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水素は化学元素であり、記号はH、原子番号は1 です。宇宙で最も軽く、最も豊富な化学元素であり、通常の物質の約 75% を占めています。標準状態では、水素はH 2の式で表される二原子分子の気体であり、二水素、または水素ガス、分子水素、あるいは単に水素と呼ばれることもあります。二水素は無色、無臭、無毒で、非常に燃えやすいです。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、地球上では水素は気体H 2 (二水素) として、また水や有機化合物などの分子として存在します。水素の最も一般的な同位体である1 H は、陽子 1 個、電子 1 個、中性子なしで構成されています。
水素ガスは、17世紀に酸と金属の反応 によって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、水素ガスを独立した物質として特定し、燃焼時に水を生成する性質を発見しました。これが水素という名前の由来であり、水素とは「水を生成するもの」を意味します（古代ギリシア語のὕδωρ、ローマ字表記：húdōr、文字通り「水」、およびγεννάω、gennáō、「私は生み出す」に由来）。水素が吸収および放出する光の色を理解することは、量子力学の発展において重要な部分でした。
水素は、極度の圧力下を除いて通常は非金属であり、ほとんどの非金属と容易に共有結合を形成し、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。その役割は、主に可溶性分子間のプロトン交換を伴う酸塩基反応において重要です。イオン化合物では、水素は負に帯電した陰イオン（ヒドリドとして知られています）または正に帯電した陽イオン（H +、ヒドロン）のいずれかの形をとることができます。ヒドロンは水分子と強く結合していますが、 pHの重要性に反映されるように、水溶液の挙動に強く影響します。一方、ヒドリドは溶媒を脱プロトン化してH 2を生成する傾向があるため、めったに観察されません。[ 12 ]
初期宇宙では、ビッグバンから約37万年後、宇宙が膨張し、プラズマが十分に冷却されて電子が陽子に束縛された状態になったことで、中性水素原子が形成された。その後、星が形成され始めると、銀河間物質中の水素の大部分が再電離された。
水素製造のほぼすべては、化石燃料の変換、特に天然ガスの水蒸気改質によって行われています。水や塩水から電気分解によって製造することも可能ですが、この方法はよりコストがかかります。主な産業用途としては、化石燃料の処理や肥料用のアンモニア製造などが挙げられます。水素の新たな用途としては、燃料電池を用いた発電などがあります。
水素原子中の電子の基底状態エネルギー準位は-13.6電子ボルト（eV）であり[ 13 ] 、これは波長約91ナノメートルの紫外線光子に相当する[ 14 ]。水素のエネルギー準位は連続する量子数で表され、 基底状態である。水素スペクトル系列は、より高いエネルギー準位からより低いエネルギー準位への遷移による光の放出に対応する。[ 15 ]： 105各エネルギー準位は、電子と陽子の間のスピン相互作用によってさらに4つの超微細準位に分割される。[ 16 ]
物理定数の定義には、水素原子のエネルギー準位の高精度な値が必要である。量子計算により、エネルギー準位への9つの寄与が特定されている。ディラック方程式からの固有値が最大の寄与である。その他の項には、相対論的反跳、自己エネルギー、真空偏極項が含まれる。[ 17 ]
化学名の標準化団体であるIUPACは、文脈上、天然同位体の存在比が想定されている場合、または同位体を無視する場合に、一般名を定めています。これらの一般名は、中性原子には水素、陽イオンにはハイドロン、陰イオンにはH⁺、ヒドリド、そしてH⁻です。陽イオンにはプロトンという名称がよく用いられますが、これは厳密には、最も優勢な同位体¹の陽イオンにのみ適用されます。H. [ 18 ]
水素には3つの天然同位体があり、1 と表記される。H、2Hと3 H . その他の非常に不安定な核種 ( 4Hから7H ) 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。[ 19 ] [ 20 ]
1Hは最も一般的な水素同位体で、存在比は >99.98% です。この同位体の原子核は陽子 1 個のみで構成されているため、記述的ではあるもののめったに使用されない正式名称プロチウムが与えられています。 [ 21 ]これは中性子を持たない唯一の安定同位体です ()。 [ 11 ]
2もう一つの安定な水素同位体であるHは重水素として知られ原子核には陽子1個と中性子1個が含まれています。宇宙に存在する重水素原子核のほぼすべてはビッグバン原子核合成で生成され、それ以来存在し続けていると考えられています。 [ 22 ]： 24.2重水素は放射性ではなく、重大な毒性リスクはありません。通常の水素の代わりに重水素を含む分子で濃縮された水は重水と呼ばれます。重水素とその化合物は、化学実験における非放射性標識として、また溶媒として使用されます。1H - NMR分光法。[ 23 ]重水は原子炉の減速材および冷却材として使用されます。重水素は商業用核融合の潜在的な燃料でもあります。[ 24 ]
3Hはトリチウムとして知られており、原子核には陽子 1 個と中性子 2 個が含まれています。放射性で、半減期12.32でベータ崩壊によりヘリウム 3に崩壊します。 [ 25 ]トリチウムは、時計の針や文字盤の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蓄光塗料に使用できるほど放射性があります。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。 [ 26 ]少量のトリチウムは、宇宙線が大気中のガスに衝突することによって自然に生成されます。トリチウムは核兵器実験でも放出されています。 [ 27 ]核融合[ 28 ]、同位体地球化学のトレーサー[ 29 ]、および特殊な自己給電式照明装置[ 30 ]に使用さ。トリチウムは、放射性標識として化学的および生物学的標識実験にも使用されています。 [ 31 ]
元素の中でも特異なことに、水素の同位体には一般的に異なる名前が付けられています。放射能の初期研究では、重い放射性同位体にはそれぞれ固有の名前が付けられていましたが、現在ではほとんど使われていません。記号DとT（ 2 の代わりに）Hと3H ) は重水素と三重水素に使われることがあるが、記号P はすでにリン に使われていたため、プロチウムには使えなかった。[ 32 ]国際純正・応用化学連合 (IUPAC) の命名ガイドラインでは、 D、T、2のいずれかが認められている。 H、および3Hは使用されるが、2Hと3Hが好ましい。[ 33 ]
反水素（H）は水素の反物質対応物です。これは陽子と陽電子から構成されています。 [ 34 ] [ 35 ]反ミューオンと電子から構成されるエキゾチック原子ミューオニウム（記号 Mu）は、水素の反物質類似物です。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する塩化ミューオニウム（ MuCl）やミューオニウムナトリウム（ NaMu ）などの仮説上の化合物が含まれています。[36 ]
標準状態では、水素は化学式H 2で表される二原子分子の気体であり、正式には「二水素」[ 37 ] : 308 と呼ばれますが、「分子水素」[ 38 ]または単に水素とも呼ばれます。二水素は無色無臭の可燃性ガスです。[ 38 ]
水素ガスは非常に燃えやすく、空気中の酸素と反応して液体の水を生成する。
水素1モルあたりに放出される熱量は−286キロジュール （kJ）、または 1キログラム（2.2ポンド）の質量に対して141.9メガジュール （MJ） （高位発熱量の測定に基づく）。[ 39 ]
水素ガスは空気と爆発性混合物を形成し、その濃度は4%～74% [ 40 ]塩素の場合5%～95%。水素の自己発火温度、つまり空気中で自然発火する温度は500 ℃（932 °F）です。[ 41 ]高圧水素漏洩では、漏洩自体からの衝撃波が空気を自己発火温度まで加熱し、炎上や爆発につながる可能性があります。[ 42 ]
水素炎はかすかな青色と紫外線を発する。[ 43 ] 水素火災は日中は肉眼ではほとんど見えないため、炎検出器を使用して水素火災を検出する。 [ 44 ] [ 45 ]
分子状水素H₂は、原子核のスピン状態が異なる2つの核異性体として存在する。 [ 46 ]オルト水素型では、2つの原子核のスピンは平行であり、全分子スピン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、スピン一重項スピンはオルト水素とパラ水素の平衡比は温度に依存する。室温以上では、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。[ 47 ]オルト型は励起状態であり、パラ型よりもエネルギーが高い。1.455 kJ/mol 、[ 48 ]低温に冷却すると数分かけてパラ型に変化する。[ 49 ]これらの異性体の熱特性が異なるのは、それぞれが異なる回転量子状態を持つためである。[ 50 ]
液体水素の液化と貯蔵において、 H₂のオルト/パラ比は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、冷却プロセス中にパラ水素への変換が起こらない場合、液体の大部分を蒸発させるのに十分な熱が発生します。[ 51 ]そのため、この液体の損失を避けるために、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。[52 ]
液体水素は、水素の臨界点である33ケルビン（-240.2 ℃、-400.3 °F）以下の温度で存在することができる。[ 54 ]しかし、大気圧下で完全に液体の状態になるには、H₂を20.28 K（-252.87 ℃、-423.17 °F）まで冷却する必要がある。水素は、1898年にジェームズ・デュワーが再生冷却と彼の発明である真空フラスコを使用して液化に成功した。[ 55 ]
液体水素は、水素の融点である14.01 K (−259.14 °C; −434.45 °F)より低い標準圧力で固体水素になります。相I から相Vと呼ばれる明確な固体相が存在し、それぞれ特徴的な分子配列を示します。[ 56 ]液体相と固体相は三重点で混在することがあり、この混合物はスラッシュ水素として知られています。[ 57 ]
金属水素は、極めて高い圧力（ 4000億Pa （58,000,000psi ）以上）で得られる相であり、電気伝導体である。木星のような巨大惑星の深部に存在すると考えられている。[ 56 ] [ 58 ]
水素は電離するとプラズマになる。これは恒星内部で水素が存在する形態である。[ 59 ]
1671年、アイルランドの科学者ロバート・ボイルは、鉄粉と希酸の反応によって水素ガスが発生することを発見し、記述した。[ 62 ] [ 63 ]ボイルはガスが可燃性であることには言及しなかったが、水素は燃焼のフロギストン説を 覆す上で重要な役割を果たすことになる。[ 64 ]
1766年、ヘンリー・キャベンディッシュは、金属と酸の反応によって生じるガスを「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」が実際には仮説上の物質「フロギストン」[ 65 ] [ 66 ]と同一であると推測し、さらに 1781年には、このガスが燃焼すると水を生成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功績を認められている。[ 9 ] [ 8 ]
1783年、アントワーヌ・ラヴォアジエは、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、後に水素として知られるようになる元素を特定した[ 67 ] 。 [ 8 ]ラヴォアジエは、質量保存の法則に関する実験のために、火で加熱した白熱した鉄管に水の流れを通すことで金属鉄を処理し、水素を生成した。高温における水のプロトンによる鉄の嫌気性酸化は、以下の反応式で模式的に表すことができる。
多くの金属は水と似たような反応を起こし、水素を生成する。[ 68 ]状況によっては、この水素生成プロセスが問題となる場合があり、例えば、核燃料棒のジルコニウム被覆の場合などである。[ 69 ]
1806年までに水素は気球の充填に使われるようになった。[ 70 ]フランソワ・アイザック・ド・リヴァズは1806年に水素と酸素の混合ガスで動く内燃機関である最初のド・ リヴァズ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。ドベライナーのランプと石灰灯は1823年に発明された。水素は1898年にジェームズ・デュワーによって再生冷却と彼の発明である真空フラスコを用いて初めて液化された。彼は翌年に固体水素を製造した。 [ 8 ]
当時理解されていなかったものの、最初に明確に認識された量子効果の1つは、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによる、 H₂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逸脱し、極低温では単原子ガスの比熱容量にますます似てくるという観察であった。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に起因するものであり、 H₂は質量が小さいため、これらの準位の間隔が特に広くなっている。これらの間隔の広い準位は、低温での水素の回転運動への熱エネルギーの均等な分配を阻害する。より重い原子で構成される二原子ガスは、このような間隔の広い準位を持たず、同じ効果を示さない。[ 71 ]
1916年にギルバート・N・ルイスが第1族および第2族の塩状化合物についてヒドリド陰イオンの存在を提唱した。 1920年、モアーズは溶融水素化リチウム（LiH）を電気分解し、陽極で化学量論量の水素を生成した。[ 72 ]
水素原子は、陽子と電子のみからなる単純な原子構造を持つため、水素原子は、そこから生成される光や吸収される光のスペクトルとともに、原子構造理論の発展の中心となってきた。[ 73 ]水素のエネルギー準位は、地球が太陽の周りを公転するように電子が陽子の周りを「公転」するボーアモデルを用いてかなり正確に計算できる。ただし、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、ボーアモデルの電子は陽子から特定の許容距離しか占めることができず、したがって特定の許容エネルギーしか占めることができない。[ 74 ]
水素は、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いう独自の地位を有しており、そのエネルギー論の探求を通じて量子力学の理解に大きく貢献してきた。[ 75 ]さらに、水素分子とそれに対応する陽イオンH + 2の単純さの研究は、化学結合の性質の理解をもたらし、これは1920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に起こった。[ 76 ]
H 2 は空気のわずか 7% の密度しかないため、かつては気球や飛行船の浮揚ガスとして広く使われていました。[ 77 ]最初の水素充填気球は、 1783 年にジャック・シャルルによって発明されました。水素は、 1852 年にアンリ・ジファールによって最初の水素浮揚飛行船が発明された後、最初の信頼できる航空旅行の形態に浮揚力を提供しました。ドイツの伯爵フェルディナント・フォン・ツェッペリンは、後にツェッペリンと呼ばれる水素浮揚硬式飛行船のアイデアを推進し、最初の飛行船は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、重大な事故なく 35,000 人の乗客を運びました。水素浮揚飛行船は、第二次世界大戦中、特に米国東海岸で観測プラットフォームや爆撃機として使用されました。[ 78 ]
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、定期旅客サービスは1920年代に再開されました。水素は、 1937年5月6日にニュージャージー上空で火災を起こしたヒンデンブルク号で使用されました。 [ 8 ]飛行船を満たしていた水素は、おそらく静電気によって引火し、炎上しました。[ 79 ]この惨事の後、商業用水素飛行船の旅行は中止されました。水素は、不燃性だが高価なヘリウムよりも好まれ、気象観測気球の浮揚ガスとして現在も使用されています。[ 80 ]
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・ハーテックによって作られた。[ 9 ]通常の水素の代わりに重水素からなる重水は、 1932年にユーリーのグループによって発見された。 [ 8 ]
H₂は比較的反応性が低い。この低い反応性の熱力学的根拠は、非常に強いH–H結合であり、その結合解離エネルギーは435.7 kJ/mol 。[ 81 ]水素は、ジヒドロゲン錯体と 呼ばれる配位錯体を形成します。これらの種は、水素と金属触媒の相互作用の初期段階についての洞察を与えます。中性子回折によると、これらの錯体では金属と2つのH 原子が三角形を形成します。HH結合はそのままですが、伸びています。これらは酸性です。[ 82 ]
地球上では珍しいイオンであるが、H + 3イオンは宇宙では一般的である。これは、前述の二水素錯体と同様に三角形の種である。これは、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ている。[ 83 ]
水素は連鎖反応によって塩素と反応してHClを生成し、臭素と反応してHBrを生成する。この反応には開始剤が必要である。例えば、 Br₂の場合、二臭素分子が分解される：Br₂ + (紫外線) → 2Br• 。伝播反応は水素分子を消費し、 HBr、Br原子、およびH原子を生成する。
最後に、終結反応が起こる。
残りの原子を消費する。[ 84 ]： 289
アルケンやアルキンなどの不飽和有機化合物への水素（H₂ ）の付加は、水素化と呼ばれる。この反応はエネルギー的に有利であるにもかかわらず、高温でも自発的に起こることはない。微粉末状の白金やニッケルなどの触媒が存在すると、室温で反応が進行する。[ 85 ]： 477
水素は+1と-1の両方の酸化状態をとることができ、イオン結合と共有結合によって化合物を形成します。この元素は、水、炭化水素、その他多数の有機化合物を含む幅広い物質の一部です。[ 86 ]単一の陽子と電子がないため一般に陽子と呼ばれるH +イオンは、陽子が自由に移動しないにもかかわらず、酸塩基化学の中心です。ブレンステッド-ローリーの枠組みでは、酸は塩基にH +イオンを供与する能力によって定義されます。[ 87 ]
水素は炭素と非常に多様な化合物（炭化水素として知られる）を形成し、他の元素（ヘテロ原子）とはさらに多様な化合物を形成し、生物とよく関連付けられる幅広い種類の有機化合物を生み出します。[ 86 ]
水素の酸化状態が −1 の水素化合物は水素化物 として知られており、通常は水素と金属の間で形成されます。水素化物は、イオン性（別名塩類）、共有結合性、または金属性があります。加熱すると、H 2 はアルカリ金属およびアルカリ土類金属と効率的に反応して、それぞれ式MH および MH 2のイオン性水素化物を生成します。これらの塩のような結晶性化合物は融点が高く、すべて水と反応して水素を放出します。共有結合性水素化物には、ボランおよびポリマー状アルミニウム水素化物が含まれます。遷移金属は、金属への水素の連続的な溶解によって金属水素化物を形成します。 [ 88 ]よく知られている水素化物は、リチウムアルミニウム水素化物です。[ AlH 4 ] −アニオンは、Al(III) にしっかりと結合した水素化物中心を持っています。[ 89 ]おそらく最も広範な水素化物シリーズは、ホウ素と水素のみからなる化合物であるボランです。[ 90 ]
水素化物は、末端配位子としてだけでなく、架橋配位子としてもこれらの電気陽性元素に結合することができます。ジボラン（B 2 H 6）では、4つの水素原子が末端にあり、2つの水素原子が2つのホウ素原子の間を架橋しています。[ 25 ]
水素は、フッ素、酸素、窒素などのより電気陰性度の高い元素と結合すると、酸素や窒素のような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さの非共有結合を形成することができる。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不可欠である。[ 91 ]： 375 [ 92 ]水素結合は、分子構造、粘度、溶解度、融点、沸点、さらにはタンパク質の折り畳みダイナミクスを変化させる。[ 93 ]
水中では、水素結合が反応熱力学において重要な役割を果たします。水素結合はプロトン移動に転じることがあります。ブレンステッド・ローリーの酸塩基理論では、酸はプロトン供与体であり、塩基はプロトン受容体です。[ 94 ]： 28 裸のプロトン （H +）は、真空以外では基本的に存在できません。そうでなければ、他の原子、イオン、または分子に付着します。メタンのように不活性な化学種でさえプロトン化されることがあります。「プロトン」という用語は、他の化学種に付着した溶媒和水素カチオンを指すために、比喩的に緩やかに使用されます。単一のプロトンが種として溶液中に自由に存在することを意味せずに「H + 」と表記されます。溶液中の裸のプロトンの意味を避けるために、酸性水溶液は「ヒドロニウムイオン」（[ H3O ] +）またはより正確には[ H9O4 ] +を含むと考えられることがあります。[ 95 ]水が他の溶媒と酸性溶液にある場合、他のオキソニウムイオンが見つかる。[ 96 ]
これらの溶媒和プロトンの濃度によって溶液のpHが決定され、これは酸性度または塩基性度を反映する対数スケールです 。pH値が低いほどヒドロニウムイオンの濃度が高く、より酸性の条件に対応します。[ 97 ]
原子Hとしての水素は、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%を占めています。[ 98 ]また、原子数では90%以上を占めています。[ 99 ]初期宇宙では、ビッグバン後最初の1秒で陽子が形成され、約37万年後の再結合期に、宇宙が膨張しプラズマが十分に冷えて電子が陽子に束縛されたままになったときに、中性水素原子が形成されました。[ 100 ]
天体物理学では、星間物質中の水素原子は中性水素をH I、電離水素をH IIと呼ぶ。[ 101 ]星からの放射線はH IをH IIに電離 させ、星の周囲に電離水素の球体 を形成する。宇宙の歴史において、中性水素は再電離期に星が誕生するまで優勢であり、その後、数億年かけて成長・合体した電離水素の泡が生成された。[ 102 ] これらが21センチメートル水素線の源であり、1420 MHz は 、原始水素を調査するために検出されます。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ます。[ 103 ]
水素は恒星や巨大ガス惑星に豊富に存在します。H₂の分子雲は星形成と関連しています。水素は、低質量星では陽子-陽子反応、太陽よりも質量の大きい星では核融合のCNOサイクルを通して、恒星のエネルギー源として重要な役割を果たしています。[ 104 ]
陽子化された分子水素 （H + 3 ）は星間物質中に存在し、宇宙線による分子水素の電離によって生成されます。このイオンは木星の上層大気でも観測されています。このイオンは低温と低密度のため、宇宙空間では長寿命です。H + 3は宇宙で最も豊富なイオンの1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ます。[ 105 ]中性三原子水素H 3は励起状態でのみ存在でき、不安定です。[ 106 ]
水素は地球表面で3番目に豊富な元素であり、[ 107 ]主に炭化水素や水などの化学化合物中に存在します。 [ 25 ]元素水素は通常、標準状態では気体H₂の形で存在します。地球の大気中には非常に低い濃度で存在しています（約 水素はモル濃度で百万分率0.53 [ 108 ]）であり、その軽さゆえに、より重いガスよりも速やかに大気から脱出します。大気中の濃度は低いものの、地球上の水素は数種類の細菌の代謝を支えるのに十分な量があります。[ 109 ]
マリ、フランス、オーストラリアなどいくつかの国で、大規模な地下水素ガス鉱床が発見されている。[ 110 ] 2024年現在、経済的に抽出可能な地下水素の量は不明である。[ 110 ]
現在、世界の水素ガス （H₂）供給量のほぼ全ては化石燃料から生産されており、[ 111 ] [ 112 ] 2025年には低排出技術で生産される水素は1%未満にとどまる見込みである。[ 113 ] H₂を生産する方法は数多く存在するが、商業的には主に3つの方法が用いられている。それは、水性ガスシフト反応と組み合わせられることが多い水蒸気改質、炭化水素の部分酸化、および水の電気分解である。[ 114 ]
水素は主に水蒸気メタン改質 （SMR）、すなわち水とメタンの反応によって生成される。[ 115 ] [ 116 ]したがって、高温（1,000～1,400 K [730～1,130 °C; 1,340～2,060 °F]）では、水蒸気（水蒸気）がメタンと反応して一酸化炭素とH2を生成する。
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。[ 117 ]天然ガス原料の生産では、放出メタンや漏洩メタンなどの排出物も発生し、これが水素の全体的なカーボンフットプリントにさらに寄与する。[ 118 ]
この反応は低圧で促進されますが、高圧水素が最も市場価値の高い製品であり、圧力スイング吸着（PSA）精製システムが高圧でより効率的に機能するため、高圧 （2.0 MPa [20 atm ; 590 inHg ] ）で実施されます。生成物混合物は、メタノールやその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」として知られています。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製造できます。この高度に最適化された技術における多くの複雑な問題の一つは、コークスまたは炭素の生成です。
したがって、水蒸気改質では通常、過剰のH 2 Oを使用します。水蒸気から追加の水素は、水性ガスシフト反応(WGS) を介して一酸化炭素を使用して回収できます。このプロセスには酸化鉄触媒が必要です。[ 116 ]
水素は分離されずに同じ工業プロセスで生産および消費されることがある。アンモニア製造のハーバー・ボッシュ法では、天然ガスから水素が生成される。[ 119 ]
COとH2を生成する他の方法には、炭化水素の部分酸化が含まれます。[ 46 ]
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なる可能性がある。[ 116 ]
オレフィン製造装置では、特にエタンやプロパンなどの軽質原料を分解する際に、副産物として相当量の水素が生成される可能性がある。[ 120 ]
水の電気分解は、水素を生成するための概念的に単純な方法である。
市販の電解槽は、強アルカリ溶液中でニッケル系触媒を使用する。白金はより優れた触媒であるが、高価である。[ 121 ]再生可能エネルギーを用いた電気分解によって生成される水素は、一般的に「グリーン水素」と呼ばれる。[ 122 ]
塩水の電気分解により塩素を生成する[ 123 ]と同時に、副産物として高純度水素も生成され、これは水素化などのさまざまな変換に使用されます。[ 124 ]
電気分解プロセスは、二酸化炭素回収・貯蔵なしでメタンから水素を製造するよりもコストがかかる。[ 125 ]
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る。この方法は既存の水素製造プロセスよりも炭素排出量が少ない可能性があるが、炭素を除去して触媒との反応を防ぐメカニズムは、工業規模での使用の障害となっている。[ 127 ] : 17 [ 128 ]
水の分解とは、水が構成要素に分解される過程のことである。生物学的シナリオに関連する式は次のとおりである。
この反応は、すべての光合成生物の光依存性反応で起こります。藻類のクラミドモナス・ラインハルディやシアノバクテリアなど、いくつかの生物は、暗反応で第2段階を進化させており、葉緑体内の特殊な水素化酵素によってプロトンと電子が還元されてH₂ガスが生成されます。[ 129 ]
シアノバクテリアの水素化酵素を遺伝子操作して、酸素が存在する場合でもより効率的にH₂ガスを生成する試みが行われてきた。 [ 130 ]また、遺伝子操作された藻類をバイオリアクターで用いる試みも行われている。[ 131 ]
熱分解による水分解のシナリオに関連するのは、次の単純な方程式です。
200種類以上の熱化学サイクルが水の分解に利用できます。鉄酸化物サイクル、セリウム(IV)酸化物-セリウム(III)酸化物サイクル、亜鉛-亜鉛酸化物サイクル、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、これらのサイクルの多くは、電気を使用せ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。[ 132 ]フランス、ドイツ、ギリシャ、日本、米国など、多くの研究所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。[ 133 ]
H₂は、ヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素によって生物体内で生成されます。このプロセスにより、宿主生物は発酵をエネルギー源として利用することができます。 [ 134 ]これらの同じ酵素はH₂を酸化することもでき、宿主生物はH₂から抽出した電子を使用して酸化された基質を還元することで生存することができます。[ 135 ]
水素化酵素は、活性部位に鉄または鉄ニッケル中心を持つ。[ 136 ]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る。[ 137 ]
Mycobacterium smegmatisなどの一部の細菌は、他のエネルギー源が不足している場合、大気中の少量の水素をエネルギー源として利用できます。これらの細菌のヒドロゲナーゼは、活性部位から酸素を排除する小さなチャネルを備えているため、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起こります。[ 108 ] [ 138 ]
ヒトの腸内に水素分解酵素を利用する微生物が存在することが確認され、ヒトの呼気中にH₂が存在する。安静時の絶食者の呼気中の濃度は通常5 ppm（百万分の 5 ）ですが、 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した場合、50 ppmになる。[ 139 ]
蛇紋岩化作用は、強い還元条件を生み出す地質学的メカニズムである。[ 140 ]このような条件下では、水は二価鉄 （Fe2 +）を酸化することができる。)ファヤライト中のイオンが水素ガスを生成する: [ 141 ] [ 142 ]
この地質学的プロセスと密接に関連しているのが、シコール反応である。
H 2は、金属電極と電解質を含む水を使用した小規模な水の電気分解など、実験室環境で生成され、陰極で水素ガスが発生します。[ 97 ]
水素は他の反応の副産物としてもよく生成されます。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、および合金化剤の存在によって異なります。多くの場合、水素発生は酸によって誘発されます。アルカリ金属とアルカリ土類金属、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。[ 97 ]
アルミニウムなどの多くの金属は、不動態酸化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。高pH溶液では、アルミニウムはH2と反応することができる。[ 97 ]
H 2 をエネルギー源として使用する場合、その貯蔵が重要になります。H 2 は溶媒に溶けにくいです。たとえば、室温、0.1ミリパスカル(9.9 × 10 −10 atm )では、約 0.05モル の水素が1キログラム（2.2ポンド）のジエチルエーテルに溶解する。[ 88 ] H2は圧縮状態で貯蔵できるが、圧縮にはエネルギーを要する。水素の臨界温度が低いため、液化は実用的ではない。対照的に、アンモニアや多くの炭化水素は室温で加圧下で液化できる。これらの理由から、水素キャリア（ H2を可逆的に結合する材料）は大きな注目を集めている。重要な問題は、キャリア材料中のH2当量の重量パーセントである。例えば、水素は多くの希土類元素や遷移金属に可逆的に吸収され[ 144 ] 、ナノ結晶金属と非晶質金属の両方に溶解する。[ 145 ]金属中の水素溶解度は、結晶格子の局所的な歪みや不純物によって影響を受ける。[ 146 ]これらの特性は、水素を高温のパラジウムディスクに通して精製する際には有用かもしれないが、ガスの高い溶解度は冶金上の問題でもあり、多くの金属の脆化につながり、 [ 147 ]パイプラインや貯蔵タンクの設計を複雑にする。[ 148 ]
金属水素化物を用いた貯蔵の最も問題となる点は、その水素含有量がわずかで、多くの場合1%程度であることです。 このため、低分子量化合物への水素 貯蔵が注目されています。例えば、アンモニアボラン（H₃N −BH₃ ）は19.8重量%の水素を含んでいます。この物質の問題点は、水素を放出した後、生成した窒化ホウ素が水素を再添加しないことです。つまり、アンモニアボランは不可逆的な水素キャリアです。[ 149 ]テトラヒドロキノリンなどの炭化水素は、触媒の存在下で加熱すると可逆的に水素を放出するため、より魅力的です。[ 150 ]
化石燃料の「アップグレード」には大量のH 2が使用されます。H 2の主な消費対象には、水素化脱硫と水素化分解があります。これらの反応の多くは水素化分解、つまり水素による結合の切断に分類できます。液体化石燃料からの硫黄の分離はその一例です。[ 114 ] [ 152 ]
水素化、つまりさまざまな基質へのH 2の添加は大規模に行われています。N 2の水素化は、ハーバー法によってアンモニアを生成します。[ 152 ]
このプロセスは、業界全体のエネルギー予算の数パーセントを消費し、水素の最大の消費源です。生成されたアンモニアは肥料生産に広く使用されており、これらの肥料は現代農業において不可欠な原料となっています。[ 153 ]水素化は、不飽和脂肪と油を飽和脂肪と油に変換するためにも使用されます。主な用途はマーガリンの製造です。メタノールは二酸化炭素の水素化によって製造されます。このプロセスで使用される水素と二酸化炭素の混合物は合成ガスとして知られています。同様に、塩酸の製造における水素源でもあります。H2は、一部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ます。 [ 154 ] [ 97 ]
水素（H₂ ）を燃料として利用する可能性については、広く議論されてきた。水素は燃料電池で電気を生成するために使用することも、[ 155 ]燃焼させて熱を発生させることもできる。[ 156 ]燃料電池で水素が消費される場合、使用地点での排出物は水蒸気のみである。[ 156 ]燃焼させた場合、水素は燃焼地点で比較的少ない汚染物質しか発生させないが、有害な窒素酸化物の熱生成につながる可能性がある。[ 156 ]
温室効果ガスの排出量が少ない、またはゼロの水素（グリーン水素）が製造される場合、化石燃料を電力の直接使用に置き換えることに課題や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ことができる。[ 157 ] [ 125 ]
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強烈な熱を発生させることができ、製鉄用の電気アーク炉などの他の技術とともに産業の脱炭素化に貢献します。[ 158 ]しかし、アンモニアや有機化学薬品のよりクリーンな生産のための工業原料を提供する上で、より大きな役割を果たす可能性が高いです。[ 157 ]例えば、製鉄では、水素はクリーンな燃料としてだけでなく、石炭由来のコークス（炭素）を置き換える低炭素触媒としても機能する可能性があります。 [ 159 ]
輸送の脱炭素化に用いられる水素は、アンモニアやメタノールなどの水素由来合成燃料や燃料電池技術の使用を通じて、船舶、航空、そして程度は低いものの大型貨物車両において最大の用途が見出される可能性が高い。[ 157 ]乗用車を含む小型車両においては、水素は他の代替燃料車に比べて大きく遅れており、特にバッテリー式電気自動車の普及率と比較すると、将来的に大きな役割を果たすことはないかもしれない。[ 160 ]
液体水素と液体酸素は、スペースシャトルのメインエンジンなどの液体燃料ロケットの極低温推進剤として使用されます。NASAは、原子状水素、ホウ素、または炭素を液体ヘリウム中に懸濁させた固体分子状水素粒子に凍結させたロケット推進剤の使用を調査しました。加熱すると、混合物が気化して原子種が再結合し、混合物が高温になります。[ 161 ]
変動する再生可能電力の余剰がある場合に生成される水素は、原理的には貯蔵して後で熱を発生させたり、電力を再生したりするために使用できる。[ 162 ]さらに、アンモニアやメタノールなどの合成燃料 に変換することもできる。[ 163 ]水素燃料の欠点としては、水素の爆発性、他の燃料に比べて体積が大きいこと、材料を脆くする傾向があることによる貯蔵と流通のコストが高いことが挙げられる。[ 118 ]水素を使用する施設を鉱業の中心地に併設することで、流通の経済的不利を軽減できる。[ 164 ]
衛星電源システム用に開発された非常に長寿命の充電式ニッケル水素電池は、加 圧された気体状のH₂を使用しています。[ 165 ]国際宇宙ステーション[ 166 ]、マーズ・オデッセイ[ 167 ]、マーズ・グローバル・サーベイヤー[ 168 ]にはニッケル水素電池が搭載されています。ハッブル宇宙望遠鏡も軌道の暗い部分でニッケル水素電池で駆動しており、打ち上げから19年以上、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。 [ 169 ] [ 170 ]
半導体製造では、アモルファスシリコンとアモルファスカーボンの切断された（「ダングリング」）結合を飽和させるために水素が使用され、材料の特性の安定化に役立ちます。[ 171 ]製造の意図しない副産物として導入された水素は、ZnOでn 型伝導性をもたらす浅い電子ドナーとして機能し、トランスデューサーや蛍光体で重要な用途があります。[ 172 ] [ 173 ] ZnO とMgOの詳細な分析により、4 重および 6 重の水素多中心結合の証拠が示されています。[ 174 ]水素の ドーピング挙動は材料によって異なります。[ 175 ] [ 176 ]
上記以外にも、水素は小規模ながら以下のような用途にも使用されています。
水素パイプラインや鋼製貯蔵容器では、水素分子は金属と反応しやすく、水素脆化やパイプラインまたは貯蔵容器の漏洩を引き起こします。[ 189 ]水素は空気より軽いため、容易に蓄積して可燃性ガス混合物を形成することはありません。[ 189 ]しかし、着火源がなくても、高圧水素の漏洩は自然発火や爆発を引き起こす可能性があります。[ 189 ]
水素は、少量でも空気と混合すると可燃性です。水素と空気の体積比がわずか4%でも着火する可能性があります。[ 190 ]水素着火事故の約70%では、着火源を特定できません。[ 189 ]
水素火災は非常に高温であるが、人間の目にはほとんど見えないため、偶発的な火傷につながる可能性がある。[ 45 ]水素は無毒であるが、[ 191 ]ほとんどのガスと同様に、適切な換気がないと窒息を引き起こす可能性がある。 [ 192 ]
プロトン
という言葉は、
1
H
+
イオンだけでなく、一般的に、そして誤って、自然存在比の H
+
にも使用されています
。多くの文脈では、これによって曖昧さは生じず、この使用法は今後も続く可能性が高いです。
第 21.4.1 章 - これは宇宙の年齢が約 370,000 年だったときに起こった。 （2017年9月改訂）キース・A・オリーブおよびジョン・A・ピーコック著
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