- ← 水素 → ヘリウム - ↑ H ↓ Li 1 H 周期表
外見
無色の?? [1] プラズマ?態の紫色の輝き
一般特性
名? , 記? , 番?	水素, H, 1
分類	非金?
族 , 周期 , ブロック	1 , 1 , s
原子量	1.00794 (7)?
電子配置	1s 1
電子?	1（ ?像 ）
物理特性
色	無色 [1]
相	??
密度	(0 °C , 101.325 kPa) 0.08988 [1] g/L
融点	14.01 [1] K ,?−259.14 [1] °C
沸点	20.28 [1] K ,?−252.87 [1] °C
三重点	13.8033 K ( ?259  °C ), 7.042 kPa
臨界点	32.97 K , 1.293 MPa
融解熱	(H 2 ) 0.117 kJ/mol
蒸?熱	(H 2 ) 0.904 kJ/mol
熱容量	(25 °C ) (H 2 ) 28.836 J/(mol·K)
蒸??
?力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ?度 (K) 15 20
原子特性
酸化?	1, −1 ( ?性酸化物 )
電?陰性度	2.20（ポ?リングの値）
イオン化エネルギ?	1st: 1312.0 kJ/mol
共有結合半?	31±5 pm
ファンデルワ?ルス半?	120 pm
その他
結晶構造	六方晶系
磁性	反磁性 [3]
熱?導率	(300 K) 0.1805 W/(m⋅K)
音の?わる速さ	(gas, 27 °C) 1310 m/s
CAS登?番?	12385-13-6 1333-74-0 (H 2 )> [2]
主な同位?
詳細は 水素の同位? を?照
同位? NA 半減期 DM DE ( MeV ) DP 1 H 99.985% [1] 中性子 0個で 安定 2 H 0.015% [1] 中性子 1個で 安定 3 H 微量 12.4 y [1] β − [1] 0.01861 3 He
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水素 （すいそ、 英 : hydrogen 、 羅 : hydrogenium 、 ? : hydrogene 、 ? : Wasserstoff ）は、 原子番? 1の 元素 である。 元素記? は H 。 原子量 は1.00794 ^[1] 。 非金?元素 のひとつである。

ただし、一般的に「水素」と言う場合、元素としての水素の他にも水素の ?? である 水素分子 （水素ガス） H ₂ 、1個の 陽子 を含む 原子核 と1個の 電子 からなる 水素原子 、水素の原子核（ふつう1個の陽子、 プロトン ）などに言及している可能性があるため、文脈に基づいて判?する必要がある。

名? [ 編集 ]

1783年 、 ラヴォアジエ が「   音? 、イドロジェ?ヌ（ hydrogene ）」と命名した ^[1] 。 ギリシア語 の 「 ?δωρ ＝『水』」と 「 γενν?ν ＝『生む』『作り出す』」を合わせた語で、 水を生むもの を意味する ^[1] 。英語では「   音? 、ハイドロジェン（ hydrogen ）」という。

日本語の「水素」は、 オランダ語 「   音? 、ワ?テルストフ（ waterstof ）」の意?である。 宇田川榕菴 が書いた『 ?密開宗 』で初めて用いられた。 ドイツ語 の「   音? 、ヴァッサ?シュトフ（ Wasserstoff ）」も同じ構成の複合語である。朝鮮語でも同じく水素（ ハングル :水素   音? ）と?する。

中?語 ではその??としての?さから「?」の 旁 を用いて「 ? 」（ ?音 : q?ng   音? ）という字があてられている。

詳細は「 元素の中?語名? 」を?照

?史 [ 編集 ]

1671年 に、 ロバ?ト?ボイル が ? と 希硝酸 を反?させて生じる??が 可燃性 であることを記?している ^[1] 。 1766年 、 ヘンリ??キャヴェンディッシュ が水素を ?? として分離し、?見した。

量子力?における役割 [ 編集 ]

陽子1つと電子1つからなるシンプルな構造ゆえ、原子構造論の?展において水素原子は中心的な役割を果たしてきた。事?、 量子力? の入門として、 水素原子 や水素?分子をまず取り扱う?科書がほとんどである。

分布 [ 編集 ]

水素は 宇宙 でもっとも豊富に存在する 元素 であり、（ ダ?クマタ? と ダ?クエネルギ? を除いた）宇宙の質量の4分の3を占め ^[4] 、?量?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。

水素原子は 宇宙 が誕生してから約38万年後 ^[6] に初めて生成したとされている。それまでは 陽子 と 電子 がバラバラの プラズマ ?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に散?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?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?によるもので、比較的?い星では 陽子-陽子連鎖反? 、重い星では CNOサイクル という過程を?てエネルギ?を?生させている。水素原子はいずれの核融合反?においてもこれを起こす?い手である ^[7] 。 太陽 の組成に占める水素の割合は約73 % ^{[注 1]} である ^{[8] [9]} 。

地球表面の元素?では 酸素 ? 珪素 に次いで3番目に多いが ^[1] 、水素は質量が小さいため、質量パ?セントで表す クラ?ク? では9番目となる ^{[ 要出典 ]} 。地球表面の元素?ではほとんどは 海水 の?態で存在し ^[1] 、??の水素 分子 ?態では 天然ガス の中にわずかに含まれる程度である ^{[ 要出典 ]} 。海水における推定存在度は1 Lあたりに108 g、 地球の地?における推定存在度 は1 kgあたり1.4 gであり ^[10] 、 乾燥大? における 構成比 は0.55 ppm である ^[11] 。 宇宙空間に散逸 する 地球の大? 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?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?ンズエスケ?プ （ 英語版 ） や、 イオン ?態の 荷電粒子 が 地球磁場 に沿って?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?プ （ 英語版 ） 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 ^[12] 。

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?プやスパッタリングが?き、地表には比較的重いため?った酸素や炭素が作る 二酸化炭素 が大?のほとんどを占め、水がない非常に乾燥した?態にある。火星も?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?るにとどまる ^[12] 。

同位? [ 編集 ]

質量? が2（ 原子核 が 陽子 1つと 中性子 1つ）の 重水素 （ ² H）、 質量? が3（ 原子核 が 陽子 1つと 中性子 2つ）の 三重水素 （ ³ H）等と?別して、 質量? が1（ 原子核 が 陽子 1つのみ）の普通の水素（ ¹ H）を ?水素 とも呼ぶ。

天然の水素には、水素（?水素、プロチウム） ¹ H 、 重水素 ² H （デュウテリウム、ジュ?テリウム ^[13] 、略? D ）、 三重水素 ³ H （トリチウム、略? T ）の3つの 同位? が知られている ^[1] 。このうち、もっとも?い ¹ 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?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D ₂ はH ₂ よりも融点や沸点が高くなり、溶融?熱は倍近くに、蒸??は10分の1近くとなる ^[14] 。2013年現在、より重い同位?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?水素に衝突させることで合成されている。質量?が4以上のものは?命がきわめて短く、たとえば水素7では半減期が 23 ys （= 2.3 × 10 ^?23  s ）ほどしかない ^[15] 。

水素の同位?は、それぞれの特?を有?に活かした使い方をされる。 重水素 は 原子核反? での用途で、 中性子 の減速に使用され、 化? や 生物? では 同位??果 の?究、?療では診??の追跡 ^[13] に使用されている。また、 三重水素 は 原子? ?で生成され、 水素爆? の反?物質や核融合燃料、放射性を利用した バイオテクノロジ? 分野での トレ?サ? や?光塗料の?起源として使用されている。

水素分子 [ 編集 ]

水素分子 は、常?常?では無色無臭の ?? として存在する、 分子式 H ₂ で表される ?? である。 分子量 2.01588、 融点 −259.14 °C（常?）、 沸点 −252.87 °C（常?）、 密度 0.0899 g / L 、 比重 0.0695（空?を 1 として）、臨界?力 12.80 ?? 、水への溶解度 0.021 mL/mL（0 °C）。最も?い ?? である。原子間距離は 74  pm 、 結合エネルギ? はおよそ 435 kJ/mol ^[2] 。

水素分子は常?では安定であり、 フッ素 以外とは化?反?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?態では ?素 と激しい反?を起こす ^{[14] [2]} 。また、水素と 酸素 を混合したものに火をつけると起きる激しい爆?（水素爆鳴?）は、混合比下限は4.65 %、上限は93.3 %であり、空?との混合では4.1 ? 74.2 %となり、これは アセチレン に次ぐ?い 爆?限界 の範?を持つ ^[2] 。

ガス密度が低い水素は速い速度で?散する性質を持ち、また燃?時の?播も速い。そのため、ガス漏れを起こしやすい傾向にある ^[2] 。原子?の小ささから、金?材料に侵入し機械的特性を低下させる（ 水素脆化 ）傾向が?い。これは高?高?環境下で?著となり、封入容器の材質には注意を?う必要がある。−250 °C以下で液化させると?積は 800分の1となり、さらに?いため低?貯?性には優れる ^[16] 。

ガス惑星 の?部など非常に高い?力下では性質が?わり、液?の 金? になると考えられている。逆に 宇宙空間 など非常に?力が低い場合、H ₂ ⁺ や H ₃ ⁺ 、??の水素原子などの?態も?測されている。H ₂ 分子形?の雲は星の形成などに?係があると考えられており、特に新生 惑星 や 衛星 の?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 [ 編集 ]

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?が存在する ^[14] 。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?的性質に違いがないが、物理的性質（ 比熱 や 熱?導率 など）がかなり異なる。これは?部エネルギ?にある差によるもので、パラ水素側が低い ^[14] 。統計的な重みが大きいほうをオルトと呼ぶ。

常?以上では、オルト水素とパラ水素の存在比はおよそ3:1であるが、低?になるほどパラ水素の存在比が?し、 絶?零度 付近ではほぼ100パ?セントパラ水素となる ^[14] 。ただし、このオルト-パラ?換はスピン反?を伴うために、?媒を用いない場合極めて?く、?媒を用いずに水素を液化すると、液化した後もオルト-パラ?換に伴い?者のエネルギ?差に相?する熱が?生するため、液化水素が?化してしまう。これを水素のボイル?オフ問題という。 ^[17] オルト?パラ?換を起こす ?媒 は、 活性炭 や?などの金?の一部、常磁性物質またはイオンなどがある ^[14] 。

イオン [ 編集 ]

金?水素 [ 編集 ]

この節は ??可能 な ?考文?や出典 が全く示されていないか、不十分です。 出典を追加 して記事の信?性向上にご協力ください。 （ このテンプレ?トの使い方 ） 出典?索 ? :  "水素"  ?  ニュ?ス   · 書籍   · スカラ?   · CiNii   · J-STAGE   · NDL   · dlib.jp   · ジャパンサ?チ   · TWL （ 2021年4月 ）

水素は、ガス惑星の?部など非常に高い?力下では性質が?わり、液?の 金? になると考えられているが、 1996年 に ロ?レンス?リバモア?立?究所 のグル?プが、140 GPa （1 GPa = 約1万 ?? ）、?千°Cという?態で、100万分の1秒以下という短?命ではあるが、 液? の金?水素を?測したと報告している ^{[18] [19]} 。 木星型惑星 （ 木星 ? 土星 ）の深部は非常に高い?力になっており、液?金?水素が?測された?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?況下では金?化している可能性があり、惑星の磁場との?わりも指摘されている ^[20] 。しかしながら、2017年現在、?百GPaのオ?ダ?で?力を加える??が行われているものの、 固? の金?水素が得られたという十分な??が示されたことはない ^{[21] [22] [注 2]} 。

金?化そのものが達成されていないためにその??はいまだ不明であるが、 Ashcroft (1968 , p. 1748) は、金?化した水素は 室?超?導 を達成するのではないかと予想している。この可能性の傍?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?下で 超?導 ?態となることが示されている。リチウムの超?導への?移?度は?力48 GPaで20 K 程度であるが、この?字は??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?い元素ほど?移?度は高くなるため、もっとも?い元素である水素は、より高い?移?度を持つ可能性が十分ある。

また、 ?起?態 の水素が 金? 化するときわめて?力な爆?になるとの理論計算が行われ、 電子?起爆? として?究されている。この理論では?力だけでは不十分であり、水素を?起?態にして?力をかければ金?化するとしている。

物理的性質 [ 編集 ]

元素およびガス?分子の中でもっとも?く ^[2] 、また 宇宙 でもっとも ? が多く ^[1] 、 珪素 量を10 ⁶ とした際の比率は2.79×10 ¹⁰ である。 ^[24] 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? ? 常? では無色無臭の ?? で、非常に?く、非常に燃??爆?しやすいといった特?を持つ。そのため日本では、高?ガス保安法容器保安規則により、 赤色 の ボンベ に保管するように決められている ^[2] 。??、水素ガスの爆?濃度は4 % ? 75 %であるとされてきたが ^[25] 、慶應義塾大?環境情報?部の 武藤佳恭 は、10 %以下であれば爆?しないことを明らかとした ^[26] 。

化?的性質 [ 編集 ]

水素化物 [ 編集 ]

元素の水素化物

化?式	IUPAC組織名 [27]	慣用名
BH 3	ボラン	水素化ホウ素
CH 4	カルバン	メタン
NH 3	アザン	アンモニア
H 2 O	オキシダン	水
HF	フッ化水素
AlH 3	アラン	水素化アルミニウム
SiH 4	シラン	水素化ケイ素
PH 3	ホスファン	ホスフィン 水素化リン
H 2 S	スルファン	硫化水素
HCl	?化水素
GaH 3	ガラン	水素化ガリウム
GeH 4	ゲルマン	水素化ゲルマニウム
AsH 3	アルサン	アルシン 水素化ヒ素
H 2 Se	セラン	セレン化水素
HBr	臭化水素
SnH 4	スタナン	水素化スズ
SbH 3	スチバン	スチビン 水素化アンチモン
H 2 Te	テラン	テルル化水素
HI	ヨウ化水素
PbH 4	プルンバン	水素化鉛
BiH 3	ビスムタン	ビスムチン 水素化ビスマス

水素は 電?陰性度 が2.2と アルカリ金? や アルカリ土類金? よりも高く ハロゲン よりも小さい値であり、 酸化? としても 還元? としても?く。このため非金?元素とも金?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?として?き、爆?的な燃?とともに水H ₂ Oを生じる。ナトリウムと水素との反?では酸化?として?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 ^[28] 。

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? （侵入型化合物）と呼ばれる3種類の形態がある ^[28] 。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?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 ^[28] 。侵入型固溶?は一種の合金であり、水素原子は金?原子の隙間にはまり?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??放出することができ、 水素吸?合金 に利用される。高性能な水素吸?合金の中には、水素原子の密度が液?水素のそれに匹敵したり、上回るものもある。

一方、より電?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?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H ₃ O ⁺ （ 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：

• メタン  : CH ₄
• エタノ?ル  : C ₂ H ₅ OH
• ベンゼン  : C ₆ H ₆

おもな元素の水素化物の化?式と ?際純正?用化?連合 （IUPAC）による組織名、および（存在するものは）慣用名を表「元素の水素化物」に示す。

核磁?共鳴法における利用 [ 編集 ]

分子構造の?究に非常によく利用される 核磁?共鳴分光法 （NMR）において、 ¹ Hを用いた方法は代表的である。 ¹ Hはすべての核種の中で最も?い特異吸?を示すうえ、水素はほとんどすべての有機化合物に含まれることもあり、NMRにおいてよく利用される。周?の原子の電子から影響を受ける結果、吸?される周波?が?化する（ 化?シフト ）ため、原子の相?位置を推測する有力な手掛かりとなる。

水素イオンと水素化物イオン [ 編集 ]

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。 ¹ H ⁺ はプロトン（ 陽子 ）そのものであるが、一般に水素は同位?混合物なので、水素の陽イオンに?する呼?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??である）。しかし、化?の領域において?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?リットル）?位で表した水素イオンの濃度の?値の??に負?をつけた値を 水素イオン指? （pH）で表す。水中の[H ⁺ ]濃度は1から10 ⁻¹⁴ mol/L程度の?い範?を取り、pHでは0 ? 14 程度となる。常?で中性の水には約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 [ 編集 ]

H ⁺ であれ D ⁺ であれ、ヒドロンは電子?を持たないむき出しの原子核であるため、化?的には ファンデルワ?ルス半? 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??で存在せず、 溶媒 などほかの分子の 電子? 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?は1131 kJ/mol、遊離?態の水素イオンの 水和 エネルギ?は1091 kJ/molと見積もられており ^[28] 、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。

${\displaystyle {\rm {{H}^{+}(g)\longrightarrow rm{H}^{+}(aq)}}}$

極性溶媒中では、 水 、 アルコ?ル 、 エ?テル などの酸素原子の電子?と結合している場合が多いため、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?酸など極限?態においては??で?動する プロトン も?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?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?基 に詳しい。

ヒドリド [ 編集 ]

水素化合物を意味するヒドリドについては「 水素化合物 」を?照

ヒドリド
系統名 Hydride [29]
別? Hydrogen anion, Hydride ion, Hydride anion [30]
識別情報
CAS登?番?	12184-88-2 [31]
PubChem	166653
ChemSpider	145831
E番?	E949 (その他)
?連/北米番?	1409
ChEBI	CHEBI:29239
Gmelin?照	14911
SMILES [H-]
InChI InChI=1S/H/q-1   Key: KLGZELKXQMTEMM-UHFFFAOYSA-N
特性
化?式	H ?
モル質量	1.00794
熱化?
標準モルエントロピ? S o	108.96 J K ?1 mol ?1
特記なき場合、デ?タは 常? (25  °C )? 常? (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 ^{[32] [33] [34]} 、 英 : hydride 、 英 : hydrogen anion 、化?記? H ⁻ とも表記される）は、アルカリ金?、アルカリ土類金?あるいは第13族、14族元素（共有結合性が?い）などの、電?的に陽性な元素の水素化物が電離する時に生成する水素の陰イオン（アニオン）。ヒドリドはK?が閉?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る舞う点でヒドロン（水素カチオン）とは異なる。?際、ヒドリドは フッ素 アニオンよりも イオン半? が大きいように振る舞う。

ヒドリドはきわめて弱い酸でもある水素分子（ p K _a =35）の 共役?基 であるので、 ??基 として振る舞う。

ヒドリドは?基として作用する場合と 還元? 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?と還元を受ける化合物との組み合わせにより?化する。ヒドリドの 標準酸化還元電位 は−2.25Vと見積もられている。

${\displaystyle {\ce {H2(g)\ +2{\mathit {e}}^{-}->2H^{-}(aq)}}}$

ヒドリドの?生源としては、代表的なものとしてNaBH ₄ やLiAlH ₄ (通?LAH)がある。これらの化合物のBH ₄ ^? やAlH ₄ ^? からはH ^? が?離する。この反?は有機合成の時に非常に便利であり、例えば、炭素間二重結合に?して反マルコフニコフ付加を施したい時に有?である。

周期表上の位置 [ 編集 ]

一般的な 周期表 では水素はアルカリ金?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?更すべきではないか ^{[注 3]} とする論文が ?際純正?用化?連合 （IUPAC）に提出され、公式?誌に?載された ^{[35] [ 要ペ?ジ番? ]} 。

水素分子の生産 [ 編集 ]

工業的には、 炭化水素 の 水蒸?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?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 °Cの環境下で ニッケル を?媒としながら水蒸?と反?させ、粗ガスを得る ^[2] 。

• ${\displaystyle {\ce {C_nH_{2n{+}2}\ + nH2O -> nCO\ + (2n{+}1)H2}}}$
• ${\displaystyle {\ce {C_nH_{2n{+}2}\ + 2nH2O -> nCO2\ + (3n{+}1)H2}}}$

副生される一酸化炭素は水蒸?と反?して 二酸化炭素 と水素ガスとなる。のちにガ?ボト?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、?縮したうえで 苛性ソ?ダ 洗?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?法）もある ^[2] 。

また、 ソ?ダ工業 や製?業において海水 電?分解 （ 英語版 ） の副生品として?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、?媒を用いた 水蒸?改質 によって生産する方法が主流である。日本??における2019年の水素の生産量は 627 668 × 10 ³  m ³ 、工業消費量は 400 802 × 10 ³  m ³ である ^[36] 。

水素分子（水素ガス）を生じる化?反?は多岐にわたる。古典的には??室において小規模に生成する場合、 ?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?に希 硫酸 を加えて?生させる方法が知られている（ キップの?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?した水や、 食?水 を電?分解して陰極から?生させることもできる。

??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。??の際は防爆環境にて行われる。

製造方法別の色分け [ 編集 ]

カ?ボンニュ?トラル の?現に向け、水素の製造方法別に色分けする考え方が?まっている ^[37] 。

グレ?水素 ：化石燃料（主に天然ガス）を水蒸?改質反?させ生産する水素。水蒸?改質反?時に副産物として多くの二酸化炭素が排出される ^{[38] [39] [37]} 。

ブル?水素 ：水蒸?改質反?の問題点である水素の製造時に排出される副産物の二酸化炭素を回?して?理(地下地層貯?ないしは炭素を再利用: CCUS 、など)し、大?中に放出しないことで、二酸化炭素排出を?質ゼロにして生産される水素 ^{[38] [39] [37]} 。しかし、回?、貯?のためには大規模な施設が必要であり、オンサイト型水素ステ?ション?に設置するとなると費用がかかり過ぎてしまう問題がある ^[37] 。

グリ?ン水素 ：二酸化炭素排出のない再生可能エネルギ?を使い、水を電?分解して生産する水素 ^{[38] [39] [37]} 。

タ?コイズ水素 ：メタンの熱分解によって生成される水素。炭素は??ではなく固?として生産されるため、二酸化炭素は排出されない。再生可能エネルギ?の利用と、生成された炭素を永久に封じ?めることが?件となる ^{[38] [39] [37]} 。

イエロ?水素 ：原子力?電の電力を用いて、水を電?分解して生産される水素 ^{[39] [37]} 。

ブラウン水素 ：石炭から生産される水素。製造時に多くの二酸化炭素が排出される。グレ?水素に分類されることもある ^[39] 。

ホワイト水素 ：水素以外の製品生産時に副産物として生成された水素。生産は限定的 ^{[39] [37]} 。

用途 [ 編集 ]

代表的な用途 [ 編集 ]

• 原料 - アンモニア の製造（ ハ?バ??ボッシュ法 ） ^[14] のほか、 ?素 ガスと混合し光を?てて反?させる ?酸 の製造 ^[1] 、 油脂 に添加して炭素同士の 二重結合 ?を減らし固?化する改質（ トウモロコシ 油や 綿?油 の マ?ガリン 化など） ^[1] 、 ?硫 など、多方面に利用されている。
• 還元? - 金? ?石 （酸化物）の還元 ^[1] 、 ニトロベンゼン を還元し アニリン の製造、 ナイロン66 製造における ベンゼン の?媒還元、一酸化炭素を還元する メチルアルコ?ル 合成などに使われる ^[14] 。
• 燃料 - 燃やしても水以外の排出物（ 粒子?物質 や 二酸化炭素 などの 排ガス ）を出さないことから、 代替エネルギ? として期待されている ^[16] 。ただし、燃??件により 窒素酸化物 が生成することは不可避である。 ?燃機? の燃料として 水素燃料エンジン を積んだ 水素自動車 が??されているほか、 ロケット の燃料や 燃料電池 に使用されている。おもに 燃料電池自動車 向けの「水素ステ?ション」の設置が始まっている。

^[41] Pininfarina H2 Speedなどのスポ?ツカ?にも使用される。

• 食品添加物 ^{[42] [43]} 。

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?改質により?生する 一酸化炭素 などのうち化成品に利用されない過?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?生が抑えられたりすることにはならない。

• 浮揚ガス - 1 Lの水素を詰めた 風船 は1.2 g の質量を浮揚させる ^[1] 。この性質から ?球 や 飛行船 などに用いられていたが、 ヒンデンブルク?爆?事故 が起きて以?、危?性の少ない ヘリウム で代用されるようになった。なお、この事故の直接的原因は外皮の塗料への引火とされている。
• 冷却? - 液?水素は 超?導 現象を含む 低?? の調査に使用される。また、一部の?電所では、水素ガスを冷却媒?として用いている?電機もある。これは空?よりも熱?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?力よりも高い?力の油を流し遮蔽しなければならないという作業が?生する。
• 洗? - 工業分野では、半導?の洗?は RCA洗? が主流で、 アンモニア や?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?んだ水溶液は排水?理の面で環境負荷が低く ^[44] 、半導?の基板表面の微粒子除去?洗?に用いられる ^[45] 。
• 溶接 - 水素分子をいったん2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?生する。これを利用した金?溶接法がある ^[14] 。
• その他 - テクニカルダイビング や軍隊などで大深度?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?の可能性が使用中につきまとうなど、危?であるため使用されていない。
• 標準水素電極 が 標準電極電位 の基準として用いられている。

エネルギ?利用 [ 編集 ]

水素は 燃? すると 水 （ 水蒸? ）となり、 ?室?果ガス とされる 二酸化炭素 や 大?汚染 物質を排出しない。現?では、 化石燃料 を使って製造しているものの、??的には、水の 電?分解 や バイオマス ? ごみ などを利用することにより、化石燃料によらないで製造できる可能性がある。このため、??性の高い エネルギ?の輸送および貯?手段 として期待される ^[16] 。

水素はさまざまな利用法が考えられている。燃?を直接使う方法としては 水素自動車 が?げられるほか、 火力?電 の燃料に水素を混ぜて二酸化炭素などを減らす技術が?究されている ^[46] 。

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いろいろと開?されてきたものの、それでも電?エネルギ?は貯めておくのが比較的困難なエネルギ?として知られている。そこで、必要以上の電力が得られるときに 水 を 電?分解 して生産した水素を貯?し、電力が必要となった時に貯?しておいた水素を使って?電を行うのである。必要以上の電力が得られるときに水をポンプで汲み上げて水の位置エネルギ?として電?エネルギ?を貯める 揚水?電 はすでに?用化されているが、それと同?に電力需要のピ?ク時に??する手法のひとつとして水素は利用できる。

ほかにも 太陽光?電 や 風力?電 といった?電法のように、?電量が比較的自然?件に左右されやすいものの、十分な?電量が得られるときに水の電?分解を行って水素を貯?するという方法で、これらの?電量の不安定さを解消する方法が考えられている。

また、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?係で送電によるエネルギ?の損失（送電ロス）が多くなる。 小水力?電 や 火力?電 や比較的低?の熱源を利用した?電法などのように、電力需要の多い都市の近くに?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?じて??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 時点では送電ロスなしに長距離を送電する手法は?用化されていない。このためいわゆる自然エネルギ?を利用した?電法に限らず、あらゆるエネルギ?を利用した?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?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?（たとえば自動車で輸送すれば燃料が消費される）もあるため、どうしてもエネルギ?のロスは?生してしまうという問題は?る。また、水素から電?に?す際にもエネルギ?ロスが?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?させて水素を作り出す方法も開?されている。マグネシウムと水が反?して?生する水素のほか、反?時の熱もエネルギ?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?理で、太陽光などから?換した レ?ザ? 照射による高?により還元する方法が考えられている。ほか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?電 などに利用することも考えられている。

燃料電池 [ 編集 ]

空?中の酸素と反?させて水を生成しながら?電する水素 – 酸素型燃料電池は 19世紀 中ごろには??的に成功したが、生活家電などの分野へは?用されず、 20世紀 の宇宙開?を通じて技術?討が進んだ。燃料電池は現時点の技術においては?電?率が35 ? 60 %高く、?熱エネルギ?を回?することができれば80 %まで高めることができる。環境負荷も低いという利点がある。燃料には メタノ?ル を用いる機械もあるが、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?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?が進められている ^[16] 。また宇宙船では燃料電池から得られる電力のほかに、同時に生成される水の利用も行われることがある。

貯?技術 [ 編集 ]

水素をエネルギ?利用する上での課題のひとつには、ガス?水素を貯?する際の問題がある。?述のように空?との混合4.1 ? 74.2 %という?い爆?限界の範?を持つために、漏出しないようにする技術が必要となる。水素は 原子半? が小さいために容器を透過したり、劣化させたりするため、ほかの元素や燃料を貯?するのとは勝手が違ってくる。2002年2月に?足した「燃料電池プロジェクト?チ?ム」の報告では、自動車に積載しガソリン相?の 500 km以上走行が可能な水素貯?を目標に据えた。これに相?する水素ガスは 5 kg であり、常?常?下では 61000リットル に相?する ^[16] 。

??の貯?手法では、高?化と液?化の2つがある。水素は金?脆化を起こすため、特に高?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??化したものが開?されているが、日本の高?ガス保安法が定める上限の350??では?用的に自動車積載が可能なガス量は3.5 kgにとどまり、5 kgを?現するためには安全に 700?? 相?を密封できる容器が?討されている。液?化も同?の問題を解決する必要があり、オ?ステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金?チタン合金などを素材に?討が進む。しかし、高?化や液?化には密封する際にも加?や冷却などでエネルギ?を消費してしまう点も課題として?る ^[16] 。

水素を貯?する物質には金?類である 水素吸?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?率的に水素を捕まえることができる。水素吸?合金は、 ファンデルワ?ルス力 （ 分子間力 の一種）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?吸着）し、水素化合物を反?生成しながら合金の 格子 ?に水素原子を?散させる。取り出すには加熱または合金周?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?度は通常50 °Cであり、高くとも250 °C程度、?力も常?から100??程度までであり、水素ガスの?積を1000分の1に?めることができる。課題は合金と水素の重量比にあり、現?では 5 kg の水素を吸?するための合金重量は170 ? 500 kg程度が必要になる ^[16] 。このほか、 イオン結合 を主とする 錯? 水素化物や、 アンモニアボラン なども水素吸?性能を持つ物質として?究されている ^[16] 。

水素循環社? [ 編集 ]

自然エネルギ?からの電?（ 太陽光?電 や 人工光合成 ）によって水の電?分解から水素を生成してエネルギ?媒?として貯?し、 燃料電池 を使って?電し電?を取り出すというエネルギ?の循環構想がある ^[47] 。

一見、理想的で無?のないサイクルに思えるが、電?分解から燃料電池による?電までの工程では ニッケル水素電池 や リチウムイオン充電池 と比較して?率が大幅に低い。 高分子固?電解質 を利用した電?分解の工程では分解時に?極でガスが?生するが、これが連?した反?を阻害する一因となる。また、燃料電池での?電工程でも同?に燃料電池の ガス?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、?位容積ごとの?率が低い。貯?時にも?用の高?タンクや 水素吸?合金 を使用しなければならないため、?位?積ごと、あるいは?位重量ごとの エネルギ?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??究 [ 編集 ]

水素に?する?究について??する。1671年には ロバ?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 ^[48] 。初期には、水素分子の生物?的?果は小規模に?究されてきた ^[49] 。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?究結果を『 サイエンス 』にて報告したが ^{[50] [51]} 、注目はされなかった ^{[51] [48]} 。 肝? に慢性の 炎症 を持つ マウス での高?水素の抗炎症作用は、2001年に報告された ^[49] 。こうした?究は?が限られている ^[49] 。

水素ガスを含む吸?として、たとえば 飽和?水 用のガスとして水素50 %、ヘリウム49 %、酸素1 %用の混合?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見られていない ^[52] 。

ボストン小?病院、ハ?バ?ド大???部の?究でも、水素ガスの吸入による細胞障害、組織障害のような有害事象はないことが報告されており ^[53] 、名古屋大???部産婦人科、香川大???部産婦人科の?究においても、水素の?取による毒性や催奇性はないことが報告されている ^{[54] [55]} 。

ただし、水素は爆?性を有する??であり、爆?濃度においては?電?のような微弱なエネルギ?で爆?する危?性がある。?って、水素ガス吸入療法においては、爆?限界濃度以下（10 %以下）の水素ガスを?生させる水素ガス吸入機を用いることが重要であると、市販の水素ガス吸入機の安全性について警鐘を鳴らす論文が2019年に?表されている ^{[56] [26] [57]} 。?際に消費者?の事故情報デ?タシステムで水素ガス吸入機の爆?事例が複?報告されている ^[58] 。

日本における水素の?療利用の?究に?する最初の報告は、2003年のヒドロキシルラジカルによる水素分子の水素引き?き反?によって、種?の酸化ストレスに起因する疾病を予防または改善する報告に遡る ^[59] 。さらに2005年には、ラットの酸化?誘?モデルに?する水素水の抗酸化?果が報告された ^[60] 。

日本?科大? での2007年の?? ^[61] を受けて、 慶應義塾大? では2012年から心停止のラットでの治療モデルを確立してきた ^[62] 。2015年10月には、慶應義塾大?先導?究センタ??に水素ガス治療開?センタ?が開設された ^[62] 。

心肺停止 時の水素ガスの吸入は 先進?療 Bに認定され、?究が進められている ^[63] 。??の?究では動物を?象として心停止の際の??心?の?器障害抑制が調査されていたが、2016年9月には、初のヒトを?象とした?究が公表され、5人中4人が90日後には普通の生活に?った ^[64] 。これは慶應義塾大?を中心として2月に開始された 臨床?究 であり、心停止の影響によって?たきりとなる、言葉がうまく話せなくなるといった 後遺症 が?る事が多く、これを抑制するための?療現場への導入が目標とされている ^[65] 。

αグルコシダ?ゼ阻害? である 糖尿病 治療?の アカルボ?ス を服用すると 炭水化物 の吸?が抑制され、大腸の 腸?細菌 により水素などが?生する。アカルボ?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?中に水素ガスの?加が認められ、この?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 ^[66] 。

水素と水素が水に溶存した 水素水 の?究は、2007年から2015年6月までで321の水素の論文があり、 臨床試? も年??加してきた ^[49] 。

上述のように水素は??の??品とは異なり、病?の根源である酸化ストレスを抑制し?範?の疾病に?する改善?果を有することから、病?に?する「ワイドスペクトラム分子」と呼ばれる可能性がある ^[67] 。

2019年12月10日現在、水素の?療利用に?係する?術論文は600報を超える ^{[68] [69]} 。

宇宙における水素の反? [ 編集 ]

宇宙空間は、私たちが日頃暮らしを?む環境とは大きく異なるため、全く異なる現象が起こる。水素の場合も例外ではない。例えば惑星大?の上層部分では、水素に高エネルギ?電子が衝突することによって、三水素イオンが生成する。

${\displaystyle {\ce {H2(g) + e- -> H2+(g) + 2e-}}}$

${\displaystyle {\ce {H2+(g) + H2(g) -> H3+(g) +H(g)}}}$

この三水素イオンは、宇宙空間のような低??件では安定して存在できる。このイオンは惑星大?の分析に用いられる。このイオンの濃度を調べることで、その惑星の上層大?についての情報を得ることができる。

水素と似た粒子 [ 編集 ]

この節の 加筆 が望まれています。 主に: 水素の陽子または電子を別の粒子に置き換えた粒子の名?（多?存在すると書いてあるため） （ 2018年2月 ）

水素原子は非常に簡?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不特定多?存在する。なお、水素と似たような化?反?を起こす粒子もある。

• K中間子水素 ：電子を負電荷の K中間子 に置き換えた粒子。
• 反水素 ：陽子を 反陽子 に、電子を 陽電子 に置き換えた粒子。
• プロトニウム ：電子を反陽子に置き換えた粒子。
• ポジトロニウム ：陽子を陽電子に置き換えた粒子。
• ミュ?オニウム ：陽子を 反ミュ?粒子 に置き換えた粒子。
• リュ?ドベリ原子 ： n 個の陽子を持つ核の付近に n ?1個の電子があり、さらにそこから離れた軌道に1つの電子が飛び回っている粒子。

脚注 [ 編集 ]

注? [ 編集 ]

出典 [ 編集 ]

?考文? [ 編集 ]

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?連項目 [ 編集 ]

外部リンク [ 編集 ]

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• 『 水素 』 - コトバンク

表 話 編 ? 周期表
	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
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
6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
アルカリ金?   アルカリ土類金?   ランタノイド   アクチノイド   遷移金?   その他の 金?   半金?元素 （ 半導? 元素）   その他の 非金?   ハロゲン   貴ガス（希ガス）   不明