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水素とは?

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H

Li | 
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1H
周期表



外見
無色の気体

一般特性
名称, 記号, 番号 水素, H, 1
分類 非金属
, 周期, ブロック 1, 1, s
原子量 1.00794(7)
電子配置 1s
電子殻 1(画像)
物理特性
無色
気体
密度 (0 °C, 101.325 kPa)
0.08988 g/L
融点 14.01 K, -259.14 °C
沸点 20.28 K, -252.87 °C
三重点 13.8033 K (-259°C), 7.042 kPa
臨界点 32.97 K, 1.293 MPa
融解熱 (H2) 0.117 kJ/mol
蒸発熱 (H2) 0.904 kJ/mol
熱容量 (25 °C) (H2) 28.836 J/(mol・K)
蒸気圧
圧力 (Pa) | 1 | 10 | 100 | 1 k | 10 k | 100 k
温度 (K) |  |  |  |  | 15 | 20

原子特性
酸化数 1, -1
(両性酸化物)
電気陰性度 2.20(ポーリングの値)
イオン化エネルギー 1st: 1312.0 kJ/mol
共有結合半径 31±5 pm
ファンデルワールス半径 120 pm
その他
結晶構造 六方晶系
磁性 反磁性
熱伝導率 (300 K) 0.1805 W/(m・K)
音の伝わる速さ (gas, 27 °C) 1310 m/s
CAS登録番号 12385-13-6
1333-74-0 (H2)
主な同位体
詳細は水素の同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
H | 99.985% | 中性子0個で安定
H | 0.015% | 中性子1個で安定
H | trace | 12.4 y | β | 0.01861 | He


水素(すいそ、: hydrogenium: hydrogène: hydrogen)は、原子番号1の元素である。元素記号H原子量は1.00794。非金属元素のひとつ。

ただし、一般的に「水素」と言う場合、水素の単体である水素分子(水素ガス)H2を指していることが多い。

名称

命名者のラヴォアジエ

1783年アントワーヌ・ラヴォアジエが「hydrogène(イドロジェーヌ)」と命名した。ギリシア語の 「ὕδωρ(ヒュドール)」(ラテン文字表記:hydôr、=「水」)と 「γεννεν(ゲネン)」(ラテン文字表記:gennen、=「生む」「作り出す」)を合わせた語で、水を生むものを意味する。

英語では「hydrogen(ハイドロジェン)」という。独語の「Wasserstoff(ヴァッサーシュトーフ)」も、やはり水を生むものという意味である。

日本語の「水素」は、オランダ語waterstof(ワーテルストフ)」(宇田川榕菴が書いた『舎密開宗』で初めて用いられた。

中国語では「」(中国語読み:チン、ピンイン:qīng、日本語読み:けい)という字があてられている。

歴史

1671年に、ロバート・ボイル希硝酸を反応させて生じる気体が可燃性であることを記録している。1766年ヘンリー・キャヴェンディッシュが水素を気体として分離し、発見した。

分布

水素は宇宙でもっとも豊富に存在する元素であり、(ダークマターダークエネルギーを除いた)宇宙の質量の4分の3を占め、総量数比では全原子の90パーセント以上となる。これらのほとんどは星間ガス銀河間ガス恒星あるいは木星型惑星の構成物として存在している。地球表面の元素数では酸素珪素に次いで3番目に多いが、水素は質量が小さいため、質量パーセントで表すクラーク数では9番目となる。ほとんどは海水の状態で存在し、単体の水素分子状態では天然ガスの中にわずかに含まれる程度である。地球の大気中での濃度は1ppm以下とほとんど存在していない。

水素原子は宇宙が誕生してから約38万年後に初めて生成したとされている。それまでは陽子電子がバラバラのプラズマ状態では宇宙空間を直進できなかったが、電子と陽子が結合することにより宇宙空間に散乱されずに進めるようになった。これを「宇宙の晴れ上がり」という。

宇宙における主系列星のエネルギー放射のほとんどはプラズマとなった4個の水素原子核ヘリウム核融合する反応によるもので、比較的軽い星では陽子-陽子連鎖反応、重い星ではCNOサイクルという過程を経てエネルギーを発生させている。水素原子はいずれの核融合反応においてもこれを起こす担い手である。

宇宙空間に散逸する地球の大気は少ないが、それでも1秒あたり水素が3キログラム、ヘリウムが50グラムずつ放出されている。これは大気が薄く原子や分子の速度が減速されずに宇宙へ飛び出すジーンズエスケープや、イオン状態の荷電粒子地球磁場に沿って脱出する現象がある。なお、加熱された粒子がまとまって流出するハイドロダイナミックエスケープや太陽風が持ち去るスパッタリングは現在の地球では起きていないが、地球誕生直後はこの作用によって水素が大量に散逸したと考えられる。

固有磁場を持たない金星は、現在でもハイドロダイナミックエスケープやスパッタリングが続き、地表には比較的重いため残った酸素や炭素が作る二酸化炭素が大気のほとんどを占め、水がない非常に乾燥した状態にある。火星も軽い水素を中心に散逸し、かろうじてとなった水が極部分の土中に残るにとどまる。

同位体

質量数が2(原子核陽子1つと中性子1つ)の重水素(H)、質量数が3(原子核陽子1つと中性子2つ)の三重水素(H)と区別して、質量数が1(原子核陽子1つのみ)の普通の水素(H)を軽水素とも呼ぶ。

水素の同位体の原子図。左端からそれぞれ水素、重水素、三重水素。図中の赤い丸は陽子、黒い丸は中性子、青い丸は電子を表している。
水素のもっとも一般的な同位元素であるプロチウムは、1つの陽子および1つの電子を持つ原子。安定している同位元素の中では、唯一中性子をまったく持っていないのが特徴である。
詳細は「水素の同位体」を参照

水素には、水素(軽水素、プロチウム)H重水素 H (デュウテリウム、ジューテリウム、略号D)、三重水素 H (トリチウム、略号T)の3つの同位体が知られている。このうち、もっとも軽い H は、1つの陽子と1つの電子のみによって構成されており、原子の中で中性子を持たない核種の1つである。存在が確認されている中でほかに中性子を持たない核種はリチウム3のみである。それぞれの同位体は質量の差が2倍、3倍となり、性質の違いも大きい。たとえばD2はH2よりも融点や沸点が高くなり、溶融潜熱は倍近くに、蒸気圧は10分の1近くとなる。2013年現在、より重い同位体は水素4から水素7までが確認されている。もっとも重い水素7(原子核は陽子1、中性子6よりなる)はヘリウム8を軽水素に衝突させることで合成されている。質量数が4以上のものは寿命がきわめて短く、たとえば水素7では半減期が23ヨクト秒(=2.3×10秒)ほどしかない。

水素原子における電子軌道エネルギー固有関数である。

水素の同位体は、それぞれの特徴を有効に活かした使い方をされる。重水素原子核反応での用途で、中性子の減速に使用され、化学生物学では同位体効果の研究、医療では診断薬の追跡に使用されている。また、三重水素原子炉内で生成され、水素爆弾の反応物質や核融合燃料、放射性を利用したバイオテクノロジー分野でのトレーサーや発光塗料の励起源として使用されている。

水素分子

水素の線スペクトル例。バルマー系列と呼ばれる。

水素分子は、常温常圧では無色無臭の気体として存在する、分子式 H2で表される単体である。分子量2.01588、融点 -259.2 (常圧)、沸点 -25.6 ℃(常圧)密度 0.099 g/L比重 0.0695(気 1 として)、臨圧力 1280 気圧、水への解度 0.21 mL/mL(0 )。最も軽い気体である。原子間離は 0.74 Å結合エネルギーはおよそ 04 kcal/mol

水素分子は常温では安定であり、フッ素以外とは化学反応をまったく起こさない。しかし何かしらの外部要因があればその限りではなく、たとえば光がある状態では塩素と激しい反応を起こす。また、水素と酸素を混合したものに火をつけると起こす激しい爆発(水素爆鳴気)は、混合比下限は4.65パーセント、上限は93.3パーセントであり、空気との混合では4.1 - 74.2パーセントとなり、これはアセチレンに次ぐ広い爆発限界の範囲を持つ。

ガス密度が低い水素は速い速度で拡散する性質を持ち、また燃焼時の伝播も速い。そのため、ガス漏れを起こしやすい傾向にある。原子径の小ささから、金属材料に侵入し機械的特性を低下させる(水素脆化)傾向が強い。これは高温高圧環境下で顕著となり、封入容器の材質には注意を払う必要がある。-250℃以下で液化させると体積は 800分の1となり、さらに軽いため低温貯蔵性には優れる。

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、H2H3、単独の水素原子などの状態も観測されている。H2分子形状の雲は星の形成などに関係があると考えられており、特に新生惑星衛星の観察時にはそれを注視することが多い。

オルト水素とパラ水素

水素分子は、それぞれの原子核(プロトン)の核スピンの配向により、オルト(ortho)とパラ(para)の2種類の異性体が存在する。オルト水素は、互いの原子核のスピンの向きが平行で、パラ水素ではスピンの向きが反平行である。この2つは、化学的性質に違いがないが、物理的性質(比熱熱伝導率など)がかなり異なる。これは内部エネルギーにある差によるもので、パラ水素側が低い。統計的な重みが大きいほうをオルトと呼ぶ。

常温以上では、オルト水素とパラ水素の存在比はおよそ3:1である。低温になるほどパラ水素の存在比が増し、絶対零度付近ではほぼ100パーセントパラ水素となる。オルト‐パラ変換を起こす触媒は、活性炭や鉄などの金属の一部、常磁性物質またはイオンなどがある。

イオン

詳細は「水素イオン」を参照

金属水素

詳細は「金属水素」を参照

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水素は、実際に1996年ローレンス・リバモア国立研究所のグループが、140GPa(1GPa=約1万気圧)、数千℃という状態で、100万分の1秒以下という短寿命ではあるが、液体の金属水素を観測したと報告している。しかしながら、2006年現在、数百GPaのオーダーで圧力を加える実験が行われているものの、固体の金属水素の観測はされていない。

励起状態の水素が金属化するときわめて強力な爆薬になるとの理論計算が行われ、電子励起爆薬として研究されている。この理論では圧力だけでは不十分であり、水素を励起状態にして圧力をかければ金属化するとしている。

超伝導の可能性

金属化そのものが達成されていないためにその真偽はいまだ不明であるが、金属化した水素は室温超伝導を達成するのではないかという予想がある。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状態となることが示されている。リチウムの超伝導への転移温度は圧力48GPaで20K程度であるが、この数字は単体元素のものとしては高い部類に入り、いくつかの例外を除けば一般に軽い元素ほど転移温度は高くなるため、もっとも軽い元素である水素は、より高い転移温度を持つ可能性が十分ある。

木星型惑星(木星土星)の深部は非常に高い圧力になっており、液体金属水素が観測された条件と似ている。木星型惑星を構成するもっとも主要な元素のひとつである水素は、この状況下では金属化している可能性があり、惑星の磁場との関わりも指摘されている。

物理的性質

水素用のボンベ(火災時に近づくと危険)
水素の入った風船が爆発した瞬間

元素およびガス状分子の中でもっとも軽く、また宇宙でもっともが多く、珪素量を10とした際の比率は2.79×10である。地球上では有機化合物の構成要素として存在する。

水素分子は常温常圧では無色無臭の気体で、非常に軽く、非常に燃焼・爆発しやすいといった特徴を持つ。そのため日本では、高圧ガス保安法容器保安規則により、赤色ボンベに保管するように決められている。

従来、水素ガスの爆発濃度は4% - 75%であるとされてきたが、慶應義塾大学環境情報学部の武藤佳恭は、10%以下であれば爆発しないことを明らかとした。

化学的性質

水素化物

詳細は「水素化合物」を参照
元素の水素化物
【化学式】
【IUPAC組織名】
慣用名
BH3 | ボラン | ホウ化水素
CH4 | カルバン | メタン
NH3 | アザン | アンモニア
H2O | オキシダン | 
HF | フッ化水素 | 
AlH3 | アラン | 水素化アルミニウム
SiH4 | シラン | 水素化ケイ素
PH3 | ホスファン | ホスフィン
リン化水素
H2S | スルファン | 硫化水素
HCl | 塩化水素 | 
GaH3 | ガラン | 水素化ガリウム
GeH4 | ゲルマン | 水素化ゲルマニウム
AsH3 | アルサン | アルシン
H2Se | セラン | セレン化水素
HBr | 臭化水素 | 
SnH4 | スタナン | 水素化スズ
SbH3 | スチバン | スチビン
H2Te | テラン | テルル化水素
HI | ヨウ化水素 | 
PbH4 | プルンバン | 水素化鉛
BiH3 | ビスムタン | ビスムチン

水素は電気陰性度が2.2であり、酸化剤としても還元剤としても働く。このため非金属元素とも金属元素とも親和しやすい。たとえば、水素と酸素が化合するときには還元剤として働き、爆発的な燃焼とともに水H2Oを生じる。ナトリウムと水素との反応では酸化剤として働き、水素化ナトリウムNaHを生じる。このような水素とほかの元素が化合した物質を水素化物という。

水素化物の結合には、イオン結合型・共有結合型のほかに、パラジウム水素化物などの侵入型固溶体(侵入型化合物)と呼ばれる3種類の形態がある。イオン結合型の化合物の中では、水素はHイオン(ヒドリドイオン)として存在する。共有結合型は電気陰性度が高いPブロック元素と電子を共有して化合する。侵入型固溶体は一種の合金であり、水素原子は金属原子の隙間にはまり込むように存在している。このため、容易かつ可逆的に水素を吸収・放出することができ、水素吸蔵合金に利用される。なお、高性能な水素吸蔵合金中の水素原子の密度は、液体水素のそれに匹敵する。

一方、より電気陰性度の大きい元素との化合物では水素はHイオンとなる。水中で水素イオンを生じる物質が狭義のである。水溶液中では水素イオンは、H(ヒドロン)ではなく、水分子と結合してH3O(オキソニウムイオン) として振る舞う。

水素はまた、炭素と結合することで、さまざまな有機化合物を形成する。ほとんどすべての有機化合物は構成原子に水素を含む。

水素を含む有機化合物の例:

おもな元素の水素化物の化学式と国際純正応用化学連合(IUPAC)による組織名、および(存在するものは)慣用名を右表に示す。

水素イオンと水素化物イオン

水素のイオンには、陽イオンである水素イオン(hydron、ヒドロンまたはハイドロン)と、陰イオンの水素化物イオン(hydride、ヒドリドまたはハイドライド)とが存在する。Hはプロトン(陽子)そのものであるが、一般に水素は同位体混合物なので、水素の陽イオンに対する呼称としてはヒドロンが正確である(すなわちヒドロンは H、DTの総称である)。しかし、化学の領域において単に「プロトン」と呼ぶ際は水素イオンを指し示していると考えて差し支えはない。

水素イオンの濃度[H]酸性度を定量的に表す指標として用いられ、mol/L(モル毎リットル)単位で表した水素イオンの濃度の数値の対数に負号をつけた値を水素イオン指数(pH)で表す。水中の[H]濃度は1から10mol/L程度の広い範囲を取り、pHでは0 - 14 程度となる。中性の水には約10mol/Lの水素イオンが存在し、pHは約7となる。

ヒドロン・プロトンとヒドロニウムイオン

Hであれ Dであれ、ヒドロンは電子殻を持たないむき出しの原子核であるため、化学的にはファンデルワールス半径を持たない正の点電荷のように振る舞う。それゆえ通常は単独で存在せず、溶媒などほかの分子の電子殻と結合したヒドロニウムイオン(hydronium ion)として存在する。水素のイオン化エネルギーは1131kJmol、遊離状態の水素イオンの水和エネルギーは1091kJmolと見積もられており、これは高い電子密度に起因する、水分子との高い親和力を示すものである。

H+(g)rmH+( ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
出典:wikipedia
2020/06/07 02:51

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