
水素は最も軽く、単純な構造の元素であり、1つの陽子と周りを回る1つの電子によって構成されている。常温、常圧では無色、無臭の気体 H2 の形態を取る。この融点は 14.02K（-259.2 ℃）、沸点は 20.27K（-252.6℃）である。ガス惑星の内部など非常に高い圧力下では性質が変わり、液状の金属になると考えられている。逆に宇宙空間など非常に圧力が低い場合水素単体の元素で存在していることもある。H2分子形状の雲は星の形成などに関係あると考えられている。水素は陽子-陽子連鎖とCNOサイクルという、2つの水素原子からヘリウムを生成する、二つの核融合反応を起こす担い手であり、宇宙全体の活動に深く関わりがある。
標準状態での比重は空気を 1 として 0.0695。気体としては最も軽い。常温で安定であるが、フッ素とは低温でも非常に激しく反応する。
水素と酸素を、体積比 2:1 で混合したものに火を付けると激しく爆発する（水素爆鳴気）。
用途
水素は工業的にあらゆるところで使用されている。特にハーバー法を用いたアンモニア製造や、水素添加による油脂の製造、メタノールの生成などに使用されている。 • 水素脱アルキル（？）、水素脱硫、水素化分解 • 塩酸の製造、触媒、ロケットの燃料、金属鉱石の還元 • 液体水素は超伝導現象を含む低温学の調査に使用される。 • 三重水素は原子炉内で生成され、原子爆弾の製造に使用される。 • 水素の重さは、通常の空気の 14.5分の１程度と、非常に軽い。ヒンデンブルグ号事件までは、気球や飛行船の浮揚用ガスとして、幅広く使用されていた。しかし、同事件以後、取り扱いに注意が必要な気体であることが、広く認知されるようになった。 • 重水素は核での用途で、中性子の減速に使用され、化学や生物学では同位体効果の研究に使用されている。 • 三重水素は生体科学では同位体として扱われており、細胞の発光塗料として使用されている。水素は内燃機関の燃料として使用でき、水素エンジンを積んだ自動車がクライスラーベンツ社から発売されている。水素の燃料電池としての使用は安価で無汚染のエネルギーとして注目されている。
歴史
水素の英語名 Hydrogen は、はじめフランス語で命名され、「水を生ずるもの」を意味し、これはギリシャ語の hydôr,υδωρ（水）と gennen（発生）の合成語である。水素を水素として発見したのは1776年、ヘンリー・キャベンディッシュであり、命名したのはアントワーヌ・ラボアジエである。
存在量と原料
水素は宇宙で最も豊富にある元素である。質量では宇宙全体の75%を占め、原子の数は全原子の90%以上を占めていると言われる。これらのほとんどは恒星あるいはガス型惑星の構成物として存在している。宇宙では大量に存在しているにもかかわらず、地球の大気中には1ppm以下とほとんど存在していない。地球上で水素を作る場合、水（H2O）を主な原料とする。その他の原料としては有機物を原料とする石炭、石油、天然ガスなどがある。有機物が腐敗する際の副産物でできるメタンも水素の重要な原料となっている。
化合物
水素は電気陰性度が2.2あり、非金属元素とも金属元素とも親和しやすい。水素化物のなかでは水素は H- イオンとして存在するか、他の物質内で液体となっている。（パラジウム水素化物など）一方、共有結合では H+ イオンとなり、他の原子を強力に引き寄せる性質を持つ。このどちらも酸性である。酸化溶液としては H3O+ のようなものもある。
水素と酸素が化合すると水（H2O）ができる。この際、爆発的な燃焼が生じ、引き離すためには大きなエネルギーが必要となる。二重水素は D2O とも表記し、重水と呼ばれている。
水素はまた、炭素と巨大な連鎖構造を作る。この作用から水素と炭素を含む化合物を有機化合物と呼び、有機化合物についての研究は有機化学と呼ばれている。
水素の化合物
• 水 (H2O) • アンモニア (NH3) • フッ化水素（HF、他に、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素) • LiH（水素化リチウム） • 有機化合物（下に例を示した） • メタン (CH4) • エタノール (C2H5OH) • ベンゼン (C6H6)
同位体
水素の同位体には、重水素 （Deuterium、陽子 1、中性子 1、電子 1 Dと表記する)、三重水素 (Tritium、陽子 1、中性子 2、電子 1 Tと表記する) があり、1H を、それらと区別して 軽水素 と呼ぶこともある。三重水素はまた、トリチウム とも呼ばれる。
水素の金属化
水素を非常に高い圧力下に置くと金属化すると考えられている。しかしながら、2003年現在、数百GPa（100GPa = 100万気圧）のオーダーで圧力を加える実験が行われているが、まだ水素の金属化は起こっていない。水素は最も軽い元素なので金属化するような状況では、室温超伝導になっているのではないかという予想もあるが、金属化そのものが達成されていないために、その真偽は未だ不明である。 この可能性の傍証として周期表で水素のすぐ下のリチウムは、30GPa以上という超高圧下で、超伝導を示すことが分かっている。超伝導への転移温度は圧力48GPaで20 K程度であるが、この数字は単体元素のものとしては高い方であり、いくつかの例外を除けば一般に軽いほど転移温度は高くなるため、リチウムより軽い水素は、より高い温度で転移する可能性が十分あり得る。
木星深部は非常に高い圧力になっており、木星を構成する元素の一つである水素は、この状況下では金属化している可能性があり、木星の磁場との関わりも指摘されている。
関連項目
• 周期表 - 水素原子 • 水素原子におけるシュレーディンガー方程式の解 • 水素結合 • 反水素• 水素自動車
