水素：歴史、構造、特性、用途 - 化学 - 2025

水素原子は、すべての最小となるシンボルH.で表される化学元素である 1 周期表、配置されない物質を開始します。これは、孤立したH原子ではなく、二原子H ₂分子で構成される無色のガスで構成されます。希ガスと同様に、He、Ne、Arなど。

すべての要素の中で、それはおそらく最も象徴的で傑出したものであり、陸上または急激な条件におけるその特性だけでなく、その豊富な豊富さとその化合物の多様性のためです。水素はガスですが、火がなければ不活性で、可燃性で危険です。一方、水、H ₂ Oは普遍的で生命の溶媒です。

水素の貯蔵に使用される赤いシリンダー。出典：Famartin

水素はそれ自体、賞賛に値する視覚的な特徴を示さず、単にシリンダーまたは赤いボトルに貯蔵されるガスです。しかし、水素を特別なものにするのは、その特性とすべての元素と結合する能力です。そして、これはすべて、価電子が1つしかないという事実にもかかわらずです。

水素がそれぞれのボンベに貯蔵されていなかった場合、そのほとんどは上昇に反応するが、水素は宇宙空間に逃げるだろう。そして、それは私たちが呼吸する空気、地球の外、および残りの宇宙で非常に低い濃度を持っていますが、それは星で発見され、その構成単位と考えられる最も豊富な要素です。

一方、地球では、全質量の約10％を占めています。これが何を意味するかを視覚化するには、惑星の表面が実質的に海で覆われており、水素がすべての生物の一部であることに加えて、鉱物、原油、有機化合物に含まれていることを考慮する必要があります。

炭素と同様に、すべての生体分子（炭水化物、タンパク質、酵素、DNAなど）には水素原子があります。したがって、それを抽出または生成するための多くのソースがあります。ただし、真に収益性の高い製造方法を表すものはほとんどありません。

歴史

識別と名前

1671年にロバートボイルが最初に鉄のファイリングが酸と反応したときに形成されたガスを目撃しましたが、1766年にイギリスの科学者ヘンリーキャベンディッシュがそれを新しい物質として識別しました。「可燃性空気」。

キャベンディッシュは、この可燃性の空気が燃焼すると水が発生することを発見しました。彼の研究と結果に基づいて、フランスの化学者アントワーヌラヴォイジエは1783年にこのガスに水素の名前を付けました。語源的に、その意味はギリシャ語の「水力」と「遺伝子」に由来しています。

電解と燃料

その直後、1800年に、アメリカの科学者であるウィリアムニコルソンとサーアンソニーカーライルは、水が水素と酸素に分解されることを発見しました。彼らは水の電気分解を発見した。その後、1838年に、スイスの化学者クリスチャンフリードリヒシェーンバインは、水素の燃焼を利用して発電するという考えを導入しました。

水素の人気は、作家のジュールヴェルヌでさえ、彼の著書「ミステリアスアイランド」（1874年）で未来の燃料として言及したほどでした。

隔離

1899年に、スコットランドの化学者ジェームズデュワーは、水素を液化ガスとして最初に分離しました。それは、水素を固相で得るのに十分なほど冷却できた水素でした。

2つのチャネル

この時点から、水素の歴史には2つのチャネルがあります。一方で、燃料とバッテリーの分野でのその発展。もう1つは、その原子の構造と、それが量子物理学への扉を開いた要素をどのように表しているかを理解することです。

構造と電子構成

二原子水素分子。出典：Benjah-bmm27

水素原子は非常に小さく、共有結合を形成する電子は1つだけです。これらの原子の2つが結合すると、二原子分子H _{2が生成され}ます。これは分子状水素ガスです（上の画像）。各白い球は個々のH原子に対応し、グローバルな球は分子軌道に対応します。

したがって、水素は実際には同種核であるため双極子モーメントを持たないため、ロンドンの散乱力を介して相互作用する非常に小さなH ₂分子で構成されています。したがって、それらは非常に「落ち着きがない」ものであり、それらを減速させるのに十分な強い分子間力がないため、空間に急速に広がります。

水素の電子配置は単純に1s ¹です。この軌道1sは、水素原子の有名なシュレーディンガー方程式を解いた結果です。H _2では、 2つの1s軌道が重なり合って2つの分子軌道を形成します。分子軌道理論（TOM）によれば、1つの結合ともう1つの反結合です。

これらの軌道は、許可またはイオンの存在H説明₂ ⁺又はH ₂ ^- 。しかしながら、水素の化学的性質は、Hによって通常の条件で定義される₂またはH ⁺またはH ^-イオン。

酸化数

水素の電子配置1s ¹から、可能な酸化数を予測することは非常に簡単です。もちろん、高エネルギーの2s軌道は化学結合には利用できないことを覚えておいてください。したがって、基底状態では、水素の酸化数は0、H ⁰です。

それがその唯一の電子を失うと、1s軌道は空のままになり、水素カチオンまたは水素イオンH ^+が、ほとんどすべての液体媒体中で大きな移動度で形成されます。特に水。この場合、その酸化数は+1です。

そして逆の場合、つまり電子を獲得すると、軌道は2つの電子を持ち、1s ^2になります。次いで、酸化数は-1となり、水素化物アニオン、Hに相当^- 。これは、Hがあることは注目に値する^-希ガスヘリウム、彼への等電子です。つまり、両方の種が同じ数の電子を持っています。

要約すると、水素の酸化数は+ 1、0、-1であり、H ₂の分子は2つの水素原子H ⁰を持ってい^ます。

フェーズ

以前に暴露された理由により、少なくとも地上条件では、水素の好ましい相はガス相です。ただし、温度が-200°Cのオーダーで低下する場合、または圧力が大気圧よりも数十万倍増加する場合、水素はそれぞれ凝縮または結晶化して、液相または固相になります。

これらの条件下では、H ₂分子をさまざまな方法で整列させて、構造パターンを定義できます。ロンドンの散乱力は非常に指向性が高くなり、H ₂ペアが採用する形状または対称性が現れます。

たとえば、H _2の2つのペアは、書き込み（H ₂）₂と同じで、対称または非対称の正方形を定義します。一方、3つのH ₂または（H ₂）₃ペアは六角形を定義し、グラファイト結晶の炭素の六角形と非常によく似ています。実際、この六方相は、固体水素の主要な、または最も安定した相です。

しかし、固体が分子ではなくH原子で構成されている場合はどうでしょうか。次に、金属水素を扱います。これらのH原子は、白い球体を思い出して、液相と金属固体の両方を定義できます。

プロパティ

外見

水素は無色、無臭、無味のガスです。したがって、漏れがあると爆発の危険性があります。

沸点

-253°C

融点

-259°C

引火点と安定性

ガスの近くに火花または熱源がある場合、それは事実上あらゆる温度で爆発し、太陽光でさえ水素を発火させる可能性があります。ただし、十分に保管されている限り、反応性の低いガスです。

密度

0.082 g / L 空気より14倍軽い。

溶解度

水中21ºCで1.62 mg /L。一般的に言えば、ほとんどの液体に不溶です。

蒸気圧

25°Cで1.24・10 ⁶ mmHg この値は、ガスが漏れないようにするために水素シリンダーをどの程度閉じる必要があるかを示します。

自己発火温度

560v°C

電気陰性

ポーリングスケールで2.20。

燃焼熱

-285.8 kJ / mol。

気化熱

0.90 kJ / mol。

融合熱

0.117 kJ / mol。

同位体

「正常な」水素原子は、軽水素である¹水素の99.985パーセントについて構成するH、。この元素の他の2つの同位体は、重水素² Hとトリチウム³ Hです。これらは中性子の数が異なります。重水素には1つの中性子があり、トリチウムには2つの中性子があります。

スピン異性体

水素分子にはH _2の2つのタイプがあります。オルトとパラです。最初に、H原子の（陽子の）2つのスピンは同じ方向に向いています（平行です）。一方、2番目の場合、2つのスピンは反対方向です（逆平行です）。

水素パラは2つの異性体の中でより安定しています。しかし、温度が上昇すると、オルソ：パラ比は3：1になります。これは、水素オルト異性体が他より優勢であることを意味します。非常に低い温度（絶対零度に非常に近い、20K）では、純粋な水素パラサンプルを得ることができます。

命名法

水素を指す命名法は最も単純なものの1つです。それはその無機または有機化合物と同じ方法ではありませんが。H ₂は、「水素」に加えて次の名前で呼び出すことができます。

-分子状水素

-二水素

-二原子水素分子。

H ⁺イオンの場合、それらの名前はプロトンまたは水素イオンです。そして、それが水性媒体である場合、H ₃ O ⁺、ヒドロニウムカチオン。Hながら^-イオンは水素化物アニオンです。

水素原子

ボーアの惑星モデルで表される水素原子。出典：Pixabay。

水素原子はすべての中で最も単純で、通常は上の図のように表されます^。1つのプロトンを持つ核（¹ Hの場合）は、軌道を描く電子に囲まれています。周期表の他の要素のすべての原子軌道は、この原子で構築および推定されています。

現在の原子の理解に対するより忠実な表現は、電子と電子の確率論的雲（その1 s軌道）によって周囲が定義されている球体の表現です。

どこで見つけて生産するか

星のフィールド：水素の無尽蔵の源。出典：Pixabay。

水素は、おそらく炭素に比べると程度は低いですが、どこにでもあると疑うことのできない化学元素です。空気中、海、海、そして私たちの体を満たす水の一部を形成し、原油や鉱物、そして生命を生み出すために組み立てられた有機化合物の中。

化合物のライブラリを読み飛ばして、水素原子を見つけます。

問題はそれほど多くではなく、それがどのように存在するかです。たとえば、分子H ₂は非常に揮発性が高く、太陽光の入射に対して反応性が高いため、大気中では非常に低くなります。したがって、他の要素を結合するように反応し、安定性を獲得します。

水素はコスモスの上位にありますが、主に中性原子Hとして検出されます。

実際、水素はその金属相と凝縮相において星の構成単位と見なされています。それらの計り知れない量があり、その堅牢性と巨大な次元のために、それらはこの要素を宇宙全体で最も豊富にします。既知の物質の75％が水素原子に対応すると推定されています。

ナチュラル

宇宙でゆるい水素原子を集めることは現実的ではなく、到達できない太陽の周辺、または星雲からそれらを抽出することは現実的ではありません。地球上では、その条件によってこの元素がH ₂として存在することが強制されますが、自然または地質学的プロセスを通じて生成されます。

たとえば、水素には独自の自然サイクルがあり、特定のバクテリア、微生物、藻類が光化学反応によって水素を生成することができます。自然プロセスのスケーリングには、これらと平行して、バイオリアクターの使用が含まれます。バイオリアクターでは、バクテリアが炭化水素を食べて、含まれている水素を放出します。

生物も水素の生産者ですが、程度は低いです。これが当てはまらない場合、それが鼓腸の気体成分の1つをどのように構成するか説明できません。これらは可燃性であることが過度に証明されています。

最後に、嫌気性条件下（酸素なし）、たとえば地下層では、鉱物は水とゆっくりと反応して水素を生成する可能性があることに言及する必要があります。ファイエリタの反応はそれを証明します：

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O→2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

工業用

バイオ水素はこのガスを工業的規模で生成する代替手段ですが、最も使用される方法は、実際にはそれを含む化合物から水素を「除去」して、その原子が結合してH ₂を形成することから成ります。

環境に配慮した製造方法としては、コークス（または木炭）を過熱蒸気と反応させる方法が最も少なくなります。

C（s）+ H ₂ O（g）→CO（g）+ H ₂（g）

同様に、この目的のために天然ガスが使用されてきました。

CH ₄（g）+ H ₂ O（g）→CO（g）+ 3H ₂（g）

そして、コークスや天然ガスの量は膨大であるため、これら2つの反応のいずれかによって水素を生成することは有益です。

水素を得る別の方法は、水に放電を適用して、それをその要素部分に分解することです（電気分解）：

2 H ₂ O（l）→2 H ₂（g）+ O ₂（g）

研究室で

水素分子は、どの実験室でも少量で調製できます。これを行うには、ビーカー内または試験管内で、活性金属を強酸と反応させる必要があります。観察可能なバブリングは、次の一般式で表される水素形成の明確な兆候です。

M（s）+ nH ⁺（aq）→M ^{n +}（aq）+ H ₂（g）

ここで、nは金属の価数です。たとえば、マグネシウムはH ⁺と反応してH ₂を生成します。

Mg（s）+ 2H ⁺（aq）→Mg ²⁺（aq）+ H ₂（g）

反応

レドックス

酸化数自体から、水素が化学反応にどのように関与しているかを最初に垣間見ることができます。H ₂反応は変わらない、またはHに分割することができます⁺またはH ^-イオン、それはと結合する種に応じて、それらが多かれ少なかれ電気陰性である場合。

H ₂は、その共有結合HHの強さのため、あまり反応しません。しかし、これは周期表のほとんどすべての元素と反応して化合物を形成する絶対的な障害ではありません。

その最もよく知られている反応は、水蒸気を生成するための酸素ガスの反応です：

H ₂（g）+ O ₂（g）→2H ₂ O（g）

そして、それは安定した水分子を形成するための酸素に対するその親和性であり、特定の金属酸化物中のO ^2-アニオンとしてそれとさえ反応することができます：

H ₂（g）+ CuO（s）→Cu（s）+ H ₂ O（l）

酸化銀も反応するか、同じ反応によって「還元」されます。

H ₂（g）+ AgO（s）→Ag（s）+ H ₂ O（l）

これらの水素反応は、レドックス型に対応しています。つまり、還元酸化です。水素は、酸素とそれよりも反応性の低い金属の金属酸化物の両方の存在下で酸化します。たとえば、銅、銀、タングステン、水銀、金などです。

吸収

一部の金属は、水素ガスを吸収して金属水素化物を形成できます。これは合金と見なされます。たとえば、パラジウムなどの遷移金属は、金属スポンジと同様に_、かなりの量のH _2を吸収します。

同じことが、より複雑な金属合金でも起こります。このようにして、水素はボンベ以外の手段で貯蔵することができます。

添加

有機分子は、さまざまな分子メカニズムや相互作用を通じて水素を「吸収」することもできます。

金属の場合、H ₂分子は結晶内で金属原子に囲まれています。有機分子では、HH結合が切断されて他の共有結合が形成されます。より正式な意味で：水素は吸収されず、構造に追加されます。

古典的な例は、アルケンまたはアルキンの二重結合または三重結合にそれぞれH ₂を付加することです。

C = C + H ₂ →HCCH

C≡C+ H ₂ →HC = CH

これらの反応は水素化とも呼ばれます。

水素化物の形成

水素は元素と直接反応して、水素化物と呼ばれる化合物のファミリーを形成します。彼らは主に2つのタイプ：生理食塩水と分子。

同様に、これらの金属が水素ガスを吸収するときにすでに述べた金属合金からなる金属水素化物があります。そして、ネットワークまたは結合鎖EHを備えたポリマーのもの。ここで、Eは化学元素を表す。

生理食塩水

生理食塩水化物は、水素化物アニオン、Hなどのイオン結合の水素関与^- 。これが形成されるためには、要素は必然的に電気陰性度が低くなければなりません。そうでなければ、それはその電子を水素に放棄しません。

したがって、塩水素化物は、水素がアルカリ金属やアルカリ土類金属などの電気陽性度の高い金属と反応したときにのみ形成されます。

たとえば、水素は金属ナトリウムと反応して水素化ナトリウムを生成します。

2Na（s）+ H ₂（g）→2NaH（s）

またはバリウムを使用して水素化バリウムを生成する：

Ba（s）+ H ₂（g）→BaH ₂（s）

分子

分子状水素化物はイオン性水素化物よりもよく知られています。水素がハロゲンと反応するとき、それらはハロゲン化水素、HXとも呼ばれます：

Cl ₂（g）+ H ₂（g）→2HCl（g）

ここで、水素はH ⁺として共有結合に参加します。なぜなら、両方の原子間の電気陰性度の違いはあまり大きくないからです。

水自体は、水素化酸素（または酸化水素）と見なすことができ、その形成反応はすでに説明されています。硫黄との反応は、臭いガスである硫化水素を生成するのと非常に似ています。

S（s）+ H ₂（g）→H ₂ S（g）

しかし、すべての分子水素化物の中で最も有名な（そしておそらく合成が最も難しい）のはアンモニアです。

N ₂（g）+ 3H ₂（g）→2NH ₃（g）

用途

前のセクションでは、水素の主な用途の1つがすでに取り上げられていました：合成の開発の原料として、無機または有機。このガスを制御することには通常、それを反応させて、それが抽出された化合物以外の化合物を生成する以外の目的はありません。

原材料

-アンモニアを合成するための試薬の1つであり、肥料の製造から始まり、薬物を窒素化するための材料としても、産業用途は無限に広がります。

-一酸化炭素と反応して、バイオ燃料で非常に重要な試薬であるメタノールを大量に生産することを目的としています。

還元剤

-特定の金属酸化物の還元剤であるため、冶金還元に使用されます（銅および他の金属の場合で既に説明されています）。

-脂肪や油を減らしてマーガリンを作ります。

石油産業

石油産業では、水素は精製プロセスで原油を「水素化処理」するために使用されます。

たとえば、大きな分子と重い分子を小さな分子に断片化して、市場での需要を増やします（水素化分解）。ペトロポルフィリンのケージに閉じ込められた金属を放出する（水素化脱金属）。硫黄原子をH ₂ S として除去します（水素化脱硫）; または二重結合を減らして、パラフィンに富む混合物を作成します。

燃料

水素自体はロケットや宇宙船の優れた燃料です。水素と少量の酸素が反応すると、大量の熱またはエネルギーが放出されるためです。

小規模では、この反応は水素電池または電池の設計に使用されます。しかしながら、これらのセルはこのガスを適切に貯蔵することができないという困難に直面しています。化石燃料の燃焼から完全に独立するという課題。

プラス面として、燃料として使用される水素は水だけを放出します。大気や生態系の汚染手段を表すガスの代わりに。

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