液体水素

液体水素

名前
IUPAC名 水素
体系的なIUPAC名 液体水素
その他の名前 水素（極低温液体）、冷却水素、LH 2、パラ水素
識別子
CAS番号	1333-74-0 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:33251 はい
ケムスパイダー	762 はい
ケッグ	C00282 はい
パブケム CID	783
RTECS番号	MW8900000
ユニ	7YNJ3PO35Z はい
国連番号	1966
InChI InChI=1S/H2/h1H はい キー: UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N はい InChI=1/H2/h1H
笑顔 [H][H]
プロパティ
化学式	H 2 (リットル)
モル質量	2.016 グラムモル−1
外観	無色の液体
密度	0.07085 g/cm3 ( 4.423 ポンド/立方フィート) [1]
融点	−259.14 °C (−434.45 °F; 14.01 K) [2]
沸点	−252.87 °C (−423.17 °F; 20.28 K) [2]
危険
GHSラベル: [3]
ピクトグラム
シグナルワード	危険
危険有害性情報	H220、H280
注意事項	P210、P377、P381、P403
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	3 4 0 クライオ
自然発火 温度	571 °C (1,060 °F; 844 K) [2]
爆発限界	LEL 4.0%; UEL 74.2% (空気中) [2]
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 はい 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

液体水素（H ₂ (l)）は、水素元素の液体状態である。水素は自然界では分子H _2の形で存在する。^[4]

_{H 2}が液体であるためには、臨界点の 33  K以下に冷却されなければならない。しかし、大気圧で完全に液体の状態になるためには、H _{2 を}20.28 K (-252.87 °C、-423.17 °F) まで冷却する必要がある。^[5]液体水素を得るための一般的な方法は、外観と原理の両方でジェットエンジンに似たコンプレッサーを使用する。液体水素は通常、濃縮された水素貯蔵形態として使用される。液体として貯蔵すると、常温常圧でガスとして貯蔵するよりも場所を取らない。しかし、液体の密度は他の一般的な燃料に比べて非常に低い。一度液化すると、断熱容器内でしばらく液体として維持することができる。^[6]

水素には2つのスピン異性体があり、室温の水素は主にオルト水素であるのに対し、液体水素は99.79%のパラ水素と0.21%のオルト水素で構成されています。^[5]

水素は、液化するのに理論上最低3.3kWh/kg（12MJ/kg）、水素をパラ異性体に変換するのにも3.9kWh/kg（14MJ/kg）のエネルギーが必要ですが、実際には、水素の発熱量33kWh/kg（119MJ/kg）と比較して、一般的に10～13kWh/kg（36～47MJ/kg）しかかかりません。^[7]

1885年、ジグムント・フロレンティ・ヴロブレフスキは、水素の臨界温度が33 K（-240.2 °C、-400.3 °F）、臨界圧力が13.3標準気圧（195 psi）、沸点が23 K（-250.2 °C、-418.3 °F）であると発表しました。

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使用して液化されました。液体水素の安定した異性体であるパラ水素の最初の合成は、1929年にポール・ハートックとカール・フリードリヒ・ボンヘッファーによって達成されました。

二水素分子内の 2 つの核は、2 つの異なるスピン状態をとることができる。2 つの核スピンが反平行であるパラ水素は、2 つの核スピンが平行であるオルト水素よりも安定している。室温では、気体水素は熱エネルギーによりほとんどがオルト異性体であるが、オルト濃縮混合物は低温で液化した場合にのみ準安定となる。ゆっくりと発熱反応を起こしてパラ異性体になり、十分なエネルギーが熱として放出され、液体の一部が沸騰する。^[8]長期保管中に液体が失われるのを防ぐため、製造プロセスの一環として意図的にパラ異性体に変換される。通常は、酸化鉄 (III)、活性炭、白金めっきアスベスト、希土類金属、ウラン化合物、酸化クロム (III) 、または一部のニッケル化合物などの触媒を使用する。^[8]

液体水素はロケット工学に用いられる一般的な液体 ロケット燃料であり、 NASAやアメリカ空軍で使用されており、最大380万リットル（100万米ガロン）の容量を持つ多数の液体水素タンクを運用している。^[9]

液体水素を燃料とするほとんどのロケットエンジンでは、まずノズルやその他の部品を冷却してから、酸化剤（通常は液体酸素）と混合し、燃焼させて微量のオゾンと過酸化水素を含む水を生成します。実際の H ₂ –O ₂ロケットエンジンは燃料を多く含んだ状態で稼働するため、排気ガスには未燃焼の水素が含まれます。これにより、燃焼室とノズルの浸食が減少します。また、排気ガスの分子量も減少するため、不完全燃焼にもかかわらず、比推力を高めることができます。

液体水素は、内燃機関や燃料電池の燃料として使用できます。212型潜水艦、214 型潜水艦などのさまざまな潜水艦や、DeepC、BMW H2Rなどのコンセプト水素自動車が、この形態の水素を使用して建造されています。類似性のため、建造者は液化天然ガス(LNG) 用に設計されたシステムを変更して機器を共有できる場合があります。液体水素は、航空機用のゼロカーボン燃料として研究されています。体積エネルギーが低いため、燃焼に必要な水素の量は多くなります。直接噴射を使用しない限り、激しいガス置換効果によって最大呼吸が妨げられ、ポンピング損失が増加します。

液体水素は、中性子散乱に使用する中性子を冷却するためにも使用されます。中性子と水素原子核は質量が似ているため、相互作用ごとの運動エネルギー交換は最大になります（弾性衝突）。最後に、過熱液体水素は多くのバブルチャンバー実験 で使用されました。

最初の熱核爆弾であるアイビー・マイクは、核融合に液体重水素（水素2とも呼ばれる）を使用しました。

純酸素環境での水素燃焼の生成物は水蒸気のみである。しかし、燃焼温度が高く、大気中の窒素が存在すると、N≡N結合が破壊され、排気ガスの浄化が行われない場合、有毒なNOxが形成される可能性がある。^[10]水は環境に無害であると考えられることが多いため、水を燃焼するエンジンは「ゼロ排出」とみなされる。しかし、航空業界では、大気中に放出される水蒸気は地球温暖化に寄与している（ _CO2ほどではないが）。^[11]液体水素は、ガソリン、天然ガス、ディーゼルよりもはるかに高い比エネルギーも有する。 ^[12]

液体水素の密度はわずか 70.85 kg/m ³ (20  K ) で、相対密度はわずか 0.07 です。比エネルギーは他の燃料の 2 倍以上ですが、体積エネルギー密度は著しく低く、数倍も低くなります。

液体水素は、特殊な断熱容器などの極低温貯蔵技術を必要とし、すべての極低温燃料に共通する特別な取り扱いが必要である。これは液体酸素に似ているが、より厳しい。断熱容器を使用しても、そのような低温を維持することは困難であり、水素は徐々に漏れ出す（通常、1日あたり1％の割合で^[12]）。また、他の形態の水素と同じ安全上の問題を多く抱えており、大気中の酸素を液化、さらには固体化させるほど低温であるため爆発の危険がある。

水素の三重点は13.81 K ^[5]、7.042 kPa ^{[13]にあります。}

液体水素は低温のため、低温火傷の危険があります。水素自体は生物学的に不活性であり、蒸気として人体への唯一の健康被害は、酸素との置換による窒息と、非常に高い可燃性で空気と混合すると爆発する能力があることです。可燃性のため、液体水素は、点火を意図しない限り、熱や炎から遠ざける必要があります。空気より軽い常温のガス状水素とは異なり、液体から気化したばかりの水素は非常に低温であるため、空気より重く、可燃性の空気と水素の混合物を形成する可能性があります。