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水素はどんな気体ですか。水素 - この物質は何ですか? 水素の化学的および物理的性質

水素はどんな気体ですか。水素 - この物質は何ですか? 水素の化学的および物理的性質

周期系では、それが示す特性を反映し、その電子構造について語る独自の特定の位置を持っています。ただし、その中には、一度に 2 つのセルを占有する特別な原子が 1 つあります。それは、明らかにされた特性が完全に反対である要素の2つのグループに位置しています。これが水素です。これらの機能がユニークです。

水素は単なる元素ではなく、単純な物質でもあり、多くの複雑な化合物の不可欠な部分であり、生物起源および器官形成要素です。したがって、その特性と特性をより詳細に検討します。

化学元素としての水素

水素は、メインサブグループの最初のグループの要素であり、最初の小期間のメインサブグループの7番目のグループでもあります。この周期は、ヘリウムと私たちが検討している元素の2つの原子のみで構成されています。周期系における水素の位置の主な特徴を説明しましょう。

水素の通し番号は1、電子の数はそれぞれ同じ、陽子の数は同じです。原子質量は 1.00795 です。この元素には、質量数が 1、2、3 の 3 つの同位体があります。ただし、水素の質量が 1 つでも増加するとすぐに 2 倍になるため、それぞれの特性は大きく異なります。
外側に電子が1つしかないという事実により、酸化と還元の両方の特性をうまく発揮できます。さらに、電子の供与後、それは自由軌道のままであり、ドナー-アクセプター機構に従って化学結合の形成に関与します。
水素は強力な還元剤です。したがって、メインサブグループの最初のグループは、最も活性な金属であるアルカリを導く主要な場所であると考えられています。
しかし、金属などの強力な還元剤と相互作用すると、電子を受け取る酸化剤にもなります。これらの化合物は水素化物と呼ばれます。これに基づいて、それは類似しているハロゲンのサブグループを率いています。
原子質量が非常に小さいため、水素は最も軽い元素と考えられています。また、密度も非常に低いため、軽さの目安にもなります。

したがって、水素原子が他のすべての元素とは異なり、完全にユニークであることは明らかです。したがって、その特性も特殊であり、形成される単純な物質と複雑な物質は非常に重要です。それらをさらに考えてみましょう。

単体

この要素を分子として話す場合、それは二原子であると言わなければなりません. つまり、水素（単体）は気体です。その経験式は H 2 と書かれ、グラフは - 単一のシグマボンドH-H. 原子間の結合形成のメカニズムは、非極性の共有結合です。

メタンの水蒸気改質。
石炭ガス化 - このプロセスでは、石炭を 1000 ℃ に加熱し、水素と高炭素石炭を生成します。
電解。この方法は、さまざまな塩の水溶液にのみ使用できます。これは、溶融物がカソードで水を排出しないためです。

実験室で水素を生成する方法:

金属水素化物の加水分解。
活性金属および中活性に対する希酸の作用。
アルカリおよびアルカリ土類金属と水との相互作用。

生じた水素を回収するために、試験管を逆さまにしておく必要があります。結局のところ、このガスは、たとえば二酸化炭素と同じ方法で収集することはできません。これは水素で、空気よりもはるかに軽いです。揮発性が高く、大量に空気と混合すると爆発する。したがって、チューブを反転する必要があります。充填後、ゴム栓で閉める必要があります。

集めた水素の純度を確認するには、首に火のついたマッチを持っていく必要があります。綿が耳が聞こえず静かな場合、ガスはきれいで、空気の不純物が最小限です。大きくて口笛を吹く場合は、異物の割合が多く、汚れています。

使用分野

水素が燃焼すると、大量のエネルギー（熱）が放出されるため、このガスは最も収益性の高い燃料と見なされます。さらに、それは環境に優しいです。ただし、この領域での使用は現在制限されています。これは、原子炉、エンジン、携帯機器、住宅用暖房ボイラーの燃料として使用するのに適した純粋な水素を合成するという、考えが浅く解決されていない問題によるものです。

結局のところ、このガスを取得する方法は非常に高価であるため、最初に特別な合成方法を開発する必要があります。で商品を受け取れるもの大ボリュームそして最小限のコストで。

私たちが検討しているガスが使用される主な分野がいくつかあります。

化学合成。水素化に基づいて、石鹸、マーガリン、およびプラスチックが得られます。水素の関与により、メタノールとアンモニア、および他の化合物が合成されます。
食品業界では、添加剤 E949 として。
航空産業（ロケット製造、航空機製造）。
電力産業。
気象学。
環境にやさしいタイプの燃料。

明らかに、水素は自然界に豊富に存在するのと同じくらい重要です。それによって形成されるさまざまな化合物によって、さらに大きな役割が果たされます。

水素化合物

これらは水素原子を含む複雑な物質です。そのような物質にはいくつかの主な種類があります。

ハロゲン化水素。一般式はHHalです。その中で特に重要なのは塩化水素です。水に溶けて塩酸溶液になる気体です。この酸は、ほとんどすべての化学合成で広く使用されています。そして、有機と無機の両方。塩化水素は、経験式HCLを持つ化合物であり、わが国で年間生産量が最大の化合物の1つです。ハロゲン化水素には、ヨウ化水素、フッ化水素、および臭化水素も含まれる。それらはすべて、対応する酸を形成します。
揮発性それらのほとんどすべてが非常に有毒なガスです。たとえば、硫化水素、メタン、シラン、ホスフィンなど。しかし、それらは非常に可燃性です。
水素化物は金属との化合物です。それらは塩のクラスに属します。
水酸化物：塩基、酸および両性化合物。それらの組成には、必ず水素原子が 1 つ以上含まれています。例：NaOH、K 2 、H 2 SO 4 など。
水酸化水素。この化合物は、水としてよく知られています。酸化水素の別名。実験式は次のようになります - H 2 O.
過酸化水素。これは最も強力な酸化剤で、その式は H 2 O 2 です。
多数の有機化合物: 炭化水素、タンパク質、脂肪、脂質、ビタミン、ホルモン、エッセンシャルオイルなど。

明らかに、私たちが検討している元素の化合物の種類は非常に大きいです。これは、自然と人間、そしてすべての生物にとってその重要性が高いことを改めて裏付けています。

最高の溶剤です

前述のように、この物質の通称は水です。共有極性結合によって相互接続された 2 つの水素原子と 1 つの酸素で構成されます。水分子は双極子であり、その特性の多くを説明しています。特に、それが普遍的な溶媒であるという事実。

ほとんどすべての化学プロセスが行われるのは水生環境です。生物のプラスチックおよびエネルギー代謝の内部反応も、酸化水素の助けを借りて実行されます。

水は地球上で最も重要な物質であると考えられています。それなしでは生物は生きられないことが知られています。地球上では、次の 3 つの集合状態で存在できます。

液体;
ガス（蒸気）;
固体（氷）。

分子の一部である水素の同位体に応じて、3 種類の水があります。

光またはプロティウム。質量数 1 の同位体。式は H 2 O です。これは、すべての生物が使用する通常の形式です。
重水素または重い、その式はD 2 Oです。同位体2 Hが含まれています。
スーパーヘビーまたはトリチウム。式は T 3 O のように見え、同位体は 3 H です。

地球上の新鮮なプロティウム水の埋蔵量は非常に重要です。すでに多くの国で不足しています。飲料水を得るために塩水を処理する方法が開発されています。

過酸化水素は普遍的な治療法です

この化合物は、前述のように、優れた酸化剤です。ただし、強力な代表者を使用すると、レデューサーとしても動作する可能性があります。さらに、それは顕著な殺菌効果を持っています。

この化合物の別名は過酸化物です。それが医学で使用されるのはこの形です。問題の化合物の結晶水和物の 3% 溶液は、除染のために小さな傷を治療するために使用される医薬品です。ただし、この場合、時間の経過とともに創傷治癒が増加することが証明されています。

過酸化水素は、適切な材料 (例えば、フォーム) を製造するための発泡剤として、消毒および漂白の産業でロケット燃料にも使用されます。さらに、過酸化物は水槽をきれいにし、髪を漂白し、歯を白くするのに役立ちます. ただし、同時に組織に害を与えるため、専門家はこの目的にはお勧めしません。

水素

水素-a; メートル。化学元素 (H) で、酸素と結合して水を形成する、軽くて無色無臭のガス。

◁ 水素、目、目。 V 接続。 V菌。 V番目の爆弾（その爆発効果は熱核反応に基づいている、巨大な破壊力の爆弾）。水素、目、目。

水素

(lat. 水素)、周期系の VII 族の化学元素。自然界には、2 つの安定同位体 (プロチウムと重水素) と 1 つの放射性同位体 (トリチウム) があります。分子は二原子（H 2）です。無色無臭の気体。密度 0.0899 g/l、 tキップ - 252.76°C。多くの元素と結合して、酸素と水を形成します。宇宙で最も一般的な要素。（プラズマの形で）太陽と星の質量の70％以上を占め、星間物質と星雲のガスの主要部分です。水素原子は、多くの酸と塩基、ほとんどの有機化合物の一部です。それらは、アンモニア、塩酸の製造、脂肪の水素化など、金属の溶接や切断に使用されます。燃料として有望です（水素エネルギーを参照）。

水素

HYDROGEN (lat. Hydrogenium)、H、原子番号 1、原子質量 1.00794 の化学元素。水素の化学記号 H は、この文字がフランス語で発音されるように、私たちの国では「灰」と読まれます。
天然水素は、2 つの安定核種の混合物で構成されています。 (cm。核種)質量数は 1.007825 (混合物中 99.985%) および 2.0140 (0.015%) です。また、自然界の水素には微量の放射性核種であるトリチウムが常に存在しています。 (cm。トリチウム) 3 H (半減期 T 1/2 12.43 年)。水素原子の原子核には陽子が 1 つしか含まれていないため (原子核内の陽子の数が少なくなることはありません)、水素は D. I. メンデレーエフの元素の周期系の自然な下限を形成すると時々言われます (水素元素ではありますが、それ自体は最上部のパーツテーブルにあります)。元素水素は、周期表の最初の周期にあります。また、第1グループ（アルカリ金属のグループIA (cm。アルカリ金属)）、および7番目のグループ（ハロゲンのグループVIIA (cm。ハロゲン)).
水素同位体の原子の質量は大きく異なります (数倍)。これにより、物理的プロセス (蒸留、電気分解など) での挙動に顕著な違いが生じ、特定の化学的違いが生じます (1 つの元素の同位体の挙動の違いは同位体効果と呼ばれます。水素の場合、同位体効果が最も重要です)。したがって、他のすべての元素の同位体とは異なり、水素同位体には特別な記号と名前があります。質量数1の水素は、軽水素、またはプロチウム（緯度プロチウム、ギリシャのプロトス-最初のもの）と呼ばれ、記号Hで示され、その核は陽子と呼ばれます (cm。 PROTON（素粒子））、記号ｒ。質量数2の水素を重水素、重水素と呼びます (cm。重水素）(ラテン語の Deuterium、ギリシャ語 deuteros - 2 番目)、記号 2 H、または D (「de」と読む) がそれを示すために使用され、原子核 d は重陽子です。質量数3の放射性同位体は、超重水素、またはトリチウム（lat. Tritum、ギリシャのtritos-3番目）、記号2 HまたはT（「それら」と読む）と呼ばれ、原子核tはトリトンです。
中性未励起水素原子の単電子層の配置 1 s 1 . 化合物では、酸化状態 +1 を示しますが、まれに -1 (価数 I) を示します。中性水素原子の半径は 0.024 nm です。原子のイオン化エネルギーは 13.595 eV、電子親和力は 0.75 eV です。ポーリングスケールでは、水素の電気陰性度は 2.20 です。水素は非金属の一つです。
自由な形では、色、臭い、味のない軽い可燃性ガスです。
発見の歴史
酸と金属の相互作用中の可燃性ガスの放出は、科学としての化学の形成の黎明期である 16 世紀と 17 世紀に観察されました。有名な英国の物理学者で化学者の G. キャベンディッシュ (cm。キャベンディッシュ・ヘンリー) 1766 年に彼はこのガスを調査し、それを「可燃性空気」と呼んだ。燃やすと「可燃性の空気」が水を与えたが、キャベンディッシュはフロギストン説に固執した (cm。フロギストン)彼が正しい結論を導き出すのを妨げた. フランスの化学者 A. ラヴォアジエ (cm。ラヴォアジエ・アントワーヌ・ローラン)エンジニアの J. ムニエと共に (cm。ムニエジャン=バティスト・マリー・シャルル)、特別なガスメーターを使用して、1783年に水の合成を行い、次にその分析を行い、水蒸気を真っ赤な鉄で分解しました。このように、彼は「可燃性空気」が水の一部であり、そこから得ることができることを確立しました。 1787年、ラヴォアジエは「可燃性空気」は単純な物質であり、したがって化学元素の数に属するという結論に達しました. 彼はそれに水素という名前を付けました（ギリシャ語のhydor-水とgennao-出産から）-「水を出産する」。水の組成が確立されたことで、「フロギストン説」は終焉を迎えました。ロシア語の「水素」という名前は、化学者 M.F. Solovyov によって提案されました。 (cm。ソロヴィエフミハイル・フェドロヴィッチ) 18世紀と19世紀の変わり目に、水素原子が（他の元素の原子と比較して）非常に軽いことが判明し、水素原子の重量（質量）が比較の単位として採用されました。元素の原子質量。水素原子の質量は 1 に等しい値が割り当てられました。
自然の中にいる
水素は地球の地殻の質量の約 1% を占めます (全元素中 10 位)。水素は、地球上で自由な形で発見されることはほとんどありませんが（その痕跡は上層大気に見られます）、水の組成で地球上のほぼすべての場所に分布しています。水素元素は、生物、天然ガス、石油、石炭の有機および無機化合物の一部です。もちろん、それは水の組成（約11重量％）、1つ以上のOHヒドロキソ基を含むさまざまな天然の結晶水和物およびミネラルに含まれています。
要素としての水素は、宇宙を支配しています。太陽や他の星の質量の約半分を占め、多くの惑星の大気中に存在します。
レシート
水素はさまざまな方法で取得できます。産業界では、石油精製、コークス化、石炭やその他の燃料のガス化から得られるガスと同様に、天然ガスがこれに使用されます。天然ガス（主成分はメタン）からの水素の製造では、水蒸気との触媒相互作用と酸素による不完全な酸化が行われます。
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2およびCH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
コークスガスと製油所ガスからの水素の分離は、深冷中の液化と、水素よりも容易に液化するガスの混合物からの除去に基づいています。安価な電気の存在下では、水の電気分解によって水素が得られ、アルカリ溶液に電流が流れます。実験室の条件下では、金属と酸、たとえば亜鉛と塩酸の相互作用によって水素が容易に得られます。
物理的および化学的特性
通常の状態では、水素は軽い（通常の状態での密度0.0899 kg / m 3）無色の気体です。融点 -259.15 °C、沸点 -252.7 °C。液体水素 (沸点) は密度が 70.8 kg/m 3 で、最も軽い液体です。水溶液中の標準電極電位H 2 / H - は0に等しいと見なされます。水素は水にほとんど溶けません。0°Cでは、溶解度は0.02 cm 3 / ml未満ですが、一部の金属には非常に溶けます。（スポンジ鉄など）、特に良い - 金属パラジウム（金属1体積中に約850体積の水素）。水素の燃焼熱は 143.06 MJ/kg です。
2 原子 H 2 分子の形で存在します。 300 K での H 2 の原子への解離定数は 2.56 10 -34 です。 H 2 分子の原子への解離エネルギーは 436 kJ/mol です。 H 2 分子の核間距離は 0.07414 nm です。
分子の一部である各H原子の核は、独自のスピンを持っているため (cm。スピン）の場合、水素分子は、オルト水素 (o-H 2) (両方のスピンの向きが同じ) とパラ水素 (p-H 2) (スピンの向きが異なる) の 2 つの形をとることができます。通常の条件下では、通常の水素は 75% の o-H 2 と 25% の p-H 2 の混合物です。 p-H 2 とo-H 2 の物理的性質はわずかに異なります。したがって、純粋な o-H 2 の沸点が 20.45 K の場合、純粋な p-n 2 - 20.26 K. o-H 2 から p-H 2 への変換には、1418 J / mol の熱の放出が伴います。
科学文献で繰り返し主張されてきた高圧(10 GPa 以上) および低温 (約 10 K 以下) では、通常、六方晶の分子型格子で結晶化する固体水素は、金属特性を持つ物質、場合によっては超伝導体に変化する可能性があります。ただし、そのような移行の可能性に関する明確なデータはまだありません。
高強度化学結合 H 2 分子の原子間 (たとえば、分子軌道の方法を使用すると、この分子では電子対が結合軌道にあり、緩み軌道には電子が存在しないという事実によって説明できます) リード室温では、ガス状水素は化学的に不活性であるという事実に。したがって、加熱せずに単純な混合を行うと、水素はガス状のフッ素とのみ（爆発で）反応します。
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
室温で水素と塩素の混合物に紫外光を照射すると、塩化水素HClの即時形成が観察されます。触媒である金属パラジウム（または白金）がこれらのガスの混合物に導入されると、水素と酸素との反応が爆発で起こります。点火すると、水素と酸素の混合物（いわゆる爆発性ガス (cm。爆発性ガス)) 爆発し、水素含有量が 5 ～ 95 体積パーセントの混合物で爆発が発生する可能性があります。空気中または純粋な酸素中の純粋な水素は、大量の熱を放出しながら静かに燃焼します。
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285.75 kJ /モル
水素が他の非金属や金属と相互作用する場合、特定の条件下（加熱、高圧、触媒の存在）でのみ相互作用します。したがって、水素は窒素と可逆的に反応します。高血圧（20〜30 MPa以上）および触媒の存在下で300〜400℃の温度で - 鉄：
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
また、加熱された場合にのみ、水素は硫黄と反応して硫化水素H 2 Sを形成し、臭素と反応して臭化水素HBrを形成し、ヨウ素と反応してヨウ化水素HIを形成します。水素は石炭（グラファイト）と反応して、さまざまな組成の炭化水素の混合物を形成します。水素は、ホウ素、シリコン、およびリンと直接相互作用せず、これらの元素と水素との化合物が間接的に得られます。
加熱すると、水素はアルカリ、アルカリ土類金属、マグネシウムと反応して、酸化状態-1の水素を含むイオン結合特性を持つ化合物を形成します。そのため、カルシウムを水素雰囲気で加熱すると、組成 CaH 2 の塩状の水素化物が形成されます。高分子水素化アルミニウム (AlH 3) x - 最も強力な還元剤の 1 つ - は間接的に得られます (たとえば、有機アルミニウム化合物を使用)。多くの遷移金属 (たとえば、ジルコニウム、ハフニウムなど) では、水素はさまざまな組成の化合物 (固溶体) を形成します。
水素は、多くの単純な物質だけでなく、複雑な物質とも反応することができます。まず第一に、水素がその酸化物から多くの金属（鉄、ニッケル、鉛、タングステン、銅など）を還元する能力に注意する必要があります。したがって、400〜450°C以上の温度に加熱すると、鉄はその酸化物から水素によって還元されます。たとえば、
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
マンガンを超える一連の標準電位に位置する金属のみが、水素によって酸化物から還元できることに注意する必要があります。より活性な金属 (マンガンを含む) は、酸化物から金属に還元されません。
水素は、多くの有機化合物に二重結合または三重結合を付加することができます (これらはいわゆる水素化反応です)。たとえば、ニッケル触媒の存在下で、エチレン C 2 H 4 の水素化を行うことができ、エタン C 2 H 6 が形成されます。
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
産業における一酸化炭素 (II) と水素の相互作用により、メタノールが生成されます。
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH。
水素原子がより電気陰性度の高い元素 E (E = F、Cl、O、N) の原子に結合している化合物では、分子間に水素結合が形成されます。 (cm。水素結合）(同じまたは 2 つの異なる元素の 2 つの E 原子は、H 原子を介して相互接続されます: E "... N ... E""、および 3 つの原子すべてが同じ直線上に配置されます)。このような結合は分子間に存在します。水、アンモニア、メタノールなどの、これらの物質の沸点の顕著な上昇、蒸発熱の上昇などにつながります。
応用
水素は、アンモニア NH 3 、塩化水素 HCl、メタノール CH 3 OH の合成、天然炭化水素の水素化分解 (水素雰囲気での分解)、特定の金属の製造における還元剤として使用されます。水素化 (cm。水素化)ナチュラル植物油固形脂肪を得る - マーガリン。液体水素は、ロケットの燃料や冷却材としても利用されています。溶接には酸素と水素の混合ガスが使われます。
かつて、近い将来、主なエネルギー生産源は水素燃焼の反応であり、水素エネルギーが従来のエネルギー生産源 (石炭、石油など) に取って代わるだろうと示唆されていました。同時に、大規模な水素の製造には、水の電気分解を使用することが可能であると想定されていました。水の電気分解はかなりエネルギー集約的なプロセスであり、工業規模で電気分解によって水素を取得することは現在採算が取れていません。しかし、電気分解は、原子力発電所の運転中に大量に発生する中温（500〜600℃）の熱の使用に基づくと予想されていました。この熱の用途は限定的であり、その助けを借りて水素を得る可能性は、エコロジーの問題 (水素が空気中で燃焼される場合、生成される環境に有害な物質の量は最小限に抑えられる) と中温の利用の問題の両方を解決するでしょう。熱。しかし、チェルノブイリ事故以降、開発は核エネルギー特定のエネルギー源が利用できなくなるように、どこでも凝固します。したがって、エネルギー源としての水素の普及の見通しは、少なくとも 21 世紀半ばまではまだ変化しています。
循環の特徴
水素は有毒ではありませんが、それを取り扱う際には、その高い火災と爆発の危険性を常に考慮する必要があり、水素の爆発の危険性は、一部の固体材料でもガスが拡散する能力が高いため増加します。水素の雰囲気で加熱操作を開始する前に、それがきれいであることを確認する必要があります（逆さまにした試験管で水素に点火すると、音は吠えず、鈍くなるはずです）。
生物学的役割
水素の生物学的重要性は、水素が水分子の一部であり、タンパク質、核酸、脂質、炭水化物。生物の質量の約 10% は水素です。水素結合を形成する水素の能力は、タンパク質の空間的な四次構造を維持するだけでなく、相補性の原則を実装する上で重要な役割を果たします。 (cm。補足）核酸の構築と機能（つまり、遺伝情報の保存と実装）、一般に、分子レベルでの「認識」の実装。水素 (H + イオン) は、体内で最も重要な動的プロセスと反応に関与します。生体細胞にエネルギーを提供する生物学的酸化、植物の光合成、生合成反応、窒素固定および細菌の光合成、酸の維持に関与します。・ベースバランスとホメオスタシス (cm。ホメオスタシス)、膜輸送プロセスで。このように、酸素と炭素とともに、水素は生命現象の構造的および機能的基盤を形成します。

百科事典辞書. 2009 .

同義語:

他の辞書で「水素」が何であるかを参照してください。

核種表一般情報名前、記号水素 4、4H 中性子 3 陽子 1 核種の性質原子量 4.027810 (110) ... ウィキペディア

核種の表一般的な情報名前、記号水素 5、5H 中性子 4 陽子 1 核種の特性原子量 5.035310 (110) ... ウィキペディア

核種の表一般的な情報名前、記号水素 6、6H 中性子 5 陽子 1 核種の特性原子質量 6.044940 (280) ... ウィキペディア

核種の表一般的な情報名前、記号水素 7、7H 中性子 6 陽子 1 核種の特性原子質量 7.052750 (1080) ... ウィキペディア

水素 (Hydrogenium) は、16 世紀前半にドイツの医師で自然主義者のパラケルススによって発見されました。 1776 年、G. キャベンディッシュ (イギリス) はその性質を確立し、他のガスとの違いを指摘しました。 Lavoisier は、水から水素を初めて取得し、水が水素と酸素の化学的結合であることを証明しました (1783)。

水素には、プロチウム、重水素または D およびトリチウムまたは T の 3 つの同位体があります。質量数は 1、2、および 3 です。プロチウムと重水素は安定しており、トリチウムは放射性です (半減期 12.5 年)。天然化合物では、重水素とプロチウムは平均して1:6800の比率で含まれています（原子の数による）。トリチウムは、ごくわずかな量で自然界に存在します。

水素原子の原子核には、1 つの陽子が含まれています。重水素と三重水素の原子核には、陽子に加えて、それぞれ 1 つと 2 つの中性子が含まれています。

水素分子は 2 つの原子で構成されています。水素原子と分子を特徴付けるいくつかのプロパティを次に示します。

原子イオン化エネルギー、eV 13.60

電子に対する原子の親和力、eV 0.75

相対電気陰性度 2.1

原子の半径、nm 0.046

分子内の核間距離、nm 0.0741

436.1 における分子の解離の標準熱量

115. 自然界の水素。水素を得る。

遊離状態の水素は、地球上で少量しか見つかりません。時には、火山噴火の際に他のガスと一緒に放出されたり、石油採掘の際に掘削孔から放出されたりします。しかし、化合物の形では、水素は非常に一般的です。これは、水の質量の 9 分の 1 を占めているという事実からもわかります。水素は、すべての動植物、石油、硬炭および褐炭、天然ガス、および多くの鉱物の構成成分です。水と空気を含む地球の地殻全体に占める水素の割合は、約 1% です。しかし、原子の総数のパーセンテージとして再計算すると、地球の地殻の水素含有量は 17% になります。

水素は宇宙で最も豊富な元素です。太陽と他のほとんどの星の質量の約半分を占めています。それはガス状星雲、星間ガスに含まれており、星の一部です。星の内部では、水素原子の原子核がヘリウム原子の原子核に変換されます。このプロセスはエネルギーの放出とともに進行し、太陽を含む多くの星にとって、主なエネルギー源として機能します。その速度、すなわち、1秒間に1立方メートルの水素原子核がヘリウム原子核に変化する数は少ない。したがって、単位体積あたり単位時間あたりに放出されるエネルギー量は小さいです。ただし、太陽の質量は非常に大きいため、太陽が生成および放出するエネルギーの総量は非常に大きくなります。これは、太陽の質量が約 1 秒減少することに相当します。

産業界では、水素は主に天然ガスから製造されます。主にメタンからなるこのガスは、水蒸気と酸素と混合されています。ガスの混合物を触媒の存在下で加熱すると、次の式で概略的に表すことができる反応が起こります。

得られたガス混合物は分離される。水素は精製され、現場で使用されるか、加圧されたスチールシリンダーで輸送されます。

水素を製造するための重要な工業的方法は、コークス炉ガスまたは石油精製ガスから水素を分離することでもあります。これは、水素を除くすべてのガスが液化される深冷によって行われます。

実験室では、水素は主に水溶液の電気分解によって生成されます。これらの溶液の濃度は、最大導電率に一致するように選択されます。電極は通常、シートニッケルから作られます。この金属は、陽極であってもアルカリ溶液中で腐食しません。必要に応じて、生成された水素は水蒸気と微量の酸素から精製されます。他の実験方法の中で、最も一般的な方法は、硫酸または塩酸の溶液からの亜鉛の作用による水素の抽出です。反応は通常、キップ装置で行われます (図 105)。

意味

水素周期表の最初の要素です。指定 - ラテン語の「水素」からのH。最初の期間、グループ IA に位置します。非金属を指します。核電荷は1です。

水素は最も一般的な化学元素の 1 つです。その割合は、地球の地殻 (大気、水圏、およびリソスフェア) の 3 つの殻すべての質量の約 1% であり、原子百分率に変換すると、17.0 の数値が得られます。

この要素の主な量はバインドされた状態にあります。したがって、水には約 11 wt.% が含まれます。 %、粘土 - 約1.5%など炭素を含む化合物の形で、水素は石油、可燃性天然ガス、およびすべての生物の一部です。

水素は無色無臭の気体です（原子の構造図を図1に示します）。その融点と沸点は非常に低いです (それぞれ -259 o C と -253 o C)。温度（-240 o C）および圧力下で、水素は液化することができ、結果として生じる液体の急速な蒸発により、固体の状態(透明な結晶)。水にわずかに溶けます - 体積で2:100。水素は、鉄などの一部の金属への溶解度によって特徴付けられます。

米。 1. 水素原子の構造。

水素の原子量と分子量

意味

相対原子量要素は、特定の要素の原子の質量と炭素原子の質量の 1/12 の比率です。

相対原子質量は無次元であり、A r で表されます (下付き文字 "r" は最初の文字です)。英単語相対、翻訳では「相対」を意味します）。原子状水素の相対原子質量は 1.008 amu です。

分子の質量は、原子の質量と同様に、原子質量単位で表されます。

意味

分子量物質は分子の質量と呼ばれ、原子質量単位で表されます。 相対分子量物質は、特定の物質の分子の質量と炭素原子の質量の 1/12 との比を呼び、その質量は 12 a.m.u.

水素分子は二原子-H 2 であることが知られています。水素分子の相対分子量は次のようになります。

M r (H 2) \u003d 1.008 × 2 \u003d 2.016.

水素の同位体

水素には、プロチウム 1 H、重水素 2 H または D、トリチウム 3 H または T の 3 つの同位体があります。質量数は 1、2、3 です。プロチウムと重水素は安定しており、トリチウムは放射性です (半減期 12.5 年)。天然化合物では、重水素とプロチウムは平均して1:6800の比率で含まれています（原子の数による）。トリチウムは、ごくわずかな量で自然界に存在します。

水素原子 1 H の原子核には、1 つの陽子が含まれています。重水素と三重水素の核には、陽子に加えて、1 つと 2 つの中性子が含まれます。

水素イオン

水素原子は、その単一電子を供与して陽イオン (「裸の」陽子) を形成するか、または電子を 1 つ追加して、ヘリウム電子配置を持つ陰イオンに変えることができます。

水素原子から電子を完全に分離するには、非常に大きなイオン化エネルギーを消費する必要があります。

H + 315 kcal = H + + e.

その結果、水素とメタロイドの相互作用では、イオン結合ではなく、極性結合のみが発生します。

過剰な電子を結合する中性原子の傾向は、その電子親和力の値によって特徴付けられます。水素では、それはかなり弱く表現されます（ただし、これはそのような水素イオンが存在できないという意味ではありません）：

H + e \u003d H - + 19 kcal。

水素分子と原子

水素分子は 2 つの原子 - H 2 で構成されています。水素原子と分子を特徴付けるいくつかのプロパティを次に示します。

問題解決の例

例 1

エクササイズ

12.5% の水素を含む一般式 EN x の水素化物があることを証明します。

解決

サンプルの質量を 100 g として、水素と未知の元素の質量を計算します。

m(H) = m(EN x)×w(H);

m(H) = 100 × 0.125 = 12.5 g。

m (E) \u003d m (EN x) - m (H);

m（E）\u003d 100 - 12.5 \u003d 87.5 g。

水素物質と未知の元素の量を求めましょう。後者のモル質量を「x」として示します（水素のモル質量は1 g / molです）。

水素は、記号 H と原子番号 1 の化学元素です。標準原子量は約 1.008 で、水素は周期表で最も軽い元素です。その単原子形態 (H) は、宇宙で最も豊富な化学物質であり、バリオンの総質量の約 75% を占めています。星は、ほとんどがプラズマ状態の水素で構成されています。プロチウムと呼ばれる水素の最も一般的な同位体 (この名前はめったに使用されず、記号 1H) は、1 つの陽子を持ち、中性子はありません。原子状水素が広範囲に出現したのは、再結合の時代でした。標準的な温度と圧力では、水素は無色、無臭、無味、無毒、非金属、分子式 H2 の可燃性の二原子ガスです。水素はほとんどの非金属元素と容易に共有結合を形成するため、地球上のほとんどの水素は、水や有機化合物などの分子の形で存在します。ほとんどの酸ベースの反応は可溶性分子間のプロトンの交換を伴うため、水素は酸塩基反応で特に重要な役割を果たします。イオン性化合物では、水素は負電荷 (つまり、陰イオン) の形をとることができ、水素化物または正電荷 (つまり、陽イオン) 種として知られており、記号 H+ で示されます。水素カチオンは単純なプロトンで構成されていると説明されていますが、イオン化合物の実際の水素カチオンは常により複雑です。シュレディンガー方程式を解析的に解くことができる唯一の中性原子として、水素 (すなわち、その原子のエネルギーと結合の研究) は、量子力学の発展において重要な役割を果たしてきました。水素ガスは、酸と金属の反応によって 16 世紀初頭に初めて人工的に生成されました。 1766-81年。ヘンリー・キャベンディッシュは、水素ガスが個別の物質であり、燃焼すると水を生成することを最初に認識したため、その名前はギリシャ語で「水生成器」を意味します. 水素の工業生産は、主に天然ガスの水蒸気変換に関連しており、水の電気分解などのよりエネルギー集約的な方法に関連することはあまりありません。ほとんどの水素は、生成される場所の近くで使用されます。最も一般的な 2 つの用途は、主に肥料市場向けの化石燃料処理 (水素化分解など) とアンモニア生成です。水素は多くの金属をもろくする可能性があり、パイプラインや貯蔵タンクの設計を困難にするため、冶金の懸念事項です。

プロパティ

燃焼

水素ガス (二水素または分子状水素) は可燃性ガスであり、体積で 4% から 75% の非常に広い範囲の濃度で空気中で燃焼します。燃焼エンタルピーは 286 kJ/mol です。

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

水素ガスは、空気と 4 ～ 74% の濃度で、塩素と 5.95% までの濃度で爆発性の混合物を形成します。爆発反応は、火花、熱、または日光によって引き起こされる可能性があります。水素の自然発火温度 (空気中での自然発火温度) は 500 °C (932 °F) です。純粋な水素-酸素の炎は紫外線を放射し、高酸素混合物では肉眼ではほとんど見えません.過塩素酸アンモニウム複合体。燃焼水素の漏れを検出するには、火炎検出器が必要になる場合があります。このような漏れは非常に危険です。それ以外の水素炎は青色で、天然ガスの青い炎に似ています。飛行船「ヒンデンブルグ号」の沈没は、水素燃焼の悪名高い例であり、その事件はまだ議論中です。この事件で目に見えるオレンジ色の炎は、飛行船の皮膚からの炭素化合物と結合した水素と酸素の混合物にさらされたことが原因でした。 H2はあらゆる酸化元素と反応します。水素は、室温で塩素およびフッ素と自然に反応して、対応するハロゲン化水素、塩化水素、およびフッ化水素を形成する可能性があり、これらも潜在的に危険な酸です。

電子エネルギー準位

水素原子の電子の基底状態エネルギーレベルは-13.6 eVで、これは波長約91 nmの紫外光子に相当します。エネルギーレベル水素は、地球の太陽の軌道に似た「軌道」陽子として電子を概念化する原子のボーアモデルを使用して、非常に正確に計算できます。ただし、原子の電子と陽子は電磁力によって結合されていますが、惑星と天体は重力によって結合されています。初期に仮定された角運動量の離散化により、量子力学ボーア、ボーアモデルの電子は、陽子から特定の許容距離しか占有できないため、特定の許容エネルギーしか占有できません。水素原子のより正確な説明は、シュレーディンガー方程式、ディラック方程式、またはファインマン集積回路を使用して陽子の周りの電子の確率密度分布を計算する純粋な量子力学的処理から得られます。最も複雑な処理方法により、小さな効果を得ることができます特殊理論相対論と真空分極。量子機械加工では、基底状態の水素原子の電子はまったくトルクを持たず、「惑星軌道」が電子の運動とどのように異なるかを示しています。

素分子形態

二原子水素分子には、原子核の相対スピンが異なる 2 つの異なるスピン異性体があります。オルト水素型では、2 つの陽子のスピンが平行で、分子スピン量子数が 1 (1/2 + 1/2) の三重項状態を形成します。パラ水素の形では、スピンは逆平行であり、分子スピン量子数が 0 (1/2 1/2) のシングレットを形成します。標準的な温度と圧力では、水素ガスには約 25% のパラ型と 75% のオルト型 (「通常型」とも呼ばれます) が含まれています。オルト水素とパラ水素の平衡比率は温度に依存しますが、オルト型は励起状態であり、パラ型よりもエネルギーが高いため、不安定で精製できません。非常に低い温度では、平衡状態はほぼ完全にパラ型で構成されます。熱特性純粋なパラ水素の液相と気相は、回転熱容量の違いにより、通常の形態の特性とは大きく異なります。これについては、水素スピン異性体で詳しく説明しています。オルト/ペアの違いは、水やメチレンなどの他の水素含有分子または官能基でも発生しますが、これはそれらの熱特性にとってほとんど重要ではありません。パラ H2 とオルト H2 の間の無触媒相互変換は、温度の上昇とともに増加します。したがって、急速に凝縮した H2 には大量高エネルギーの直交形式で、非常にゆっくりとパラ形式に変換されます。凝縮 H2 のオルト/パラ比は、液体水素の調製と貯蔵における重要な要素です。オルトからパラへの変換は発熱性であり、水素液体の一部を気化させるのに十分な熱を提供し、液化物質の損失をもたらします。酸化鉄などのオルソパラ変換用触媒、活性炭、白金化されたアスベスト、希土類金属、ウラン化合物、酸化クロム、または一部のニッケル化合物が水素冷却に使用されます。

フェーズ

水素ガス

液体水素

汚泥水素

固体水素

金属水素

接続

共有結合および有機化合物

H2 は標準的な条件下ではあまり反応しませんが、ほとんどの元素と化合物を形成します。水素は、ハロゲン (F、Cl、Br、I など) や酸素など、より電気陰性度の高い元素と化合物を形成できます。これらの化合物では、水素は部分的に正電荷を帯びます。水素は、フッ素、酸素、または窒素に結合すると、他の同様の分子の水素との中程度の強度の非共有結合の形で参加できます。これは、多くの生体分子の安定性にとって重要な水素結合と呼ばれる現象です。水素はまた、金属や半金属などの電気陰性度の低い元素と化合物を形成し、部分的に負の電荷を帯びます。これらの化合物は、多くの場合、水素化物として知られています。水素は、炭化水素と呼ばれる炭素との多種多様な化合物と、生物との共通の関連性から有機化合物と呼ばれるヘテロ原子とのさらに多様な化合物を形成します。それらの特性の研究は、有機化学、そして生きている生物の文脈での彼らの研究は生化学として知られています。いくつかの定義では、「有機」化合物には炭素のみが含まれている必要があります。しかし、ほとんどは水素も含んでおり、このクラスの化合物に特定の化学的特性の多くを与えるのは炭素-水素結合であるため、化学における「有機」という言葉のいくつかの定義では炭素-水素結合が必要です. 何百万もの炭化水素が知られており、それらは通常、水素元素をめったに含まない複雑な合成経路によって形成されます。

水素化物

水素化合物はしばしば水素化物と呼ばれます。「水素化物」という用語は、H 原子が H- と呼ばれる負または陰イオンの性質を獲得したことを示唆しており、水素がより陽性の元素と化合物を形成する場合に使用されます。 1916 年に Gilbert N. Lewis が 1 族と 2 族の塩を含む水素化物に対して提案した水素化物陰イオンの存在は、1920 年に Moers によって溶融水素化リチウム (LiH) の電気分解によって実証され、アノードあたりの化学量論量の水素が生成されました。第 1 族および第 2 族金属以外の水素化物については、水素の電気陰性度が低いため、この用語は誤解を招きます。グループ 2 水素化物の例外は、ポリマーである BeH2 です。水素化リチウムアルミニウムでは、AlH-4 陰イオンが水素化物中心を持ち、Al(III) にしっかりと結合しています。水素化物はほとんどすべての主族元素で形成できますが、可能な化合物の数と組み合わせは大きく異なります。たとえば、100 を超える二元ボラン水素化物と 1 つの二元水素化アルミニウムのみが知られています。大きな錯体が存在するものの、二元水素化インジウムはまだ同定されていません。無機化学では、水素化物は配位錯体の 2 つの金属中心をつなぐ架橋配位子としても機能します。この機能は、特にボラン (水素化ホウ素) とアルミニウム錯体、およびクラスター化されたカルボランで、13 族元素に特に特徴的です。

プロトンと酸

水素の酸化により電子が取り除かれ、H+ が生成されます。H+ は電子を含まず、通常は 1 つの陽子で構成される原子核も含みません。これが、H+ がしばしば陽子と呼ばれる理由です。この見解は、酸の議論の中心です。 Bronsted-Lowry 理論によると、酸はプロトン供与体であり、塩基はプロトン受容体です。裸の陽子 H+ は、電子を持つ他の原子や分子への抗しがたい魅力のために、溶液中やイオン結晶中に存在することはできません。プラズマに伴う高温を除いて、そのような陽子は原子や分子の電子雲から取り除くことができず、それらに付着したままになります。ただし、「プロトン」という用語は、このように他の種に結合した正電荷またはカチオン性水素を指すために比喩的に使用されることがあり、個々のプロトンが種として自由に存在するという意味ではなく、「H +」と呼ばれます。溶液中の裸の「溶媒和プロトン」の出現を避けるために、酸性水溶液は、「ヒドロニウムイオン」(H 3 O+)と呼ばれるあまりありそうもない架空の種を含むと考えられることがあります。ただし、この場合でも、そのような溶媒和水素カチオンは、H 9O+4 に近い種を形成する組織化されたクラスターとしてより現実的に認識されます。水が他の溶媒を含む酸性溶液中にある場合、他のオキソニウムイオンが見つかります。地球上では異国的な存在であるにもかかわらず、宇宙で最も一般的なイオンの 1 つは H+3 であり、プロトン化分子水素または三水素カチオンとして知られています。

同位体

水素には、1H、2H、および 3H と呼ばれる 3 つの天然同位体があります。他の非常に不安定な核 (4H から 7H) は実験室で合成されていますが、自然界では観察されていません。 1H は水素の最も一般的な同位体であり、存在量は 99.98% を超えます。この同位体の核は 1 つの陽子のみで構成されているため、記述的ではあるがめったに使用されない正式な名前であるプロチウムが与えられます。水素のもう 1 つの安定同位体である 2H は、重水素として知られており、核内に 1 つの陽子と 1 つの中性子を含んでいます。宇宙のすべての重水素はビッグバンの間に生成され、それから現在まで存在していると考えられています。重水素は放射性元素ではなく、重大な毒性の危険はありません。通常の水素の代わりに重水素を含む分子が豊富な水は、重水と呼ばれます。重水素とその化合物は、化学実験や 1H-NMR 分光法の溶媒で非放射性標識として使用されます。重水は原子炉の中性子減速材や冷却材として使われています。重水素はまた、商用核融合の潜在的な燃料でもあります。 3H はトリチウムとして知られており、核内に 1 つの陽子と 2 つの中性子を含んでいます。それは放射性であり、半減期 12.32 年のベータ崩壊によってヘリウム 3 に崩壊します。放射性が非常に高いため、夜光塗料に使用できるため、たとえば夜光文字盤を備えた時計の製造に役立ちます。ガラスは少量の放射線が逃げるのを防ぎます。宇宙線と大気ガスとの相互作用によって、少量のトリチウムが自然に生成されます。テスト中にトリチウムも放出されました核兵器. 同位体地球化学の指標として核融合反応で使用され、特殊な自家発電照明装置で使用されます。トリチウムは、放射性標識として化学的および生物学的標識実験にも使用されています。水素は、今日一般的に使用されている同位体の名前が異なる唯一の元素です。放射能の初期の研究中に、さまざまな重い放射性同位元素が与えられました。自分の名前、しかし、重水素と三重水素を除いて、そのような名前は使用されなくなりました。記号 D と T (2H と 3H の代わりに) は重水素と三重水素に使用されることがありますが、プロチウム P の対応する記号は既にリンに使用されているため、プロチウムには使用できません。その命名ガイドラインでは、国際純粋応用化学連合は、D、T、2H、および 3H のいずれかの記号を使用することを許可していますが、2H および 3H が優先されます。 1960年に発見されたアンチミュオンと電子の質量差から、アンチミュオンと電子からなるエキゾチック原子ミュオニウム（記号Mu）も、水素の軽い放射性同位体と見なされることがあります。ミューオンの寿命である 2.2 μs の間、ミューオニウムは、それぞれ塩化水素や水素化ナトリウムと同様に、塩化ムオニウム (MuCl) やムオン化ナトリウム (NaMu) などの化合物に入ることができます。

話

発見と使用

1671年、ロバート・ボイルは鉄くずと希酸の間の反応が水素ガスを発生することを発見し、記述しました。 1766 年、ヘンリーキャベンディッシュは水素ガスを個別の物質として認識した最初の人物であり、金属酸反応のためにガスを「可燃性空気」と名付けました。彼は、「可燃性空気」が実際には「フロギストン」と呼ばれる仮説上の物質と同一であることを示唆し、1781 年にガスが燃焼すると水が生成されることを再び発見しました。水素を元素として発見したのは彼だったと考えられています。 1783年、アントワーヌ・ラヴォアジエは、水素が燃焼すると水が生成されるというキャベンディッシュのデータをラプラスと一緒に再現したときに、元素に水素という名前を付けました(「水」を意味するギリシャ語ὑδρο-ヒドロと「創造者」を意味する-γενής遺伝子から)。 Lavoisier は大量実験を保存するために、火で加熱された白熱灯を通して蒸気の流れを金属鉄と反応させることによって水素を生成しました。高温での水のプロトンによる鉄の嫌気性酸化は、次の一連の反応で概略的に表すことができます。

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

ジルコニウムなどの多くの金属は、水と同様の反応を起こし、水素を生成します。水素は、1898 年に James Dewar によって再生冷凍と彼の発明である真空フラスコを使用して初めて液化されました。翌年、固体水素を製造。重水素は 1931 年 12 月にハロルド・ユーレイによって発見され、トリチウムは 1934 年にアーネスト・ラザフォード、マーク・オリファント、ポール・ハーテックによって調製されました。通常の水素の代わりに重水素でできている重水は、1932 年に Yurey のグループによって発見されました。 François Isaac de Rivaz は最初の Rivaz エンジン、内燃機関、1806年に水素と酸素によって推進されました。エドワード・ダニエル・クラークは、1819 年に水素ガス管を発明しました。 1823 年にデーベライナー鋼 (最初の本格的なライター) が発明されました。最初の水素気球は、1783 年にジャックシャルルによって発明されました。 1852 年に Henri Giffard が最初の水素で持ち上げられた飛行船を発明した後、水素は最初の信頼できる形の航空交通の台頭をもたらしました。ドイツのフェルディナンド・フォン・ツェッペリン伯爵は、後にツェッペリンと呼ばれる水素によって空中に持ち上げられる硬質飛行船のアイデアを推進しました。これらの最初の機体は 1900 年に初めて飛行しました。定期便は 1910 年に開始され、1914 年 8 月に第一次世界大戦が勃発するまでに、大きな事故もなく 35,000 人の乗客を運びました。戦争中、水素飛行船は観測プラットフォームや爆撃機として使用されました。 1919年、イギリスの飛行船R34が初の大西洋無着陸飛行に成功。定期旅客サービスは 1920 年代に再開され、米国でのヘリウム埋蔵量の発見は航空の安全性を向上させると考えられていましたが、米国政府はこの目的でガスを販売することを拒否したため、H2 はヒンデンブルク飛行船で使用されました。 1937 年 5 月 6 日、ニュージャージー州のミラノ火災。事件はラジオで生放送され、ビデオに録画されました。発火の原因は水素漏れであると広く考えられていましたが、その後の研究では、アルミコーティングされたファブリックコーティングが静電気によって発火したことが示されています。しかし、この時までに、リフトガスとしての水素の評判はすでに損なわれていました. 同年、1937 年にオハイオ州デイトンの Dayton Power & Light Co. によって、ローターとステーターの冷却剤として水素ガスを使用した最初の水素冷却タービン発電機が運転を開始しました。水素ガスの熱伝導率により、今日この分野で使用される最も一般的なガスです。ニッケル水素電池は、1977 年に米国航法技術衛星 2 号 (NTS-2) で初めて使用されました。 ISS、マーズオデッセイ、マーズグローバルサーベイヤーには、ニッケル水素電池が搭載されています。軌道の暗い部分では、ハッブル宇宙望遠鏡もニッケル水素電池で駆動されていますが、打ち上げから 19 年以上、設計から 13 年後の 2009 年 5 月に最終的に交換されました。

量子論における役割

陽子と電子のみの単純な原子構造のため、水素原子は、水素原子から生成または吸収される光のスペクトルとともに、原子構造理論の発展の中心となってきました。さらに、対応する水素分子と対応する H+2 カチオンの単純さの研究は、化学結合の性質の理解につながり、2020 年半ばの量子力学における水素原子の物理的扱いにすぐに続きました。明確に観察された (しかし当時は理解されていなかった) 最初の量子効果の 1 つは、完全な量子力学理論が存在する半世紀前の水素に関するマクスウェルの観察でした。マクスウェルは次のように指摘した。比熱 H2 は、室温以下で不可逆的に二原子ガスから離れ、極低温での単原子ガスの比熱容量にますます類似し始めます。によると量子論、この動作は、（量子化された）回転エネルギーレベルの間隔から生じます。これらは、質量が小さいため、H2 では特に広く間隔が空けられています。これらの広い間隔のレベルは、低温で水素の回転運動への熱エネルギーの均等な分割を防ぎます。より重い原子で構成されている珪藻ガスは、そのような広い間隔のレベルを持たず、同じ効果を示しません。反水素は、水素の反物質類似体です。陽電子と反陽子で構成されています。反水素原子は2015年現在、唯一確認されている反物質原子です。

自然の中にいる

水素は宇宙で最も豊富な化学元素であり、質量で通常の物質の 75%、原子数で 90% 以上を占めています。 (ただし、宇宙の質量のほとんどは、このような形ではありません。化学元素、しかし、暗黒物質や暗黒エネルギーなど、まだ発見されていない質量の形態を持っていると考えられています.) H2 分子雲は星形成に関係している。水素は、陽子-陽子反応と CNO サイクルの核融合を通じて、星を活性化する上で重要な役割を果たします。世界中で、水素は主に原子およびプラズマ状態で発生し、分子状水素とはまったく異なる特性を持っています。プラズマとして、水素の電子と陽子は互いに結合していないため、非常に高い電気伝導率と高い放射率が得られます (太陽や他の星から光を生成します)。荷電粒子は磁場や電場の影響を強く受けます。たとえば、太陽風では、地球の磁気圏と相互作用し、ビルケランド電流とオーロラを作り出します。水素は星間物質の中では中性原子状態にあります。エバネッセントリマンアルファ系で見つかった大量の中性水素は、赤方偏移 z = 4 までの宇宙の宇宙的バリオン密度を支配していると考えられています。地球上の通常の条件下では、水素元素は二原子ガス H2 として存在します。しかし、水素ガスは地球の大気中では非常にまれです (体積で 1 ppm)。軽量、これにより、重いガスよりも簡単に地球の重力に打ち勝つことができます。しかし、水素は地球の表面で 3 番目に豊富な元素であり、主に炭化水素や水などの化合物の形で存在します。水素ガスは一部のバクテリアや藻類によって生成され、ますます重要な水素源であるメタンと同様に、フルートの天然成分です。プロトン化水素分子 (H+3) と呼ばれる分子形態は、宇宙線からの水素分子の電離によって生成される星間物質に見られます。この荷電イオンは、木星の上層大気でも観測されています。イオンは比較的安定しています。環境温度と密度が低いためです。 H+3 は、宇宙で最も豊富なイオンの 1 つであり、星間物質の化学において重要な役割を果たしています。中性の三原子水素 H3 は、励起された形でしか存在できず、不安定です。対照的に、正の分子水素イオン (H+2) は、宇宙では珍しい分子です。

水素製造

H2 は、多くの場合、他の反応の副産物として、化学および生物学の実験室で生成されます。業界では不飽和基質の水素化。そして自然界では、生化学反応で還元当量を置換する手段として。

水蒸気改質

水素はいくつかの方法で製造できますが、経済的に最も重要なプロセスには、炭化水素からの水素の除去が含まれます。2000 年の水素製造の約 95% は水蒸気改質によるものです。商業的には、通常、大量の水素が天然ガスの水蒸気改質によって生成されます。で高温(1000-1400 K、700-1100 °C または 1300-2000 °F) 蒸気 (蒸気) はメタンと反応して一酸化炭素と H2 を生成します。

CH4 + H2O → CO + 3 H2

この反応は低圧で最もよく機能しますが、高圧 (2.0 MPa、20 気圧、または水銀柱 600 インチ) でも行うことができます。これは、高圧 H2 が最も一般的な製品であり、加圧過熱洗浄システムは高圧でより優れた性能を発揮するためです。生成混合物は、メタノールおよび関連化合物を生成するために直接使用されることが多いため、「合成ガス」として知られています。メタン以外の炭化水素を使用して、さまざまな製品比率の合成ガスを生成できます。この高度に最適化された技術の多くの複雑さの 1 つは、コークスまたは炭素の形成です。

CH4 → C + 2 H2

したがって、スチームリフォーミングでは通常、H2O が過剰に使用されます。追加の水素は、一酸化炭素を使用して、特に酸化鉄触媒を使用して水性ガスシフト反応を介して蒸気から回収できます。この反応は、二酸化炭素の一般的な工業的発生源でもあります。

CO + H2O → CO2 + H2

H2 のその他の重要な方法には、炭化水素の部分酸化があります。

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

そして石炭反応は、上記のシフト反応の前奏曲として機能します。

C + H2O → CO + H2

水素は、分離せずに同じ産業プロセスで生成および消費されることがあります。アンモニアを製造するハーバー法では、天然ガスから水素が生成されます。塩素を生成するための塩溶液電気分解は、副産物として水素も生成します。

金属酸

実験室では、H2 は通常、希薄な非酸化性酸と亜鉛などの特定の反応性金属をキップ装置で反応させることによって作られます。

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

アルミニウムは、塩基で処理すると H2 を生成することもあります。

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

水の電気分解は、水素を生成する簡単な方法です。水に低電圧の電流が流れ、アノードで酸素ガスが生成され、カソードで水素ガスが生成されます。典型的には、カソードは、貯蔵用の水素の生成において白金または別の不活性金属から作られる。しかしながら、ガスがその場で燃焼される場合、燃焼を促進するために酸素の存在が望ましく、したがって両方の電極は不活性金属で作られる。（たとえば、鉄は酸化するため、放出される酸素の量が減少します）。理論上の最大効率 (生成される水素のエネルギー値に対して使用される電力) は、80 ～ 94% の範囲です。

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

アルミニウムとガリウムの合金を水に加えた顆粒の形で水素を生成するために使用できます。このプロセスではアルミナも生成されますが、ペレット上に酸化皮膜が形成されるのを防ぐ高価なガリウムは再利用できます。水素は局所的に生成でき、輸送する必要がないため、これは水素の経済性に重要な潜在的影響を及ぼします。

熱化学的性質

水を分離するために使用できる熱化学サイクルは 200 以上あり、酸化鉄サイクル、酸化セリウム (IV) サイクル、酸化セリウム (III) サイクル、亜鉛 - 亜鉛酸化物サイクルなど、約 12 のサイクルがあります。電気を使用せずに水と熱から水素と酸素を生成するサイクル、ヨウ素硫黄サイクル、銅サイクル、および塩素と硫黄のハイブリッドサイクルが研究およびテストされています。多くの研究所 (フランス、ドイツ、ギリシャ、日本、米国を含む) は、太陽エネルギーと水から水素を生成するための熱化学的方法を開発しています。

嫌気性腐食

嫌気性条件下では、鉄と鋼の合金は水のプロトンによってゆっくりと酸化され、水素分子 (H2) で還元されます。鉄の嫌気性腐食は、最初に水酸化鉄 (緑錆) の形成につながり、次の反応で説明できます: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2。次に、嫌気性条件下では、水酸化鉄 (Fe (OH) 2) が水の陽子によって酸化され、マグネタイトと分子状水素が形成されます。このプロセスは、シコラ反応によって記述されます: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 水酸化鉄 → マグネシウム + 水 + 水素。よく結晶化した磁鉄鉱 (Fe3O4) は、水酸化鉄 (Fe(OH)2) よりも熱力学的に安定しています。このプロセスは、無酸素状態での鉄鋼の嫌気性腐食中に発生します。地下水地下水位以下の土壌を復元するとき。

地質起源：蛇紋岩化反応

深部に酸素（O2）がない場合地質条件、地球の大気から遠く離れた場所では、ファヤライト（Fe2SiO4、カンラン石鉄鉱物）の結晶格子に存在するケイ酸鉄（Fe2 +）の水プロトン（H +）による嫌気的酸化による蛇紋石化の過程で水素（H2）が形成されます。 . 磁鉄鉱 (Fe3O4)、石英 (SiO2)、および水素 (H2) の形成につながる対応する反応: 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 ファヤライト + 水 → 磁鉄鉱 + 石英 + 水素。この反応は、水と接触した水酸化鉄の嫌気性酸化で観察されるシコラ反応によく似ています。

変圧器の形成

電源トランスで生成されるすべての有害ガスの中で、水素が最も一般的であり、ほとんどの障害で生成されます。したがって、水素の生成は、変圧器のライフサイクルにおける重大な問題の初期の兆候です。

アプリケーション

さまざまなプロセスでの消費

石油および化学産業では、大量の H2 が必要です。 H2 の最大の用途は、化石燃料の処理 (「アップグレード」) とアンモニアの生産です。石油化学プラントでは、H2 は水素化脱アルキル化、水素化脱硫、水素化分解に使用されます。 H2 には他にもいくつかの重要な用途があります。 H2 は水素化剤として、特に不飽和脂肪や油 (マーガリンなどに含まれる) の飽和度を高めるために、またメタノールの製造に使用されます。また、塩酸の製造における水素の供給源でもあります。 H2 は、金属鉱石の還元剤としても使用されます。水素は、多くの希土類および遷移金属に非常に溶けやすく、ナノ結晶金属とアモルファス金属の両方に溶けます。金属への水素の溶解度は、結晶格子の局所的な歪みまたは不純物に依存します。これは、水素が高温のパラジウムディスクを通過することによって精製される場合に役立ちますが、ガスの高い溶解度は多くの金属を脆くする冶金学的問題であり、パイプラインと貯蔵タンクの設計を複雑にします. 試薬としての使用に加えて、H2 は物理学および工学において幅広い用途があります。原子水素溶接などの溶接法のシールドガスとして使用されます。 H2 は、どのガスよりも熱伝導率が高いため、発電所の発電機のローター冷却剤として使用されます。液体水素は、超電導の研究を含む極低温研究に使用されます。 H2 は空気より軽いため、密度は空気の 1/14 強で、かつては気球や飛行船の揚力ガスとして広く使用されていました。新しいアプリケーションでは、水素をそのまま使用するか、窒素と混合して (フォーミングガスと呼ばれることもあります)、漏れを即座に検出するためのトレーサーガスとして使用します。水素は、自動車、化学、エネルギー、航空宇宙、通信産業で使用されています。水素は、他の抗酸化特性の中でもとりわけ、食品漏れ試験を可能にする許可された食品添加物 (E 949) です。水素の希少同位体にも特定の用途があります。重水素 (水素-2) は、低速中性子減速材としての核分裂用途および核融合反応で使用されます。重水素化合物は、反応の同位体効果の研究において、化学および生物学の分野で使用されます。原子炉で生成されるトリチウム (水素-3) は、水素爆弾の製造、生物科学の同位体マーカー、発光塗料の放射線源として使用されます。平衡水素の三重点温度は、13.8033 ケルビンでの ITS-90 温度スケールの定義固定点です。

冷却媒体

水素は、その軽い二原子分子の直接の結果である多くの好ましい特性により、発電所で発電機の冷媒として一般的に使用されています。これらには、低密度、低粘度、およびあらゆるガスの最高の比熱容量と熱伝導率が含まれます。

エネルギーキャリア

水素はエネルギー資源ではありませんが、重水素やトリチウムを使用する商用核融合発電所という仮想的な状況を除いては、現在成熟にはほど遠い技術です。太陽のエネルギーは水素の核融合から来ていますが、このプロセスを地球上で達成することは困難です。太陽、生物、または電気源からの元素状水素は、それを生成するために燃焼するよりも多くのエネルギーを必要とするため、これらの場合、水素はバッテリーと同様にエネルギーキャリアとして機能します. 水素は化石源 (メタンなど) から得ることができますが、これらの源は枯渇します。燃料の単位質量あたりのエネルギー密度は高くなりますが、実際に達成可能な圧力での液体水素と圧縮気体水素の両方の単位体積あたりのエネルギー密度は、従来のエネルギー源よりも大幅に低くなります。しかし、元素水素は、将来の経済全体のエネルギーキャリアの可能性として、エネルギーの文脈で広く議論されてきました。例えば、化石燃料から水素を生成する時点で、CO2 の隔離とそれに続く炭素の回収と貯留を行うことができます。輸送に使用される水素は比較的クリーンに燃焼し、NOx をいくらか排出しますが、炭素は排出しません。ただし、水素経済への完全な移行に伴うインフラストラクチャのコストは相当なものになります。燃料電池は、内燃機関よりも効率的に水素と酸素を直接電気に変えることができます。

半導体産業

水素は、アモルファスシリコンとアモルファスカーボンのダングリングボンドを飽和させるために使用され、材料の特性を安定させるのに役立ちます。また、ZnO、SnO2、CdO、MgO、ZrO2、HfO2、La2O3、Y2O3、TiO2、SrTiO3、LaAlO3、SiO2、Al2O3、ZrSiO4、HfSiO4、および SrZrO3 を含むさまざまな酸化物材料の潜在的な電子供与体でもあります。

生物反応

H2 は、ある種の嫌気性代謝の産物であり、通常はヒドロゲナーゼと呼ばれる鉄またはニッケル含有酵素によって触媒される反応を通じて、いくつかの微生物によって生成されます。これらの酵素は、H2 とその 2 つの陽子および 2 つの電子成分との間の可逆的な酸化還元反応を触媒します。水素ガスの生成は、ピルビン酸の発酵によって生成された還元当量を水に移すことによって発生します。生物による水素の生成と消費の自然なサイクルは、水素サイクルと呼ばれます。水がその構成要素である陽子、電子、および酸素に分解されるプロセスである水分解は、すべての光合成生物の光反応で発生します。藻類のクラミドモナス・ラインハルディやシアノバクテリアなどの一部の生物は、葉緑体の特殊なヒドロゲナーゼによってプロトンと電子が還元されて H2 ガスを形成する暗反応の第 2 段階を進化させました。シアノバクテリアのヒドラーゼを遺伝子改変して、酸素の存在下でも水素ガスを効率的に合成する試みがなされてきました。バイオリアクターで遺伝子組み換え藻類を使用する取り組みも行われています。

水素はどんな気体ですか。 水素 - この物質は何ですか? 水素の化学的および物理的性質