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 プラズマ状態では紫色に輝く | ||||||||||||||||||||||||||
| 水素 | ||||||||||||||||||||||||||
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| 外観 | 無色のガス | |||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(H) | ||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表における水素 | ||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 1 | |||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ1: 水素およびアルカリ金属 | |||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間1 | |||||||||||||||||||||||||
| ブロック | Sブロック | |||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | 1秒1 | |||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 1 | |||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | ガス | |||||||||||||||||||||||||
| 融点 | ( H 2 ) 13.99 K (−259.16 °C, −434.49 °F) | |||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | （H 2）20.271 K（−252.879 °C、−423.182 °F） | |||||||||||||||||||||||||
| 密度 （STP） | 0.08988グラム/リットル | |||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 0.07 g/cm 3（固体：0.0763 g/cm 3）[3] | |||||||||||||||||||||||||
| 液体のとき（ 沸点） | 0.07099グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||
| 三点 | 13.8033 K、7.041 kPa | |||||||||||||||||||||||||
| 臨界点 | 32.938 K、1.2858 MPa | |||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | （H2 ） 0.117kJ /モル | |||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | （H2 ） 0.904kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | ( H 2 ) 28.836 J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −1、0、 +1（ 両性酸化物） | |||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 2.20 | |||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 共有結合半径 | 午後31時±5時 | |||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後120時 | |||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六角形（hP4） | |||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  c = 618.31 pm （三重点）[4] | |||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 0.1805 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性[5] | |||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −3.98 × 10 −6 cm 3 /モル（298 K）[6] | |||||||||||||||||||||||||
| 音速 | 1310 m/s (ガス、27 °C) | |||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 12385-13-6 1333-74-0 ( H 2 ) | |||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | ヘンリー・キャベンディッシュ[7] [8] (1766) | |||||||||||||||||||||||||
| 命名者 | ルイ＝ベルナール・ギトン・ド・モルヴォー アントワーヌ・ラヴォアジエ[9] [10] (1787) | |||||||||||||||||||||||||
| 水素の同位体 | ||||||||||||||||||||||||||
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水素は元素記号 Hで原子番号1である。最も軽い元素で、標準状態では化学式H 2の二原子分子の気体であり、二水素と呼ばれることもあるが[11]、より一般的には水素ガス、分子状水素、または単に水素と呼ばれる。無色、無臭、[12]無毒で、非常に可燃性である。水素は通常の物質の約75%を構成し、宇宙で最も豊富な化学元素である。[13] [注 1]太陽を含む恒星は主にプラズマ状態の水素で構成されていますが、地球上では、水素は水、有機化合物、二水素、およびその他の分子の形で存在します。最も一般的な水素の同位体（陽子、1 H）は、1つの陽子、1つの電子で構成され、中性子は含まれていません。
初期宇宙では、ビッグバン後の最初の1秒間に水素の陽子が形成され、中性水素原子は、宇宙が冷却し、プラズマが電子が陽子に結合したままでいられるほど冷えた約37万年後の再結合期にのみ形成されました。 [14]水素は、極度の圧力下を除いて通常は非金属ですが、ほとんどの非金属と共有結合を容易に形成し、水やさまざまな有機物質などの化合物の形成に寄与します。水素の役割は、主に可溶性分子間の陽子交換を伴う酸塩基反応において非常に重要です。イオン性化合物では、水素は、負に帯電した陰イオン（水素化物として知られる）または正に帯電した陽イオン（ H + ）のいずれかの形をとります。通常、陽子（記号p ）である陽イオンは、水溶液中で特定の挙動を示し、イオン性化合物では周囲の極性分子または陰イオンによる電荷の遮蔽が関与します。シュレーディンガー方程式を直接解くことができる唯一の中性原子としての水素のユニークな位置は、そのエネルギーと化学結合の探究を通じて量子力学の基礎原理に大きく貢献しました。[15]
水素ガスは、16世紀初頭に酸と金属を反応させることで初めて人工的に生成されました。ヘンリー・キャベンディッシュは、1766年から1781年にかけて、水素ガスを独自の物質として特定し[16]、燃焼すると水を生成する特性を発見しました。そのため、水素ガスの名前はギリシャ語で「水生成者」を意味します。
水素生産のほとんどは天然ガスの水蒸気改質によって行われ、水の電気分解などのエネルギー集約型の方法によるものもごくわずかです。[17] [18]主な工業用途には、水素化分解などの化石燃料の処理やアンモニア製造があり、燃料電池での発電や熱源としての用途も増えています。 [19]燃料電池で使用する場合、使用時点での水素の排出物は水蒸気のみですが、[19]燃焼により窒素酸化物が発生する可能性があります。[19]水素と金属との相互作用により脆化が発生する可能性があります。[20]
プロパティ
燃焼
水素ガスは非常に可燃性です。
- 2 H 2 (g) + O 2 (g) → 2 H 2 O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141.865 MJ/kg) [注 2]
燃焼エンタルピー：−286 kJ/mol. [21]
水素ガスは、濃度4～74%の空気と爆発性混合物を形成します[22]。また、濃度5～95%の塩素とは爆発性混合物を形成します。水素の自然発火温度、つまり空気中での自然発火温度は500℃（932℉）です。[23]
炎
純粋な水素酸素の炎は紫外線を発し、酸素の混合比が高いと肉眼ではほとんど見えません。これは、スペースシャトルのメインエンジンのかすかな煙で示されていますが、過塩素酸アンモニウムの複合材料を使用するスペースシャトルの固体ロケットブースターの非常に目立つ煙と比較されます。燃焼中の水素漏れを検出するには、炎検出器が必要な場合があります。このような漏れは非常に危険です。他の条件での水素の炎は青色で、青い天然ガスの炎に似ています。 [ 24]ヒンデンブルク号の破壊は水素燃焼の悪名高い例であり、原因は今でも議論されています。写真で見える炎は、飛行船の外皮の炭素化合物が燃えた結果でした。[25]
反応物
H 2 は、ハロゲンや酸素などの二原子元素に比べて反応性が低い。この反応性の低さの熱力学的根拠は、結合解離エネルギーが435.7 kJ/mol の非常に強い H–H 結合である。[26]反応性の低さの運動学的根拠は、H 2の非極性とその弱い分極率である。H 2 は塩素やフッ素と自発的に反応し、それぞれ塩化水素やフッ化水素を形成する。 [27] H 2の反応性は、金属触媒の存在によって大きく左右される。したがって、H 2とO 2または空気の混合物は、火花または炎によって少なくとも 500°C に加熱されると容易に燃焼するが、触媒がなければ室温では反応しない。
電子エネルギーレベル
水素原子中の電子の基底状態エネルギーレベルは-13.6 eVであり [ 28 ] 、これはおよそ波長91 nmの紫外線 光子に相当します。 [29]
水素のエネルギーレベルは、電子が地球が太陽の周りを回るのと同じように陽子の周りを回るボーアの原子模型を使ってかなり正確に計算できる。しかし、電子と陽子は静電引力によって結びついているのに対し、惑星や天体は重力によって結びついている。ボーアが初期の量子力学で仮定した角運動量の離散化により、ボーアの模型では電子は陽子から一定の許容距離しかとれず、したがって一定の許容エネルギーしかとれない。[30]
水素原子のより正確な記述は、シュレーディンガー方程式、ディラック方程式、またはファインマン 経路積分定式を使用して陽子の周りの電子の確率密度を計算する量子解析から得られます。 [31]最も複雑な式には、特殊相対性理論と真空分極の小さな効果が含まれます。量子力学的処理では、基底状態の水素原子の電子には角運動量がないため、「惑星軌道」が電子の運動とどのように異なるかを示しています。
スピン異性体
分子状水素は、 2 つのスピン異性体、すなわち核のスピン状態のみが異なる化合物として存在する。 [32]オルト水素型では、2 つの核のスピンは平行で、分子スピン の総和を持つスピン三重項状態を形成する。パラ水素型では、スピンは反平行で、スピン を持つスピン一重項状態を形成する。オルト水素とパラ水素の平衡比は温度に依存する。室温またはそれより暖かい温度では、平衡水素ガスにはパラ型が約 25%、オルト型が約 75% 含まれる。[33]オルト型は励起状態であり、パラ型よりも 1.455 kJ/mol 高いエネルギーを持ち、[34]低温に冷却すると数分でパラ型に変換される。[35]型の熱特性が異なるのは、許容される回転量子状態が異なるためであり、その結果、熱容量などの熱特性が異なる。[36]
H2のオルト対パラ比は、液体水素の液化と貯蔵において重要な考慮事項です。オルトからパラへの変換は発熱反応であり、冷却プロセス中に最初にパラ水素に変換されなければ、液体の大部分が蒸発するのに十分な熱が発生します。[37]この液体の損失を防ぐために、水素冷却中に酸化鉄や活性炭化合物などのオルト-パラ相互変換触媒が使用されます。[38]
フェーズ
化合物
共有結合と有機化合物
H 2 は標準状態ではそれほど反応性が高くないが、ほとんどの元素と化合物を形成する。水素は、ハロゲン（F、Cl、Br、I）や酸素など、より電気陰性度の高い元素と化合物を形成でき、これらの化合物では水素は部分的に正に帯電する。[39]より電気陰性度の高い元素、特にフッ素、酸素、窒素と結合すると、水素は孤立電子対を持つ別の電気陰性度の高い元素と中程度の強度の非共有結合を形成する。この現象は水素結合と呼ばれ、多くの生体分子の安定性に非常に重要である。[40] [41]水素は、金属や半金属など、電気陰性度の低い元素とも化合物を形成し、部分的に負に帯電する。これらの化合物はしばしば水素化物として知られている。[42]
水素は炭素と炭化水素と呼ばれる多くの化合物を形成し、さらにヘテロ原子と結合した化合物は生物との関連性から有機化合物と呼ばれる。[43]それらの特性の研究は有機化学として知られており[44] 、生物との関連での研究は生化学と呼ばれている。[45]いくつかの定義によれば、「有機」化合物は炭素のみを含む必要がある。しかし、それらのほとんどは水素も含み、炭素-水素結合がこのクラスの化合物にその特定の化学的特性のほとんどを与えるため、化学における「有機」という単語のいくつかの定義では炭素-水素結合が必要とされる。[43]炭化水素は何百万も知られており、それらは通常、元素水素がほとんど関与しない複雑な経路によって形成される。
水素は多くの希土類金属や遷移金属に非常に溶けやすく[46]、ナノ結晶金属とアモルファス金属の両方に溶けます。[47]金属中の水素の溶解度は、結晶格子の局所的な歪みや不純物の影響を受けます。[48]これらの特性は、水素を高温パラジウムディスクに通して精製するときには役立つかもしれませんが、ガスの高い溶解度は冶金上の問題であり、多くの金属の脆化に寄与し、 [20]パイプラインや貯蔵タンクの設計を複雑にします。[49]
水素化物
水素化合物はしばしば水素化物と呼ばれるが、この用語はかなり緩く使用されている。「水素化物」という用語は、H 原子がH −で示される負またはアニオン特性を獲得したことを示しており、水素がより電気陽性の元素と化合物を形成するときに使用される。1916 年にギルバート N. ルイスが1 族および 2 族の塩状水素化物について示唆した水素化物アニオンの存在は、1920 年にモーアスが溶融水素化リチウム(LiH) の電気分解によって実証し、陽極で化学量論量の水素を生成した。 [50] 1 族および 2 族金属以外の水素化物の場合、水素の電気陰性度が低いことを考えると、この用語は非常に誤解を招く可能性がある。2 族水素化物の例外はポリマーであるBeH 2である。リチウムアルミニウム水素化物では、[AlH 4 ] −アニオンが Al(III) にしっかりと結合した水素化物中心を持っている。
水素化物はほぼ全ての主族元素で形成できるが、可能な化合物の数と組み合わせは多岐にわたる。例えば、100種類以上の二元ボラン水素化物が知られているが、二元アルミニウム水素化物は1種類しかない。[51]二元インジウム水素化物はまだ特定されていないが、より大きな錯体が存在する。[52]
無機化学では、水素化物は配位錯体中の2つの金属中心を連結する架橋配位子としても機能する。この機能は、特に13族元素、特にボラン（水素化ホウ素）やアルミニウム錯体、およびクラスター化カルボランでよく見られる。[53]
陽子と酸
水素の酸化により電子が除去され、電子を含まず、通常 1 つの陽子で構成される原子核を持つH +が生成されます。そのため、 H + はしばしば陽子と呼ばれます。この種は酸の議論の中心となります。ブレンステッド-ローリーの酸塩基理論によれば、酸は陽子供与体であり、塩基は陽子受容体です。
裸の陽子H +は、電子を持つ他の原子や分子に強く引きつけられるため、溶液やイオン結晶には存在できません。プラズマに関連する高温を除いて、このような陽子は原子や分子の電子雲から取り除くことができず、それらに付着したままになります。ただし、「陽子」という用語は、このように他の種に付着した正に帯電した水素または陽イオン性水素を指すために、あいまいに比喩的に使用される場合があり、そのため「 H + 」と表記されますが、単一の陽子が種として自由に存在しているという暗示は一切ありません。
溶液中のむき出しの「溶媒和陽子」の含意を避けるために、酸性水溶液には「ヒドロニウムイオン」（[H 3 O] +）と呼ばれる、それほどありそうもない架空の種が含まれていると考えられることがあります。しかし、この場合でも、そのような溶媒和水素陽イオンは、より現実的には、[H 9 O 4 ] +に近い種を形成するクラスターに組織化されていると考えられます。[54]他のオキソニウムイオンは、水が他の溶媒と酸性溶液になっているときに見つかります。[55]
地球上では珍しいが、宇宙で最も一般的なイオンの一つはHである。+3プロトン化分子水素または三水素カチオンとして知られるイオン。 [56]
同位体
水素には3つの天然同位体があり、1
H、2
手3
H . その他の非常に不安定な核（4
Hから7
H）は実験室で合成されているが、自然界では観察されていない。[57] [58]
- 1
Hは最も一般的な水素同位体であり、存在比は99.98%を超えています。この同位体の核は1つの陽子のみで構成されているため、説明的な正式名称はプロチウム（陽子）ですが、めったに使用されません。 [59]これは中性子を持たない唯一の安定同位体です。他の同位体が存在しない理由については、二陽子を参照してください。 - 2
もう一つの安定水素同位体であるHは重水素として知られ、原子核に1つの陽子と1つの中性子を含んでいます。宇宙の重水素のほぼすべてはビッグバンの時に生成されたと考えられており、それ以来存在し続けています。重水素は放射性ではなく、重大な毒性の危険性はありません。通常の水素の代わりに重水素を含む分子が豊富な水は重水と呼ばれます。重水素とその化合物は、化学実験や溶媒の非放射性ラベルとして使用されます。1
H - NMR分光法。[60]重水は中性子減速材や原子炉の冷却材として使用されます。重水素は商業用核融合の燃料としても期待されています。[61] - 3
Hはトリチウムとして知られ、その原子核には1つの陽子と2つの中性子が含まれています。これは放射性であり、半減期12.32年のベータ崩壊によりヘリウム3に崩壊します。[ 53 ]これは、時計の針や文字盤マーカーを塗装するなど、データ表示の視認性を高めるための夜光塗料に使用されるほどの放射性があります。時計のガラスは、少量の放射線がケースから漏れるのを防ぎます。 [62]少量のトリチウムは、大気ガスに衝突する宇宙線によって自然に生成されます。また、トリチウムは核兵器実験でも放出されています。 [63]これは、核融合で使用され、 [64]同位体地球化学のトレーサーとして、 [65]特殊な自己発電照明装置で使用されます。 [66]トリチウムは、放射性標識として化学および生物標識実験でも使用されています。 [67]
元素の中ではユニークで、一般的に使用されている同位体には明確な名前が付けられています。放射能の研究の初期段階では、重い放射性同位体には独自の名前が付けられていましたが、現在ではほとんど使用されていません。記号DとT（2
手3
H）は重水素と三重水素に使用されることがあるが、記号Pはすでにリンに使用されていたため、三重水素には使用できなかった。[68]国際純正応用化学連合（IUPAC）は命名ガイドラインで、 D、T、2
手3
Hは使用されるが2
手3
Hが好ましい。[69]
反ミューオンと電子からなるエキゾチック原子 ミューオニウム（記号Mu）も、水素の軽い放射性同位体とみなすことができます。[70]ミューオンは寿命とともに崩壊するため、2.2 µsでは、ミューオニウムは観測可能な化学反応を起こすには不安定すぎる。[71]しかし、反ミューオンと陽子の質量差により、ミューオニウム化合物は量子シミュレーションの重要なテストケースとなり、 [72] IUPAC命名法には、塩化水素と水素化ナトリウムにそれぞれ類似したミューオニウム塩化物 (MuCl) とミューオン化ナトリウム (NaMu) などの仮想化合物が組み込まれている。[73]
熱的および物理的特性
大気圧における水素（H2）の熱的および物理的性質の表：[ 74 ] [75]
歴史
発見と利用
ロバート・ボイル
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1671年、アイルランドの科学者ロバート・ボイルは鉄粉と希酸の反応を発見し、水素ガスを生成することを記述した。[76] [77]
珍しい方法で非常に鋭く突き刺すような塩酸を用意し、3〜4オンスの水が入る小瓶に、適当な量の鋼の削りかすを入れた。この削りかすは、化学者や薬剤師の店で普通に売られているようなものではなく（たいていは錆びが十分でない）、私がしばらく前に良質の鋼からわざと削り取ったものだった。この金属の粉末を小瓶の中で少量の溶媒で湿らせ、その後さらに溶媒で浸した。すると混合物は非常に熱くなり、多量の悪臭のする煙を噴き出した。これらが火星（鉄）の揮発性硫黄から成っていたのか、硫黄質の金属蒸気が混ざって月経の塩分を含む放出物と結びついたものなのかは、ここで論じる必要はない。しかし、この悪臭を放つ煙がどこから発生していたにせよ、非常に燃えやすく、火のついたろうそくを近づけると、すぐに火がつき、ヴィオルの口のところで青みがかったやや緑がかった炎を出してしばらく燃え続けた。しかも、その炎は光は弱かったが、容易に想像できるよりも強力だった。
— ロバート・ボイル、ロバート・ボイル卿によって書かれた小冊子には、炎と空気の関係に関する新しい実験が含まれています...
「硫黄質」という言葉は、ボイルが鉄と硫酸で同様の実験を行ったことを考えると、やや混乱を招くかもしれない。[78]しかし、おそらく「硫黄質」はここで「可燃性」を意味すると理解されるべきである。[79]
ヘンリー・キャベンディッシュ
1766年、ヘンリー・キャベンディッシュは、金属酸反応で生じるガスを「可燃性空気」と名付け、水素ガスを独立した物質として初めて認識した。彼は「可燃性空気」が仮説上の物質「フロギストン」と同一であると推測し[80] [81]、さらに1781年にこのガスが燃焼すると水が発生することを発見した。彼は通常、水素を元素として発見したとされている[7] [8] 。
アントワーヌ・ラヴォアジエ
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1783年、アントワーヌ・ラボアジエは、水素が燃焼すると水が生成されるというキャベンディッシュの発見をラプラスと共に再現し、水素として知られるようになった元素を特定しました[82] 。 [8]ラボアジエは、火で熱した白熱鉄管を通して蒸気の流れと金属鉄を反応させることで、質量保存の実験のために水素を生成しました。高温の水の陽子による鉄の嫌気性酸化は、次の一連の反応で模式的に表すことができます。
- 1) Fe + H 2 O → FeO + H 2
- 2) Fe + 3 H 2 O → Fe 2 O 3 + 3 H 2
- 3) Fe + 4 H 2 O → Fe 3 O 4 + 4 H 2
ジルコニウムなどの多くの金属は水と同様の反応を起こし、水素を生成します。[83]
19世紀
フランソワ・イザーク・ド・リヴァは1806年に水素と酸素の混合物で動く内燃機関である最初のド・リヴァエンジンを製作した。エドワード・ダニエル・クラークは1819年に水素ガス吹き管を発明した。ドーベライナーのランプとライムライトは1823年に発明された。[8]
1898年、ジェームズ・デュワーは再生冷却と彼の発明である真空フラスコを使用して初めて水素を液化しました。[8]彼は翌年、固体水素を製造しました。 [8]
水素を運ぶ飛行船
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最初の水素気球は、1783年にジャック・シャルルによって発明されました。 [8]水素は、1852年にアンリ・ジファールによって最初の水素飛行船が発明された後、最初の信頼性の高い航空旅行に揚力を提供しました。[8]ドイツのフェルディナント・フォン・ツェッペリン伯爵は、後にツェッペリンと呼ばれる水素で浮く硬式飛行船のアイデアを推進し、その最初のものは1900年に初飛行しました。[8]定期便は1910年に開始され、1914年8月に第一次世界大戦が勃発するまでに、重大な事故もなく35,000人の乗客を運びました。水素飛行船は、戦争中に観測プラットフォームや爆撃機として使用されました。
最初の無着陸大西洋横断は、1919年にイギリスの飛行船R34によって達成されました。1920年代には定期的な旅客サービスが再開され、米国でヘリウム埋蔵量が発見されたことで安全性の向上が期待されましたが、米国政府はこの目的でガスを販売することを拒否しました。そのため、ヒンデンブルク飛行船ではH2が使用されましたが、 1937年5月6日にニュージャージー上空で空中火災により破壊されました。 [8]この事件はラジオで生中継され、ビデオ撮影されました。漏れた水素の引火が原因であると広く考えられていますが、後の調査では、静電気によってアルミニウムコーティングされた布地の引火が原因であると指摘されました。しかし、浮上ガスとしての水素の 評判へのダメージはすでにあったため、商業的な水素飛行船の運航は中止されました。
重水素と三重水素
重水素は1931年12月にハロルド・ユーリーによって発見され、三重水素は1934年にアーネスト・ラザフォード、マーク・オリファント、ポール・ハートックによって合成されました。[7]通常の水素の代わりに重水素を含む 重水は、1932年にユーリーのグループによって発見されました。[8]
水素冷却タービン発電機
最初の水素冷却タービン発電機は、1937年にオハイオ州デイトンでデイトン・パワー＆ライト社が所有し、回転子と固定子の冷却剤としてガス状水素を使用するものでした。 [84]これは、水素ガスの熱伝導率が高く、粘性が非常に低いため、空気よりも抵抗が少ないという理由で正当化されました。これは、60MW以上の発電機に使用される最も一般的な冷却剤であり、より小さな発電機は通常、空冷式です。
ニッケル水素電池
ニッケル水素電池は、 1977年にアメリカ海軍の航法技術衛星2号（NTS-2）に初めて搭載されました。[85]国際宇宙ステーション、[86] マーズオデッセイ[87]およびマーズグローバルサーベイヤー[88]にはニッケル水素電池が搭載されています。軌道の暗い部分では、ハッブル宇宙望遠鏡もニッケル水素電池で稼働しており、[89]打ち上げから19年以上経過し、設計寿命を13年超えた2009年5月にようやく交換されました。[90]
量子論における役割
水素原子は陽子と電子のみからなる単純な原子構造をしているため、そこから発生する光のスペクトルや水素原子によって吸収される光のスペクトルは、原子構造理論の発展において中心的な役割を果たしてきた。[91]さらに、水素分子の対応する単純さと対応する陽イオンHの研究は、+21920年代半ばに水素原子の量子力学的取り扱いが開発された直後、 化学結合の性質についての理解がもたらされました。
明確に認識された（しかし当時は理解されていなかった）最初の量子効果の 1 つは、完全な量子力学理論が到来する半世紀前に行われた水素に関するマクスウェルの観察である。マクスウェルは、H 2の比熱容量が室温以下では二原子ガスの比熱容量から不可解に離れ、極低温では一原子ガスの比熱容量に次第に似てくることを観察した。量子論によれば、この挙動は（量子化された）回転エネルギー準位の間隔から生じ、H 2では質量が小さいため特に間隔が広くなっている。これらの間隔の広い準位は、低温の水素における回転運動への熱エネルギーの均等な分配を阻害する。より重い原子からなる二原子ガスは、このような間隔の広い準位を持たず、同じ効果は示さない。[92]
反水素（
H
）は水素の反物質である。反陽子と陽電子から構成される。反水素は2015年現在までに生成された唯一の種類の反物質原子である[アップデート]。[93] [94]
宇宙の広がりと分布
水素は原子Hとして宇宙で最も豊富な 化学元素であり、質量で通常の物質の75％ 、原子数で90％以上を占めています。しかし、宇宙の質量の大部分は化学元素型の物質の形ではなく、むしろ暗黒物質や暗黒エネルギーなどのまだ検出されていない質量の形態として存在すると仮定されています。[95]
水素は恒星や巨大ガス惑星に豊富に存在しています。H2分子雲は星形成と関連しています。水素は、太陽の質量の約1倍の質量を持つ恒星の場合は陽子-陽子反応を通じて、太陽よりも質量の大きい恒星の場合は核融合のCNOサイクルを通じて、恒星にエネルギーを供給する上で重要な役割を果たしています。[96]
州
宇宙全体で、水素は主に原子状態とプラズマ状態で存在し、分子状水素とはまったく異なる特性を持っています。プラズマ状態にある水素の電子と陽子は結合していないため、非常に高い電気伝導性と高い放射率（太陽や他の星からの光を生み出す）をもたらします。荷電粒子は磁場と電場の影響を強く受けます。たとえば、太陽風では、荷電粒子が地球の磁気圏と相互作用してビルケランド電流とオーロラを発生させます。
水素は、原子同士が衝突したり結合したりすることはほとんどないため、星間物質中では中性原子状態で見つかる。これらは、原始水素を調べるために検出される 1420 MHz の21 cm水素線の発生源である。 [97]減衰ライマンアルファ系で発見された大量の中性水素は、z = 4の赤方偏移までの宇宙の宇宙論的 バリオン密度を支配していると考えられている。[98]
地球上の通常の条件下では、水素元素は二原子ガスH2として存在します。水素ガスは軽量であるため、重いガスよりも速く大気から逃げることができるため、地球の大気中には非常に稀です（モル基準で約0.53 ppm [99] ） 。しかし、水素は地球の表面で3番目に豊富な元素であり、[100]主に炭化水素や水などの化合物の形で存在します。[53]
プロトン化分子水素（H+3) は星間物質中に存在し、宇宙線からの水素分子のイオン化によって生成される。このイオンは木星の上層大気でも観測されている。このイオンは宇宙空間では温度と密度が低いため比較的安定している。H+3は宇宙で最も豊富なイオンの一つであり、星間物質の化学において重要な役割を果たしている。[101]中性三原子水素 H 3は励起状態でのみ存在でき、不安定である。[102]対照的に、正の水素分子イオン（H+2）は宇宙でも珍しい分子です。
生産
H2を生成する方法は数多く存在するが、商業的には水ガスシフトと組み合わせた水蒸気改質法、炭化水素の部分酸化法、水電気分解法の3つが主流である。[103]
蒸気改質
水素は主に水とメタンの反応である水蒸気メタン改質法（SMR）によって生成されます。 [104] [105] [106]したがって、高温（1000〜1400 K、700〜1100°Cまたは1300〜2000°F）では、蒸気（水蒸気）がメタンと反応して一酸化炭素とH2が生成されます。
- CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
水蒸気改質はアンモニアの工業的製造にも使用されます。
この反応は低圧で行われるのが有利ですが、高圧 (2.0 MPa、20 atm または 600 inHg ) で実施する必要があります。高圧H 2が最も市場性の高い製品であり、圧力スイング吸着(PSA) 精製システムは高圧でより効果的に機能するためです。生成物の混合物は、メタノールや他の多くの化合物の製造に直接使用されることが多いため、「合成ガス」と呼ばれます。メタン以外の炭化水素を使用して、さまざまな生成物比率で合成ガスを生成できます。この高度に最適化された技術の多くの複雑さの 1 つは、コークスまたは炭素の形成です。
- CH 4 → C + 2 H 2
そのため、水蒸気改質では通常、過剰なH 2 Oが使用されます。水ガスシフト反応（WGS）を介して一酸化炭素を使用することで、蒸気から追加の水素を回収することができます。このプロセスには酸化鉄触媒が必要です。[106]
- CO + H 2 O → CO 2 + H 2
水素は、分離されることなく、同じ工業プロセスで生産され、消費されることがあります。アンモニア生産のためのハーバー法では、水素は天然ガスから生成されます。[107]
炭化水素の部分酸化
COとH2を生成する他の方法としては、炭化水素の部分酸化が挙げられる。[108]
- 2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2
商業的にはそれほど重要ではないが、石炭は上記のシフト反応の前兆として機能する可能性がある。[106]
- C + H 2 O → CO + H 2
オレフィン製造ユニットは、特にエタンやプロパンのような軽質原料を分解することで、大量の副産物水素を生成する可能性がある。[109]
水の電気分解
水の電気分解は、概念的には水素を生成する簡単な方法です。
- 2 H 2 O(l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)
市販の電解装置は強アルカリ溶液中でニッケルベースの触媒を使用する。白金はより優れた触媒だが高価である。[110]
塩水を電気分解して塩素を生成すると、副産物として水素も生成される。[111]
メタンの熱分解
水素は天然ガス（メタン）の 熱分解によって生成できます。
この方法は、商業的な水素製造プロセスよりも炭素排出量が少ない。[112] [113] [114] [115]商業的なメタン熱分解プロセスを開発することで、産業および輸送用途における水素の拡大利用が促進される可能性がある。メタンの熱分解は、溶解したニッケルを含む溶融金属触媒にメタンを通すことで達成される。メタンは水素ガスと固体炭素に変換される。[116] [117]
- CH 4 (g) → C(s) + 2 H 2 (g) (ΔH° = 74 kJ/モル)
炭素は製造原料や燃料として販売されるか、埋め立てられる可能性があります。
カールスルーエ液体金属研究所[118]やカリフォルニア大学サンタバーバラ校[119]など、いくつかの研究所でさらなる研究が続けられています。BASF はメタン熱分解パイロットプラントを建設しました。[120]
熱化学
200以上の熱化学サイクルが水の分解に使用できます。これらのサイクルの多くは、酸化鉄サイクル、酸化セリウム(IV)-酸化セリウム(III)サイクル、亜鉛-酸化亜鉛サイクル、硫黄-ヨウ素サイクル、銅-塩素サイクル、ハイブリッド硫黄サイクルなどであり、電気を使わずに水と熱から水素と酸素を生成する商業的可能性について評価されています。[121]多くの研究室（フランス、ドイツ、ギリシャ、日本、米国を含む）が太陽エネルギーと水から水素を生成する熱化学的方法を開発しています。[122]
実験方法
H 2 は実験室で生成されますが、多くの場合、他の反応の副産物として生成されます。多くの金属は水と反応してH 2 を生成しますが、水素発生の速度は金属、pH、合金化剤の存在によって異なります。ほとんどの場合、水素発生は酸によって引き起こされます。アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミニウム、亜鉛、マンガン、鉄は水性酸と容易に反応します。この反応は、かつて実験室のガス源として使用されていた キップの装置の基礎となっています。
- 亜鉛 + 2 H + → 亜鉛2+ + H 2
酸がない場合、H 2の発生は遅くなります。鉄は広く使用されている構造材料であるため、その嫌気性腐食は技術的に重要です。
- Fe + 2 H 2 O → Fe(OH) 2 + H 2
アルミニウムなどの多くの金属は、酸化物の不動態皮膜を形成するため、水との反応が遅い。しかし、アルミニウムとガリウムの合金は水と反応する。[123]高いpHでは、アルミニウムはH2を生成する可能性がある。
- 2 Al + 6 H 2 O + 2 OH − → 2 [Al(OH) 4 ] − + 3 H 2
いくつかの金属含有化合物は酸と反応してH 2 を発生する。嫌気条件下では、水酸化第一鉄（Fe(OH)
2) は水の陽子によって酸化され、磁鉄鉱とH 2を形成します。このプロセスは、シコール反応によって説明されます。
- 3 Fe(OH) 2 → Fe 3 O 4 + 2 H 2 O + H 2
このプロセスは、酸素のない地下水および地下水面下の還元性土壌における鉄鋼の嫌気性腐食中に発生します。
バイオ水素
H2はいくつかの発酵において水素化酵素によって生成される。[124]
ウェルズ
マリには井戸があり、フランスなど他のいくつかの国にも鉱床がある。[125]
アプリケーション
石油化学産業
化石燃料の「アップグレード」には大量のH 2が使用される。H 2の主な消費源には、水素化脱硫と水素化分解がある。これらの反応の多くは、水素化分解、すなわち水素による結合の切断に分類できる。液体化石燃料からの硫黄の分離がその例である。 [103]
- R 2 S + 2 H 2 → H 2 S + 2 RH
水素化
水素化、つまり様々な基質へのH 2の添加は大規模に行われている。ハーバー法によるN 2の水素化によるアンモニア製造は、業界全体のエネルギー予算の数パーセントを消費する。生成されたアンモニアは、人間が消費するタンパク質のほとんどを供給するために使用される。[127]水素化は、不飽和脂肪と油を飽和（トランス）脂肪と油に変換するために使用される。主な用途はマーガリンの製造である。メタノールは二酸化炭素の水素化によって生成される。同様に、塩酸の製造における水素源である。H 2 は、いくつかの鉱石を金属に変換するための還元剤としても使用される。 [128]
冷却剤
水素は、その軽い二原子分子の直接的な結果である多くの好ましい特性のため、発電所では発電機の冷却剤として一般的に使用されています。これには、低密度、低粘度、すべてのガスの中で 最も高い比熱と熱伝導率が含まれます。
エネルギーキャリア
元素水素は、経済の脱炭素化と温室効果ガス排出の緩和に役立つ可能性のあるエネルギーキャリアとして、エネルギーの文脈で広く議論されています。[129] [130]そのため、より安価でエネルギー効率の高い緩和の選択肢が限られている分野や用途に供給できる量の水素をクリーンに生産する必要があります。これには重工業や長距離輸送が含まれます。[129]水素はエネルギー資源ではなく、エネルギーキャリアです。なぜなら、有用な量の水素の自然発生源がないためです。[131]
水素は、燃料電池で電気を生成するためのエネルギー源として、または燃焼によって熱を生成するために利用することができる。[19]水素が燃料電池で消費されるとき、使用時点での唯一の排出物は水蒸気である。[19]水素の燃焼は、有害な窒素酸化物の熱生成につながる可能性がある。[19]水素のライフサイクル全体の排出量は、水素の製造方法によって決まる。現在、世界の水素供給量のほぼすべては化石燃料から作られている。[132] [133]主な方法は水蒸気メタン改質であり、水素は天然ガスの主成分であるメタンと蒸気の化学反応から生成される。このプロセスで1トンの水素を生成すると、6.6～9.3トンの二酸化炭素が排出される。[134]炭素回収・貯留（CCS）はこれらの排出量の大部分を除去できる可能性があるが、天然ガスからの水素の全体的なカーボンフットプリントは、天然ガス自体の生産時に生成さ[アップデート]れる排出物（放出されたメタンや逃散した メタンを含む）のせいもあり、2021年時点では評価が困難である。[135]
電気は水分子を分解するために使用でき、持続可能な方法で生成された電気であれば、持続可能な水素を生成することができます。しかし、この電気分解プロセスは現在、CCSなしでメタンから水素を生成するよりも高価であり、エネルギー変換の効率は本質的に低いです。[130]変動性のある再生可能電力が余剰になったときに水素を生成し、貯蔵して熱を発生させたり、電気を再生成したりすることができます。[136]再生可能エネルギーを使用した電気分解によって生成された水素は、一般に「グリーン水素」と呼ばれています。[137]さらに、アンモニアやメタノールなどの合成燃料に変換できます。[138]
水素電解装置の革新により、電気からの水素の大規模生産のコスト競争力が高まる可能性がある。[139]この方法で生産された水素は、化石燃料を電気の直接使用に置き換えることに課題と限界があるエネルギーシステムの脱炭素化において重要な役割を果たす可能性がある。[129]
水素燃料は、鉄鋼、セメント、ガラス、化学薬品の工業生産に必要な高熱を生成できるため、製鉄用の電気炉などの他の技術とともに、産業の脱炭素化に貢献しています。[140]しかし、アンモニアや有機化学物質のよりクリーンな生産のための工業原料の提供において、より大きな役割を果たす可能性があります。[129]たとえば、製鉄では、水素はクリーンエネルギーキャリアとして、また石炭由来のコークスに代わる低炭素触媒として機能する可能性があります。[141]輸送の脱炭素化に使用される水素は、アンモニアやメタノールなどの水素由来の合成燃料と燃料電池技術の使用により、船舶、航空、およびそれほどではないが大型貨物車両で最大の用途が見込まれます。[129]自動車を含む軽量車両の場合、水素は他の代替燃料車両、特にバッテリー電気自動車の採用率と比較するとはるかに遅れており、将来的には重要な役割を果たさない可能性があります。[142]
エネルギーキャリアとしての水素の欠点としては、水素の爆発性、他の燃料に比べて体積が大きいこと、パイプを脆くする傾向があることなどにより、貯蔵と配送のコストが高くなることが挙げられる。[135]
半導体産業
水素は、非晶質シリコンと非晶質炭素の切断された（「ダングリング」）結合を飽和させるために使用され、材料特性の安定化に役立ちます。[143]また、ZnO、 [ 144] [145] SnO 2、CdO、MgO、[146] ZrO 2、HfO 2、La 2 O 3、Y 2 O 3、TiO 2、SrTiO 3、LaAlO 3、SiO 2、Al 2 O 3、ZrSiO 4、HfSiO 4、SrZrO3などのさまざまな酸化物材料の潜在的な電子供与体でもあります。[147]
ニッチな用途と進化する用途
- シールドガス：水素は原子水素溶接などの溶接方法でシールドガスとして使用されます。[148] [149]
- 浮力：水素は空気の密度のわずか7％であるため、かつては気球や飛行船の浮力ガスとして広く使用されていました。[151]
- 漏れ検出：純粋または窒素との混合（フォーミングガスと呼ばれることもある）水素は、微小な漏れを検出するためのトレーサーガスです。自動車、化学、発電、航空宇宙、通信業界で使用されています。[152]水素は、食品パッケージの漏れ検査を可能にする認可された食品添加物（E 949）であり、抗酸化特性も持っています。[153]
- 中性子減速:重水素(水素 2) は、核分裂の用途において中性子を減速させる減速材として使用されます。
- 核融合燃料：重水素は核融合反応に使用されます。[8]
- 同位体標識：重水素化合物は、反応速度に対する同位体効果の研究において化学および生物学に応用されています。 [154]
- ロケット燃料:液体水素と液体酸素は、スペースシャトルの主エンジンのように、液体推進剤ロケットの極低温推進剤として機能します。NASAは、液体ヘリウムに浮遊する固体分子水素粒子に凍結された原子水素、ホウ素、または炭素から作られたロケット推進剤の使用を調査しました。温めると、混合物は気化して原子種が再結合し、混合物を高温にします。[155]
- トリチウムの用途：原子炉で生成されるトリチウム（水素3）は、水素爆弾の製造に使用され、[156] 、バイオサイエンスにおける同位体ラベルとして、[67]、計器盤や緊急標識用の放射性発光塗料のベータ線源として使用されます。[62]
生物学的反応
H 2は、ある種の嫌気性代謝の産物であり、いくつかの微生物によって、通常は鉄またはニッケルを含むヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素によって触媒される反応を介して生成されます。これらの酵素は、H 2とその成分である2つの陽子と2つの電子との間の可逆的な酸化還元反応を触媒します。水素ガスの生成は、ピルビン酸発酵中に生成された還元当量が水に移動するときに発生します。[157]生物による水素の生成と消費の自然なサイクルは、水素サイクルと呼ばれています。[158] Mycobacterium smegmatis などの細菌は、他の供給源が不足しているときに、酸素を排除する小さなチャネルを備えたヒドロゲナーゼを使用して、大気中の少量の水素をエネルギー源として使用できます。そのため、水素濃度が非常に低く、酸素濃度が通常の空気と同じであっても、反応が発生します。[99] [159]
水素は原子数で見ると人体で最も豊富な元素であるが、質量で見ると3番目に多い。H2は大腸内のヒドロゲナーゼ含有微生物の代謝活動により人間の呼気中に発生し、放屁の天然成分である。安静時の絶食者の呼気中の濃度は通常5ppm未満であるが、腸疾患のある人が診断用水素呼気検査中に吸収できない分子を摂取すると50ppmになることがある。[160]
水分解は、水がその成分である陽子、電子、酸素に分解される反応で、すべての光合成生物の光反応で起こる。藻類のクラミドモナス・ラインハルティやシアノバクテリアなどの一部の光合成生物は、葉緑体中の特殊な水素分解酵素によって陽子と電子が還元されてH2ガスが形成される暗反応の第二段階を進化させている。[161]酸素が存在する場合でもH2ガスを効率的に合成するためにシアノバクテリアの水素分解酵素を遺伝子組み換えする取り組みが行われてきた。[ 162 ]バイオリアクター内で遺伝子組み換え藻類を使用する取り組みも行われている。[163]
安全と注意事項
| 危険 | |
|---|---|
| GHSラベル: | |
| |
| 危険 | |
| H220 | |
| P202、P210、P271、P377、P381、P403 [164] | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
水素は、空気と混合すると爆発や火災を引き起こす可能性があり、酸素を含まない純粋な状態では窒息性であることから、人体に対する多くの危険をはらんでいます。[165] また、液体水素は極低温物質であり、非常に冷たい液体に伴う危険性（凍傷など）があります。[166]水素は多くの金属に溶解し、漏れ出すだけでなく、水素脆化などの悪影響を及ぼす可能性があり、[167]亀裂や爆発につながります。[168]外気に漏れた水素ガスは自然発火する可能性があります。さらに、水素の火は非常に高温であるにもかかわらず、ほとんど目に見えないため、偶発的な火傷につながる可能性があります。[169]
水素データ（安全性データを含む）の解釈でさえ、多くの現象によって混乱をきたす。水素の多くの物理的および化学的特性は、パラ水素/オルト水素比に依存する（平衡比に達するには、特定の温度で数日または数週間かかることが多く、その平衡比のデータは通常それに対して提供される）。臨界爆発圧力や温度などの水素爆発パラメータは、容器の形状に大きく依存する。[165]
参照
注記
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さらに読む
- 水素の超微細分裂 - ファインマン物理学講義
- 核種図（第17版）。ノルズ原子力研究所。2010年。ISBN 978-0-9843653-0-2。
- ニュートン、デイビッド・E.（1994年）。『化学元素』ニューヨーク：フランクリン・ワッツ。ISBN 978-0-531-12501-4。
- リグデン、ジョン・S. (2002)。水素：必須元素。マサチューセッツ州ケンブリッジ：ハーバード大学出版局。ISBN 978-0-531-12501-4。
- ロム、ジョセフ・J. (2004)。『水素に関する誇大宣伝、気候を救う競争における事実と虚構』アイランド・プレス。ISBN 978-1-55963-703-9。
- Scerri, Eric (2007)。周期表、その歴史と意義。ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-530573-9。
外部リンク
- 量子力学の基本的な水素計算
- 周期表のビデオにおける水素（ノッティンガム大学）
- 高温水素状態図
- 水素の波動関数
