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2017年9月5日 (火) 02:59時点における版

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曖昧さ回避 この項目では、元素について説明しています。ゲームソフトウェアについては「水素 (ソフトウェア)」をご覧ください。
- ← 水素 → ヘリウム
-
↑
H
↓
Li
外見
無色の気体[1]
一般特性
名称, 記号, 番号 水素, H, 1
分類 非金属
族, 周期, ブロック 1, 1, s
原子量 1.00794(7) 
電子配置 1s1
電子殻 1（画像）
物理特性
色 無色[1]
相 気体
密度 (0 °C, 101.325 kPa)
0.08988[1] g/L
融点 14.01[1] K, −259.14[1] °C, −434.45 °F
沸点 20.28[1] K, −252.87[1] °C, −423.17 °F
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[3]
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 1333-74-0[2]
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
1H 99.985%[1] 中性子0個で安定
2H 0.015%[1] 中性子1個で安定
3H trace 12.4 y[1] β−[1] 0.01861 3He

水素（すいそ、羅: hydrogenium、仏: hydrogène、英: hydrogen）は、原子番号 1 、原子量 1.00794[1]の非金属元素である。元素記号は H。ただし、一般的には「水素」と言っても、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。

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

発見の歴史と名称の意味

水を生むもの、という意味の表現で呼ぶことにしたラヴォアジエ

日本語の「水素」は「水の素」という意味の表現だが、そもそも発見されたヨーロッパで水素は、水を生むという性質に着目され、水を生むものという表現で呼ばれて来た歴史を持つ。最初に命名されたフランスで水を生むものという意味の表現で呼ばれたのであり、それに倣って日本語でも「水素」となったのである。仏語の 「hydrogène（イドロジェーヌ）」や、それを英語化した 「hydrogen（ハイドロジェン）」は、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、水を生むものという意味の合成語である[1]。独語でも 「Wasserstoff（ヴァッサーシュトーフ）」と言い、やはり水を生むものという意味である。

水素を気体として分離して発見したのは1766年のヘンリー・キャヴェンディッシュであり、アントワーヌ・ラヴォアジエが1783年に hydrogène と命名した[1]のである。ただし、1671年にはロバート・ボイルが鉄と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[1]。

ただし中国語では、水素に「氫」（中国語読み:チン　日本語読み：けい）という字が充てられ、別の漢字で区別されている。

分布

水素は宇宙で最も豊富に存在する元素であり、（ダークマターとダークエネルギーを除いた）宇宙の質量の3⁄4を占め[4]、総量数比では全原子の 90 % 以上となる[5]。これらのほとんどは星間ガスや銀河間ガス、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・珪素に次いで三番目に多い[1]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[1]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 1 ppm 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[6]に初めてできたとされている。それまでは陽子と電子がバラバラのプラズマ状態で光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を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」と言う。

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個の水素原子核がヘリウムへ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[7]。

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 kg、ヘリウムが 50 g 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が地球磁場に沿って脱出するプロセスがある。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[8]。

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、水が無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、かろうじて氷となった水が極部分の土中に残るに止まる[8]。

同位体

水素の同位体 左からそれぞれ水素、重水素、三重水素。図中の赤い丸は陽子を、黒い丸は中性子を、そして青い丸は電子を表している。
→詳細は「水素の同位体」を参照

水素には、水素（軽水素）1H 、重水素 2H （デュウテリウム、ジューテリウム[9]、略号D） 、三重水素 3H （トリチウム、略号T）の三つの同位体が知られている[1]。このうち、最も軽い 1H は、一つの陽子と一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他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。例えば 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 1⁄10 近くとなる[10]。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。最も重い水素7（原子核は陽子1、中性子6よりなる）はヘリウム10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極めて短く、たとえば水素7では半減期が 23 ヨクト秒（= 2.3 × 10−23 秒）ほどしかない[11]。

水素原子における電子の軌道はエネルギーの固有関数である。

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。重水素は原子核反応での用途で、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、医療では診断薬の追跡[9]に使用されている。また、三重水素は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 −252.6 ℃（常圧）、密度 0.0899 g/L、比重 0.0695（空気を 1 として）、臨界圧力 12.80 気圧、水への溶解度 0.021 mL/mL水（0 ℃）。最も軽い気体である。原子間距離は 0.074 nm、結合エネルギーはおよそ 104 kcal/mol[2]。

水素分子は常温で安定であり、フッ素以外とは反応を起こさない。しかし何かしらの外部要因があればその限りではなく、例えば光がある状態では塩素と激しい反応を起こす[10][2]。また水素と酸素を混合したものに火を付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 %、上限は 93.3 % であり、空気との混合では 4.1 % — 74.2 % 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[2]。

ガス密度が低い水素は早い速度で拡散する性質を持ち、また燃焼時の伝播も早い。そのため、ガス漏れを起こしやすい傾向にある[2]。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 1⁄800 となり、しかも軽いため低温貯蔵性には優れる[12]。

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、H2+ や H3+、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あると考えられている。

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) の二種類の異性体が存在する[10]。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。この二つは、化学的性質に違いがないが、物理的性質（比熱や熱伝導率など）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[10]。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% パラ水素となる[10]。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[10]。

金属水素

→詳細は「金属水素」を参照

高い圧力下において金属化すると考えられている水素は、実際に1996年にローレンス・リバモア国立研究所のグループが、140 GPa（1 GPa = 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[13][14]。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極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未だ不明であるが、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[15]。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、30 GPa 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 48 GPa 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、最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最も主要な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、惑星の磁場との関わりも指摘されている[16]。

物理的性質

元素およびガス状分子の中で最も軽く[2]、また宇宙で最も数が多く[1]、珪素量を106とした際の比率は2.79×1010である[17]。地球上では水や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、とても軽く、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、赤いボンベに保管するように決められている[2]。

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[18] 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 水
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。例えば、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共に水 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。このような水素と他の元素が化合した物質を水素化物という[19]。

水素化物の結合には、イオン結合型・共有結合型の他に、パラジウム水素化物などの侵入型固溶体（侵入型化合物）と呼ばれる三種類の形態がある[19]。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[19]。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・放出することが出来、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酸である。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） として振舞う。

水素はまた、炭素と結合することで、様々な有機化合物を形成する。ほとんど全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, ヒドロン又はハイドロン）と、陰イオンの水素化物イオン（hydride, ヒドリド又はハイドライド）とが存在する。1H+ 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+、D+、T+ 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+] は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 10−14 mol/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 10−7 mol/L の水素イオンが存在し、pH は約 7 となる[1]。

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様に振る舞う。それゆえ通常は単独で存在せず、溶媒など他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1131 kJ mol−1、遊離状態の水素イオンの水和エネルギーは1091 kJ mol−1と見積もられており[19]、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。

極性溶媒中では、水、アルコール、エーテルなどの酸素原子の電子殻と結合している場合が多いので、ヒドロニウムイオンと言う代わりにオキソニウムイオン (oxonium ion) と呼ばれることも多い。あるいは超強酸など極限状態においては単独で挙動するプロトンも観測されている。

また、アレニウスの定義ではヒドロンは酸の本体である。酸としてのプロトンの性質は記事 オキソニウム あるいは記事 酸と塩基 に詳しい。

ヒドリド

水素化合物を意味するヒドリドは水素化合物を参照ください。
ヒドリド
系統名
Hydride[20]
別称
Hydrogen anion,
Hydride ion,
Hydride anion[21]
識別情報
CAS登録番号 12184-88-2[22]
PubChem 166653
ChemSpider 145831 チェック
E番号 E949 (その他)
国連/北米番号 1409
ChEBI
Gmelin参照 14911
特性
化学式 H−
モル質量 1.00794
熱化学
標準モルエントロピー So 108.96 J K−1 mol−1
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

ヒドリド(別名、水素化物イオン、ヒドリドイオン[23][24][25]、英: hydride、英: hydrogen anion、化学記号:H−とも表記される)は、アルカリ金属、アルカリ土類金属あるいは第13族・14族元素（共有結合性が強い）などの、電気的に陽性な元素の水素化物が電離するとき生成する水素の陰イオン(アニオン)。ヒドリドは K 殻が閉殻した電子配置を持ちヘリウムと等電子的であるために、一定の大きさを持ったイオンとして振舞う点でヒドロン（水素カチオン）とは異なる。実際、ヒドリドはフッ素アニオンよりもイオン半径が大きいように振舞う。

ヒドリドは極めて弱い酸でもある水素分子 (pKa = 35) の共役塩基であるので、強塩基として振舞う。

ヒドリドは塩基として作用する場合と還元剤として作用する場合がある。これをヒドリド還元というが、それは金属と還元をうける化合物との組み合わせにより変化する。ヒドリドの標準酸化還元電位は−2.25 Vと見積もられている。

周期表上の位置

一般的な周期表では水素はアルカリ金属の上に配置されるが、2006年に周期表における水素の位置を変更すべきなのではないか[26]とする論文が IUPAC に提出され、公式雑誌に掲載された[27]。

水素分子の生産

工業的には、炭化水素の水蒸気改質や部分酸化の副生成物として大量に生産される（炭化水素ガス分解法）。硫黄酸化物を除いたパラフィン類やエチレン・プロピレンなどを 440 ℃ の環境下でニッケルを触媒としながら水蒸気と反応させ、粗ガスを得る[2]。

副生される一酸化炭素は水蒸気と反応し二酸化炭素と水素ガスとなる。後にガーボトール法にて二酸化炭素を除去し、水素ガスが得られる[2]。粗ガスの精製には、圧縮した上で苛性ソーダ洗浄を行い、熱交換器にて重いガス類を液化除去する方法（液化窒素洗浄法）もある[2]。

また、ソーダ工業や製塩業において海水電気分解の副生品として発生する水素が利用されることもある。現在のところ、水素ガスはメタンを主成分とする天然ガスと水から、触媒を用いた水蒸気改質によって生産する方法が主流である。日本国内における2016年度の水素の生産量は 608,008×103 m3、工業消費量は 374,621×103 m3である[28]。

水素分子（水素ガス）を生じる化学反応は多岐に渡る。古典的には実験室において小規模に生成する場合、亜鉛やアルミニウムなど水素よりもイオン化傾向の大きい金属に希硫酸を加えて発生させる方法が知られている（キップの装置）。あるいは水酸化ナトリウムや硫酸などを添加して電導性を増した水や、食塩水を電気分解して陰極から発生させることもできる。

実験室ではボンベ入りの水素ガスを利用する。（燃焼・爆発しやすく、扱いに注意を要するということから）日本では、水素のボンベの色は「赤色」と定められている。

実験室レベルにおいては工業的に生産されたガスボンベ入りの水素ガスを利用する。

用途

スペースシャトルのメインエンジン。1 機を打ち上げるには 150 万リットルの液体水素が使われる[29]。

代表的な用途

上記で述べたように、水素ガスの生産は原料を化石燃料に依存しており、水蒸気改質により発生する一酸化炭素などのうち化成品に利用されない過剰分や燃料として利用される炭化水素は二酸化炭素として環境中に放出される。水素の原料が化石燃料である限りにおいては、水素を化石燃料の代替として利用してもそのまま化石燃料の消費量が削減されたり二酸化炭素の発生が抑えられたりすることにはならない。

  • 浮揚ガス - 1リットルの水素を詰めた風船は1.2グラムの質量を浮揚させる[1]。この性質から気球や飛行船などに用いられる。
  • 冷却剤 - 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。また、発電所では、水素ガスを冷却媒体として用いている発電機もある。これは空気よりも熱伝導率が 7 倍と高く[1]風損が少ないためである。水素ガスが漏れないようにするため、水素ガス圧力よりも高い圧力の油を流し遮蔽する。
  • 洗浄 - 工業分野では、半導体の洗浄はRCA洗浄が主流でアンモニアや塩酸フッ化物が用いられるが、その代替として水素を水に溶かし込んだ水溶液は排水処理の面で環境負荷が低く[32]、半導体の基板表面の微粒子除去・洗浄に用いられる[33]。
  • 溶接 - 水素分子を一旦二つの水素原子に解離させ、それを再結合させると多量の熱を発生する。これを利用した金属溶接法がある[10]。
  • その他 - テクニカルダイビングや軍隊などで大深度潜水時の使用が試みられたが、同時に酸素も用いられるために爆発の可能性が付きまとうなど、危険であるため使用されていない。

エネルギー利用

水素は、エネルギー変換効率が高く、燃焼後に二酸化炭素を排出しない。また、現状では主に化石燃料を使って製造しているものの、将来的には、水の電気分解やバイオマス・ごみ等を利用により、化石燃料に拠らないで製造できる可能性のある。このため、将来性の高いエネルギーの輸送及び貯蔵手段として期待される[12]。

水素は様々な利用法が考えられている。まず水素を言わば「電池」として利用することも考えられている。鉛蓄電池、リチウム電池、NAS電池など、比較的大きな容量の充電が可能な電池が色々と開発されてきたものの、それでも電気エネルギーは貯めておくのが比較的困難なエネルギーとして知られている。そこで、必要以上の電力が得られる時に水を電気分解して生産した水素を貯蔵し、電力が必要となった時に貯蔵しておいた水素を使って発電を行うのである。必要以上の電力が得られる時に水をポンプで汲み上げて水の位置エネルギーとして電気エネルギーを貯める揚水発電はすでに実用化されているが、それと同様に電力需要のピーク時に対応する手法の一つとして水素は利用できる。

他にも太陽光発電や風力発電といった発電法のように、発電量が比較的自然条件に左右されやすいものの、十分な発電量が得られる時に水の電気分解を行って水素を貯蔵するという方法で、これらの発電量の不安定さを解消する方法が考えられている。

他にも水素を電力の輸送手段として利用することも考えられている。長距離の送電を行うと送電線の抵抗などの関係で送電によるエネルギーの損失（送電ロス）が多くなる。小水力発電や火力発電や比較的低温の熱源を利用した発電法などのように、電力需要の多い都市の近くに発電所を立地できる場合は送電ロスの問題もあまりない。 しかし必要に応じて変圧を行うなど送電ロスを少なくする工夫は行われているものの、2011年現在、送電ロス無しに長距離を送電する手法は実用化されていない。このためいわゆる自然エネルギーを利用した発電法に限らず、あらゆるエネルギーを利用した発電法において電力の供給地と需要地とが離れている場合には、どうしても送電ロスの問題が避けられない。ここで水素として輸送すれば、水素を逃がさなければ輸送中の水素のロスは発生しない。ただし水素を輸送する手段によって消費されるエネルギー（例えば自動車で輸送すれば燃料が消費される）もあるので、どうしてもエネルギーのロスは発生してしまうという問題は残る。また、水素から電気に戻す際にもエネルギーロスが発生する。ただし、このロスは、熱として利用できる。

最近ではマグネシウムと水を反応させて水素を作り出す方法も開発されている。マグネシウムと水が反応して発生する水素の他、反応時の熱もエネルギー源として利用できる。最大の課題は使用後のマグネシウムの還元処理で、太陽光などから変換したレーザー照射による高温により還元する方法が考えられている。他に燃料電池の燃料としての水素の利用はよく知られているが、コンバインドサイクル発電などに利用することも考えられている。

燃料電池

燃料電池車、トヨタ・MIRAI
→詳細は「燃料電池」を参照

空気中の酸素と反応させて水を生成しながら発電する水素 – 酸素型燃料電池は19世紀中ごろには実験的に成功しており、20世紀の宇宙開発を通じて技術検討が進んだ。燃料電池は発電効率が 35 – 60 %と高く、発熱エネルギーを回収すれば 80% まで高めることができる。環境負荷も低い。燃料にはメタノールを用いるタイプもあるが、水素ガスを利用するものでは自動車への積載を念頭に置いた固体高分子形燃料電池(PEFC)が有力視されており、電解質分離膜や電極劣化の抑制など技術開発が進められている[12]。また宇宙船では燃料電池から得られる電力の他に、同時に生成される水の利用も行われることがある。

貯蔵技術

水素をエネルギー利用する上での課題のひとつには、ガス状水素を貯蔵する際の問題がある。既述のように空気との混合 4.1 % — 74.2 % という広い爆発限界の範囲を持つために、漏出しないようにする技術が必要となるが、水素は原子半径が小さいために容器を透過したり、劣化させたりするので、他の元素や他の燃料を貯蔵するのとは勝手が違ってくる。2002年2月に発足した「燃料電池プロジェクト・チーム」の報告では、自動車に積載しガソリン相当の 500km 以上走行が可能な水素貯蔵を目標に据えた。これに相当する水素ガスは 5 kg であり、常温常圧下では 61,000 L に相当する[12]。

従来からの手法では、高圧化と液体化がある。水素は金属脆化を起こすため、特に高圧ガスを密閉するにはアルミニウム – マグネシウム – シリコン合金をファイバー強化したものが開発されているが、日本の高圧ガス保安法が定める上限の 350 気圧では実用的に自動車積載が可能なガス量は 3.5 kg に止まり、5 kg を実現するためには安全に 700 気圧相当を密封できる容器が検討されている。液体化も同様な問題を解決する必要があり、オーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金・チタン合金等を素材に検討が進む。しかし、高圧化や液体化には密封する際にも加圧や冷却などでエネルギーを消費してしまう点も課題として残る[12]。

水素を貯蔵する物質には金属類である水素吸蔵合金と、無機・有機物質が提案されており、いずれも水素化物を作り効率的に水素を捕まえることが出来る。水素吸蔵合金は、ファンデルワールス力（分子間力の1種）で表面に吸着（物理吸着）させた水素分子を原子に解離（解離吸着、化学吸着）し、水素化合物を反応生成しながら合金の格子内に水素原子を拡散させる。取り出すには加熱または合金周囲の水素ガス量を減らすことで水素化物が分解しガスが放出される。必要な温度は通常 50 ℃ であり高くとも 250 ℃ 位、圧力も常圧から 100 気圧程度までであり、水素ガスの体積を 1⁄1000 に収めることが出来る。課題は合金と水素の重量比にあり、現状では 5 kg の水素を吸蔵するための合金重量は 170 – 500 kg 程度が必要になる[12]。この他、イオン結合を主とする錯体水素化物や、アンモニアボランなども水素吸蔵性能を持つ物質として研究されている[12]。

水素循環社会

自然エネルギーからの電気（太陽光発電や人工光合成）によって水の電気分解から水素を生成、エネルギー媒体として貯蔵し、燃料電池を使って発電し電気を取り出すというエネルギーの循環構想がある。[34]

一見、理想的で無駄のないサイクルに見えるが、電気分解から燃料電池による発電までの行程ではニッケル水素電池やリチウムイオン充電池と比較して効率が大幅に低い。高分子固体電解質を利用した電気分解の工程では分解時に両極でガスが発生するが、これが、連続した反応を阻害する一因となる。また、燃料電池での発電行程でも同様に燃料電池のガス拡散電極の特性上、電流密度を上げるためにはスタックを重ねなければならず、取り出す電流を2倍にしようとすれば電極の面積も2倍にしなければならず、単位容積毎の効率が低い。貯蔵時にも専用の高圧タンクや水素吸蔵合金を使用しなければならないので単位体積毎或いは単位重量毎ののエネルギー密度を下げる要因になり、利点を相殺してしまっている。

生体研究

→「水素水」も参照

水素に関する研究について概説する。1671年にはロバート・ボイルによって、水素ガスが生成され、水素はガスであると認識され、生理的に不活性なガスだと考えられ、注目されなかった[35]。

初期には、水素分子の生物学的効果は小規模に研究されてきた[36]。1975年に、Doleらは水素ガスが動物の皮膚腫瘍を退縮するという研究結果を『サイエンス』にて報告したが[37][38]、注目はされなかった[38][35]。肝臓に慢性の炎症をもつマウスでの高圧水素の抗炎症作用は、2001年に報告された[36]。こうした研究は数が限られている[36]。

水素ガスを含む吸気として、例えば飽和潜水用のガスとして水素50パーセント、ヘリウム49パーセント、酸素1パーセント用の混合気が用いられており、この場合水素に起因する毒性や安全性の問題はみられていない[39]。

水素と水素が水に溶存した水素水の研究は、2007年から2015年6月までで321の水素の論文があり、年々臨床試験も増加してきた[36]。水素の標的となっている分子は不明であるが、研究結果をまとめると酸化ストレスの減少という結果は共通しており、その抗酸化作用には疑う余地はない[40]。

2016年9月には、初のヒトを対象とした慶応義塾大学の研究が公表され、従来の研究で動物を対象として心停止の際の脳と心臓停止を抑えていたが、水素ガスの吸入は5人中4人が90日後には普通の生活に戻った[41]。これは2月に慶応義塾大学を中心とした臨床研究の開始が報道されていたもので、心停止の影響によって寝たきりとなったり言葉がうまく話せなくなるといった後遺症が残ることが多く、これを抑制するための医療現場への導入が目標とされている[42]。これは先進医療Bに認定されている[43]。

αグルコシダーゼ阻害剤である糖尿病治療薬のアカルボースを服用すると炭水化物の吸収が抑制され大腸の腸内細菌により水素などが発生するが、アカルボースの服用が心血管事故を抑制する可能性があり、この原因として高血糖の抑制に加えて、呼気中に水素ガスの増加が認められ、この増加した水素の抗酸化作用で心血管事故を抑制するメカニズムが想定されている[44]。

水素と似た粒子

水素原子は非常に簡単な構造をしているため、水素の陽子または電子を別の粒子に置き換えた粒子は多数存在する。これらは水素と似たような化学反応を起こすものもある。

脚注

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  9. ^ a b 「【重水素】」『12996の化学商品』化学工業日報、1996年、234-235頁。ISBN 4-87326-204-6。 
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  12. ^ a b c d e f g h 東北大学金属材料研究所「8.燃料電池と水素貯蔵材料」『金属材料の最前線』講談社、2009年、241-259頁。ISBN 978-4-06-257643-7。 
  13. ^ Weir, S. T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. (1996). "Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar)". Phys. Rev. Lett. 76: 1860–1863. doi:10.1103/PhysRevLett.76.1860
  14. ^ W・J・ネリス 「金属水素を作る」（日経サイエンスのページ）
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  19. ^ a b c d J.D.Lee 著、浜口 博、菅野 等 訳「3.元素の一般的性質 水素化物」『リー 無機化学』東京化学同人、1982年、123-126頁。ISBN 4-8079-0185-0。 
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  26. ^ ハロゲンに近い性質を持つため、1周期系列と17族の位置に変更すべきというもの。
  27. ^ 玉尾皓平、桜井弘、福山秀敏『完全図解周期表 - 自然界のしくみを理解する第1歩』ニュートンプレス〈ニュートンムック - サイエンステキストシリーズ〉、2006年。ISBN 978-4315517897。 
  28. ^ 経済産業省生産動態統計年報　化学工業統計編
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  40. ^ 中尾篤典「水素水は怪しい水でしょうか?」『岡山医学会雑誌』第129巻第1号、2017年、9-15頁、doi:10.4044/joma.129.9、NAID 130005632038。 
  41. ^ “Feasibility and Safety of Hydrogen Gas Inhalation for Post-Cardiac Arrest Syndrome - First-in-Human Pilot Study”. Circ. J. 80 (8): 1870–3. (2016). doi:10.1253/circj.CJ-16-0127. PMID 27334126. 
  42. ^ “心停止の患者 水素で脳ダメージ軽減 臨床研究開始へ”. NHK科学文化部ブログ (2016年2月20日). 2017年4月1日閲覧。
  43. ^ 先進医療 B 実施計画等評価表（番号 B066） 2016年7月14日
  44. ^ 入江 潤一郎、伊藤 裕、「腸管環境と心血管病」、『心臓』Vol. 44 (2012) No. 12

参考文献

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  • Lee, J.D. 『リー 無機化学』 浜口博、菅野等訳、東京化学同人、1982年 ISBN 4-8079-0185-0
  • 桜井 弘、『元素111の新知識』 講談社、1997年 ISBN 4-06-257192-7
  • 玉尾皓平、桜井弘、福山秀敏 『完全図解周期表 - 自然界のしくみを理解する第1歩』 ニュートンプレス〈ニュートンムック - サイエンステキストシリーズ〉、2006年 ISBN 978-4315517897
  • 東北大学金属材料研究所 『金属材料の最前線』 講談社、2009年 ISBN 978-4-06-257643-7
  • Weir, S. T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. (1996). "Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar)". Phys. Rev. Lett. 76
  • 『12996の化学商品』 化学工業日報、1996年 ISBN 4-87326-204-6
  • 『ニュートン別冊周期表第2冊 付録周期表』 ニュートンプレス、2010年 ISBN 978-4-315-51876-4
  • 『見えてきた太陽系の起源と進化』 日経サイエンス〈別冊 日経サイエンス〉、2009年 ISBN 978-4-532-51167-8

関連項目

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1 H   He
2 Li Be   B C N O F Ne
3 Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
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