Warning : Undefined variable $type in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/extensions/HeadScript/HeadScript.php on line 3 Warning : "continue" targeting switch is equivalent to "break". Did you mean to use "continue 2"? in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/json/FormatJson.php on line 297 Warning : Trying to access array offset on value of type bool in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/Setup.php on line 660 Warning : session_name(): Session name cannot be changed after headers have already been sent in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/Setup.php on line 834 Warning : ini_set(): Session ini settings cannot be changed after headers have already been sent in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/session/PHPSessionHandler.php on line 126 Warning : ini_set(): Session ini settings cannot be changed after headers have already been sent in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/session/PHPSessionHandler.php on line 127 Warning : session_cache_limiter(): Session cache limiter cannot be changed after headers have already been sent in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/session/PHPSessionHandler.php on line 133 Warning : session_set_save_handler(): Session save handler cannot be changed after headers have already been sent in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/session/PHPSessionHandler.php on line 140 Warning : "continue" targeting switch is equivalent to "break". Did you mean to use "continue 2"? in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/languages/LanguageConverter.php on line 773 Warning : Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/extensions/HeadScript/HeadScript.php:3) in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/Feed.php on line 294 Warning : Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/extensions/HeadScript/HeadScript.php:3) in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/Feed.php on line 300 Warning : Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/extensions/HeadScript/HeadScript.php:3) in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/WebResponse.php on line 46 Warning : Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/extensions/HeadScript/HeadScript.php:3) in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/WebResponse.php on line 46 Warning : Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/extensions/HeadScript/HeadScript.php:3) in /home/users/1/sub.jp-asate/web/wiki/includes/WebResponse.php on line 46
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miniwiki - 利用者の投稿記録 [ja]
2024-05-16T02:51:15Z
利用者の投稿記録
MediaWiki 1.31.0
水素
2018-07-03T13:27:30Z
<p>111.217.8.170: /* 代表的な用途 */</p>
<hr />
<div>{{redirect|Hydrogen|ソフトウェア|Hydrogen (ソフトウェア)}}<br />
{{Otheruses|元素|ゲームソフトウェア|水素 (ソフトウェア)}}<br />
{{元素<br />
|name = Hydrogen<br />
|japanese name = 水素<br />
|number = 1<br />
|symbol = H<br />
|left = -<br />
|right = [[ヘリウム]]<br />
|above = -<br />
|below = [[リチウム|Li]]<br />
|series = 非金属<br />
|series comment =<br />
|group = 1<br />
|period = 1<br />
|block = s<br />
|series colo r=<br />
|phase color =<br />
|appearance = 無色の気体<ref name="genso">{{Cite book|和書|author=桜井 弘|year=1997|title=元素111の新知識|publisher=[[講談社]]|pages=30-34|chapter=水素|isbn=4-06-257192-7}}</ref><br />
|image name = H,1.jpg<br />
|image size = 250px<br />
|image name comment =<br />
|image name 2 =<br />
|image size 2 =<br />
|image name 2 comment =<br />
|atomic mass = 1.00794<br />
|atomic mass 2 = 7<br />
|atomic mass comment =<br />
|electron configuration = 1s{{sup|1}}<br />
|electrons per shell = 1<br />
|color = 無色<ref name="genso" /><br />
|phase = 気体<br />
|phase comment =<br />
|density gplstp = 0.08988<ref name="genso" /><br />
|density gpcm3nrt =<br />
|density gpcm3nrt 2 =<br />
|desnity gpcm3nrt 3 =<br />
|density gpcm3mp =<br />
|melting point K = 14.01<ref name="genso" /><br />
|melting point C = &minus;259.14<ref name="genso" /><br />
|melting point F = &minus;434.45<br />
|melting point pressure =<br />
|sublimation point K =<br />
|sublimation point C =<br />
|sublimation point F =<br />
|sublimation point pressure =<br />
|boiling point K = 20.28<ref name="genso" /><br />
|boiling point C = &minus;252.87<ref name="genso" /><br />
|boiling point F = &minus;423.17<br />
|boiling point pressure =<br />
|triple point K = 13.8033<br />
|triple point kPa = 7.042<br />
|triple point K 2 =<br />
|triple point kPa 2 =<br />
|critical point K = 32.97<br />
|critical point MPa = 1.293<br />
|heat fusion = (H{{sub|2}}) 0.117<br />
|heat fusion 2 =<br />
|heat fusion pressure =<br />
|heat vaporization = (H{{sub|2}}) 0.904<br />
|heat vaporization pressure =<br />
|heat capacity = (H{{sub|2}}) 28.836<br />
|heat capacity pressure =<br />
|vapor pressure 1 =<br />
|vapor pressure 10 =<br />
|vapor pressure 100 =<br />
|vapor pressure 1 k =<br />
|vapor pressure 10 k = 15<br />
|vapor pressure 100 k = 20<br />
|vapor pressure comment =<br />
|crystal structure = [[六方晶系]]<br />
|oxidation states = 1, &minus;1<br />
|oxidation states comment = [[両性酸化物]]<br />
|electronegativity = 2.20<br />
|number of ionization energies = 1<br />
|1st ionization energy = 1312.0<br />
|2nd ionization energy =<br />
|3rd ionization energy =<br />
|atomic radius =<br />
|atomic radius calculated =<br />
|covalent radius = 31±5<br />
|Van der Waals radius = 120<br />
|magnetic ordering = [[反磁性]]<ref>{{PDF|[https://web.archive.org/web/20040324080747/http://www-d0.fnal.gov/hardware/cal/lvps_info/engineering/elementmagn.pdf Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds]}}（2004年3月24日時点の[[インターネットアーカイブ|アーカイブ]]）, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.</ref><br />
|electrical resistivity =<br />
|electrical resistivity at 0 =<br />
|electrical resistivity at 20 =<br />
|thermal conductivity = 0.1805<br />
|thermal conductivity 2 =<br />
|thermal diffusivity =<br />
|thermal expansion =<br />
|thermal expansion at 25 =<br />
|speed of sound = (gas, 27 °C) 1310<br />
|speed of sound rod at 20 =<br />
|speed of sound rod at r.t. =<br />
|Tensile strength =<br />
|Young's modulus =<br />
|Shear modulus =<br />
|Bulk modulus =<br />
|Poisson ratio =<br />
|Mohs hardness =<br />
|Vickers hardness =<br />
|Brinell hardness =<br />
|CAS number = 12385-13-6<br>1333-74-0 (H{{sub|2}})<ref name="kagaku">{{Cite book|和書|year=1996|title=12996の化学商品|publisher=[[化学工業日報]]|pages=233-234|chapter=水素|isbn=4-87326-204-6}}</ref><br />
|isotopes =<br />
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=1 | sym=H | na='''99.985%'''<ref name="genso" />| n=0 }}<br />
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=2 | sym=H | na=0.015%<ref name="genso" /> | n=1 | link=重水素 }}<br />
{{Elementbox_isotopes_decay | mn=3 | sym=H | na=[[微量放射性同位体|trace]] | hl=12.4 [[年|y]]<ref name="genso" /> | dm=[[β崩壊|β{{sup|&minus;}}]]<ref name="genso" /> | de=0.01861 | pn=3 | ps=[[ヘリウム|He]] | link=三重水素 }}<br />
}}<br />
'''水素'''（すいそ、{{lang-la-short|hydrogenium}}、{{lang-fr-short|hydrogène}}、{{lang-en-short|hydrogen}}）は、[[原子番号]] 1 、[[原子量]] 1.00794<ref name="genso" />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） '''H{{sub|2}}''' を指していることが多い。<br />
<br />
[[質量数]]が2（[[原子核]]が[[陽子]]1つと[[中性子]]1つ）の'''[[重水素]]'''（{{sup|2}}H）、[[質量数]]が3（[[原子核]]が[[陽子]]1つと[[中性子]]2つ）の'''[[三重水素]]'''（{{sup|3}}H）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（{{sup|1}}H）を'''軽水素'''とも呼ぶ。<br />
<br />
== 発見の歴史と名称の意味 ==<br />
[[File:Antoine_lavoisier.jpg|thumb|left|80px|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]]<br />
<br />
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{{fr|hydrogène}} と命名した<ref name="genso" />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<ref name="genso" />。<br />
<br />
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。[[フランス語|仏語]]の 「'''{{fr|hydrogène}}'''（イドロジェーヌ）」や、それを英語化した 「'''{{en|hydrogen}}'''（ハイドロジェン）」は、[[ギリシア語]]の 「{{lang|el|ὕδωρ}} ヒュドール」（ラテン文字表記：{{lang|lat|hydôr}}、＝「水」）と 「{{lang|el|γε&nu;&nu;ε&nu;}} ゲネン」（ラテン文字表記：{{lang|lat|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<ref name="genso" />。独語でも 「'''{{de|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。<br />
<br />
ただし中国語では、水素に「'''氫'''」（中国語読み：チン、ピンイン：qīng、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。<br />
<br />
== 分布 ==<br />
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{{分数|3|4}}を占め<ref><br />
{{cite web|last=Palmer|first=D.|title=What is the known percentage of hydrogen in the Universe and where is it?|url=https://imagine.gsfc.nasa.gov/ask_astro/cosmology.html|publisher=[[NASA]]|date=13 September 1997|accessdate=2010-05-08}}</ref>、総量数比では全原子の 90 % 以上となる<ref>{{cite journal| first = Edward| last = Anders| coauthors = Nicolas Grevesse| title = Abundances of the Elements-Meteoritic and Solar| journal = Geochimica et Cosmochimica Acta| year = 1989| volume = 53| pages = 197}}</ref>。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<ref name="genso" />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<ref name="genso" />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|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。<br />
<br />
水素原子は[[宇宙]]が誕生してから約38万年後<ref>{{Cite |和書 |author =[[クリエイティブ・スイート]]|||title = 宇宙の秘密|date = 2009| pages = 22|publisher =[[PHP研究所]]| series = |isbn=978-4-569-67352-3 |ref = harv }}</ref>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]]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。<br />
<br />
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<ref>{{cite web|title=宇宙科学入門第7回資料|url=http://www.sci.kagoshima-u.ac.jp/~nishio/KOUGI/InSP2003-7Resume.pdf|format=PDF| author=西尾正則|publisher=[[鹿児島大学]]理学部|accessdate=2010-05-09}}</ref>。<br />
<br />
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<ref name="Nikkei">{{Cite book|和書|year=2009|title=見えてきた太陽系の起源と進化|series=別冊 日経サイエンス |chapter=惑星の顔を決める大気流出|publisher=[[日経サイエンス]]|pages=134-142|isbn=978-4-532-51167-8}}</ref>。<br />
<br />
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<ref name="Nikkei" />。<br />
<br />
== 同位体 ==<br />
[[Image:Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schmatic-ja-textpath.svg|left|300px|thumb|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]]を、黒い丸は[[中性子]]を、そして青い丸は[[電子]]を表している。]]<br />
[[ファイル:Protium.svg|thumb|right|150px|水素の最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、唯一中性子を全く持っていないのが特徴である。<br />
<!--<br />
Protium, the most common isotope of hydrogen, has one proton and one electron. Unique among all stable isotopes, it has no neutrons (see diproton for a discussion of why others do not exist).<br />
--><br />
<!-- 英語版から意訳してみました。最適な訳がありましたら編集お願いします。--><br />
]]<br />
{{main|水素の同位体}}<br />
水素には、水素（軽水素）'''{{sup|1}}H''' 、[[重水素]] '''{{sup|2}}H''' （デュウテリウム、ジューテリウム<ref name="deuterium">{{Cite book|和書|year=1996|title=12996の化学商品|publisher=[[化学工業日報]]|pages=234-235|chapter=【重水素】|isbn=4-87326-204-6}}</ref>、略号'''D'''） 、[[三重水素]] '''{{sup|3}}H''' （トリチウム、略号'''T'''）の三つの[[同位体]]が知られている<ref name="genso" />。このうち、最も軽い {{sup|1}}H 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 D{{sub|2}} は H{{sub|2}} 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 {{frac|1|10}} 近くとなる<ref name="Lee">{{Cite book|和書|year=1982|title=リー 無機化学|author=J.D.Lee||translator=浜口博、菅野等|publisher=[[東京化学同人]]|pages=119-123|chapter=3.元素の一般的性質 水素|isbn=4-8079-0185-0}}</ref>。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{{sup|&minus;23}} 秒）ほどしかない<ref>{{lang|en|{{cite journal | author=G. Audi et al. | year=2003 | title=The {{smallcaps|Nubase}} evaluation of nuclear and decay properties | url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375947403018074?via%3Dihub | journal=Nuclear Physics A | volume=729 | issue=1 | page=27 | publisher=[[エルゼビア|Elsevier]] | doi=10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001}}}}</ref>。<br />
<br />
[[Image:HAtomOrbitals.png|right|thumb|300px|[[水素原子]]における[[電子]]の[[原子軌道|軌道]]は[[エネルギー]]の[[固有関数]]である。]]<br />
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<ref name="deuterium" />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。<br />
{{clear}}<br />
<br />
== 水素分子 ==<br />
[[Image:Emission spectrum-H.png|right|300px|thumb|水素の線[[スペクトル]]例。[[バルマー系列]]と呼ばれる。]]<br />
'''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]] '''H{{sub|2}}''' で表される[[単体]]である。[[分子量]] 2.01588、[[融点]] &minus;259.2 [[℃]]（常圧）、[[沸点]] &minus;252.6 ℃（常圧）、[[密度]] 0.0899 [[グラム|g]]/[[リットル|L]]、[[比重]] 0.0695（空気を 1 として）、臨界圧力 12.80 [[標準大気圧|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]]<ref name="kagaku" />。<br />
<br />
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全く起こさない。しかし何かしらの外部要因があればその限りではなく、例えば光がある状態では[[塩素]]と激しい反応を起こす<ref name="Lee" /><ref name="kagaku" />。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 % &mdash; 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<ref name="kagaku" />。<br />
<br />
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<ref name="kagaku" />。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。&minus;250 ℃ 以下で液化させると体積は {{frac|1|800}} となり、しかも軽いため低温貯蔵性には優れる<ref name="Tohoku">{{Cite book|和書|author=[[東北大学金属材料研究所]]|year=2009|title=金属材料の最前線|chapter=8.燃料電池と水素貯蔵材料|pages=241-259|publisher=[[講談社]]|isbn=978-4-06-257643-7}}</ref>。<br />
<br />
[[木星型惑星|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、H{{sub|2}}{{sup|+}} や [[プロトン化水素分子|H{{sub|3}}{{sup|+}}]]、単独の水素原子などの状態も観測されている。H{{sub|2}} 分子形状の雲は星の形成などに関係あると考えられており、特に新生惑星や衛星の観察時にはそれを注視することが多い。<br />
<br />
=== オルト水素とパラ水素 ===<br />
水素分子は、それぞれの[[原子核]]（[[陽子|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<ref name="Lee" />。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<ref name="Lee" />。統計的な重みが大きいほうをオルトと呼ぶ。<br />
<br />
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<ref name="Lee" />。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<ref name="Lee" />。<br />
<br />
== 金属水素 ==<br />
{{main|金属水素}}<br />
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]]に[[ローレンス・リバモア国立研究所]]のグループが、140 [[パスカル|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<ref>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}}</ref><ref>[http://www.nikkei-science.com/page/magazine/0008/hydrogen.html W・J・ネリス 「金属水素を作る」（日経サイエンスのページ）]</ref>。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。<br />
<br />
[[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。<br />
<br />
=== 超伝導の可能性 ===<br />
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<ref><br />
{{cite journal|last1=Ashcroft |first1=N.W.|year=1968 |title=Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? |journal=Physical Review Letters |volume=21 |pages=1748 |doi=10.1103/PhysRevLett.21.1748 |bibcode=1968PhRvL..21.1748A |issue=26 }}</ref>。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 [[ケルビン|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。<br />
<br />
[[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<ref>{{cite web|title=木星|url=http://www.fukuoka-edu.ac.jp/~kanamitu/study/tnp/tnpjp/nineplan/jupiter.htm |publisher=[[福岡教育大学]]金光研究室|accessdate=2010-05-09}}</ref>。<br />
<br />
== 物理的性質 ==<br />
[[Image:Hydrogen Gas Cylinder is Red in Japan.jpg|180px|right|thumb|水素用のボンベ]]<br />
[[File:Hydrogen balloon explosion.jpg|180px|right|thumb|水素の入った風船が爆発した瞬間]]<br />
元素およびガス状分子の中で最も軽く<ref name="kagaku" />、また[[宇宙]]で最も[[数]]が多く<ref name="genso" />、[[珪素]]量を10{{sup|6}}とした際の比率は2.79×10{{sup|10}}である<ref name="NewtonTable">{{Cite book|和書|year=2010|title=[[ニュートン (雑誌)|ニュートン]]別冊周期表第2冊 付録周期表|publisher=[[ニュートンプレス]]|isbn=978-4-315-51876-4}}</ref>。地球上では[[水]]や[[有機化合物]]の構成要素として存在する。<br />
<br />
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]]の[[ボンベ]]に保管するように決められている<ref name="kagaku" />。<br />
<br />
== 化学的性質 ==<br />
=== 水素化物 ===<br />
{{main|水素化合物}}<br />
{| class="wikitable" style="font-size: small; float: right; margin: 0 0 1em 1em"<br />
|+ 元素の水素化物<br />
! 化学式 !! IUPAC組織名<ref>IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry /[http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/ Recommendations 1979 and Recommendations 1993] by ACD Lab. Inc.）</ref> !! 慣用名<br />
|-<br />
| BH{{sub|3}} || [[ボラン]] ||ホウ化水素<br />
|-<br />
| CH{{sub|4}} || カルバン || [[メタン]]<br />
|-<br />
| NH{{sub|3}} || アザン || [[アンモニア]]<br />
|-<br />
| H{{sub|2}}O || オキシダン || [[水]]<br />
|-<br />
| HF || [[フッ化水素]] ||<br />
|-<br />
| AlH{{sub|3}} || アラン || [[水素化アルミニウム]]<br />
|-<br />
| SiH{{sub|4}} || [[シラン (化合物)|シラン]] || 水素化ケイ素<br />
|-<br />
| PH{{sub|3}} || ホスファン || [[ホスフィン]]<br />リン化水素<br />
|-<br />
| H{{sub|2}}S || スルファン || [[硫化水素]]<br />
|-<br />
| HCl || [[塩化水素]] ||<br />
|-<br />
| GaH{{sub|3}} || [[ガラン (化合物)|ガラン]] || 水素化ガリウム<br />
|-<br />
| GeH{{sub|4}} || ゲルマン || [[水素化ゲルマニウム]]<br />
|-<br />
| AsH{{sub|3}} || アルサン || [[アルシン]]<br />
|-<br />
| H{{sub|2}}Se || セラン || [[セレン化水素]]<br />
|-<br />
| HBr || [[臭化水素]] ||<br />
|-<br />
| SnH{{sub|4}} || スタナン || [[水素化スズ]]<br />
|-<br />
| SbH{{sub|3}} || スチバン || [[スチビン]]<br />
|-<br />
| H{{sub|2}}Te || テラン || [[テルル化水素]]<br />
|-<br />
| HI || [[ヨウ化水素]] ||<br />
|-<br />
| PbH{{sub|4}} || [[プルンバン]] || 水素化鉛<br />
|-<br />
| BiH{{sub|3}} || ビスムタン || [[ビスムチン]]<br />
|}<br />
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 H{{sub|2}}O 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<ref name="Lee123-126">{{Cite book|和書|year=1982|title=リー 無機化学|author=J.D.Lee|translator=浜口 博、菅野 等|publisher=[[東京化学同人]]|pages=123-126|chapter=3.元素の一般的性質 水素化物|isbn=4-8079-0185-0}}</ref>。<br />
<br />
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<ref name="Lee123-126" />。イオン結合型の化合物の中では、水素は H{{sup|&minus;}} 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<ref name="Lee123-126" />。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。<br />
<br />
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{{sup|+}} 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{{sup|+}}（ヒドロン）ではなく、水分子と結合して H{{sub|3}}O{{sup|+}}（[[オキソニウムイオン]]） として振舞う。<br />
<br />
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。<br />
;水素を含む有機化合物の例：<br />
* [[メタン]] : CH{{sub|4}}<br />
* [[エタノール]] : C{{sub|2}}H{{sub|5}}OH<br />
* [[ベンゼン]] : C{{sub|6}}H{{sub|6}}<br />
<br />
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。<br />
<br />
=== 水素イオンと水素化物イオン ===<br />
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。{{sup|1}}H{{sup|+}} 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{{sup|+}}、[[重水素|D]]{{sup|+}}、[[三重水素|T]]{{sup|+}} 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。<br />
<br />
水素イオンの濃度 {{math|[H{{sup|+}}]}} 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{{sup|+}}]濃度は 1 から 10{{sup|&minus;14}} mol/L 程度の広い範囲を取り、pH では 0 &ndash; 14 程度となる。中性の水には約 10{{sup|&minus;7}} mol/L の水素イオンが存在し、pH は約 7 となる<ref name="genso" />。<br />
<br />
=== ヒドロン・プロトンとヒドロニウムイオン ===<br />
{{math|H{{sup|+}}}} であれ {{math|D{{sup|+}}}} 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{{sup|&minus;1}}、遊離状態の水素イオンの[[水和]]エネルギーは1091 kJ mol{{sup|&minus;1}}と見積もられており<ref name="Lee123-126" />、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。<br />
: <math>\rm{H}^+ (g) \longrightarrow rm{H}^+ (aq)</math><br />
<br />
極性溶媒中では、[[水]]、[[アルコール]]、[[エーテル (化学)|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。<br />
<br />
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。<br />
<br />
=== ヒドリド ===<br />
:<div>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。</div><br />
{{Chembox<br />
| Name = ヒドリド<br />
| SystematicName = Hydride<ref>{{Cite web|url = https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/166653|title = Hydride - PubChem Public Chemical Database|work = The PubChem Project|location = USA|publisher = National Center for Biotechnology Information|accessdate=2016/05/19}}</ref><br />
| OtherNames = Hydrogen anion,<br/>Hydride ion,<br/>Hydride anion<ref>{{cite|url=https://cameochemicals.noaa.gov/chemical/3592|location=Alternate Chemical Names|publisher=Cameo Chemicals|edition=version 2.6|title=METAL HYDRIDES, WATER-REACTIVE, N.O.S.|accessdate=2016/05/19}}</ref><br />
|Section1={{Chembox Identifiers<br />
| CASNo = 12184-88-2<br />
| CASNo_Ref=<ref>{{cite|publisher=The National Institute of Standards and Technology (NIST)|work=NIST Standard Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook|title=Hydrogen anion|url=http://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/H/q-1|accessdate=2016年5月19日}}</ref><br />
| PubChem = 166653<br />
| ChemSpiderID = 145831<br />
| ChemSpiderID_Ref = {{chemspidercite|correct|chemspider}}<br />
| ChEBI = 29239<br />
| Gmelin = 14911<br />
| UNII =<br />
| UNNumber = 1409<br />
| SMILES = [H-]<br />
| StdInChI = 1S/H/q-1<br />
| StdInChI_Ref = {{stdinchicite|correct|chemspider}}<br />
| StdInChIKey = KLGZELKXQMTEMM-UHFFFAOYSA-N<br />
| StdInChIKey_Ref = {{stdinchicite|correct|chemspider}}<br />
}}<br />
|Section2={{Chembox Properties<br />
| Formula = {{Chem|H|-}}<br />
<!--<br />
| H=1<br />
--><br />
| MolarMass = 1.00794<br />
}}<br />
|Section3={{Chembox Thermochemistry<br />
| Entropy = 108.96 J K{{sup|−1}} mol{{sup|−1}}<br />
}}<br />
}}<br />
'''ヒドリド'''(別名、水素化物イオン、ヒドリドイオン<ref>{{cite|url=http://togodb.dbcls.jp/scientific_term_ja_vs_en/show/24121|publisher=LSDB|title=学術用語の日本語と英語の対応}}</ref><ref>{{Citation|url=http://www.jst.go.jp/pr/announce/20070427/yougo.html|title=用語解説|location=（注２）ヒドリドイオン|accessdate=2017-07-25|publisher=科学技術振興機構（ＪＳＴ）}}</ref><ref>{{Cite|url=https://kotobank.jp/word/%E3%83%92%E3%83%89%E3%83%AA%E3%83%89%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3-1692867|publisher=コトバンク|accessdate=2016/05/19|title=ヒドリドイオン}}</ref>、{{lang-en-short|[[:en:hydride|hydride]]}}、{{lang-en-short|[[:en:hydrogen anion|hydrogen anion]]}}、化学記号:'''H{{sup|&minus;}}'''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。<br />
<br />
ヒドリドは極めて弱い酸でもある水素分子 ([[酸解離定数|{{pKa}}]] = 35) の[[共役塩基]]であるので、[[強塩基]]として振舞う。<br />
<br />
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&minus;2.25 Vと見積もられている。<br />
: <ce>H2(g)\ + 2\mathit{e}^- -> 2H^-(aq)</ce><br />
<br />
=== 周期表上の位置 ===<br />
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<ref>[[ハロゲン]]に近い性質を持つため、1周期系列と[[第17族元素|17族]]の位置に変更すべきというもの。</ref>とする論文が IUPAC に提出され、公式雑誌に掲載された<ref>{{Cite book|和書|author=玉尾皓平、桜井弘、福山秀敏|year=2006|title=完全図解周期表 - 自然界のしくみを理解する第1歩|series=ニュートンムック - サイエンステキストシリーズ|publisher=ニュートンプレス|isbn=978-4315517897}}</ref>。<br />
<br />
== 水素分子の生産 ==<br />
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<ref name="kagaku" />。<br />
* <ce>C_nH_{2n{+}2}\ + nH2O -> nCO\ + (2n{+}1)H2</ce><br />
* <ce>C_nH_{2n{+}2}\ + 2nH2O -> nCO2\ + (3n{+}1)H2</ce><br />
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<ref name="kagaku" />。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<ref name="kagaku" />。<br />
<br />
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 608,008×10{{sup|3}} m{{sup|3}}、工業消費量は 374,621×10{{sup|3}} m{{sup|3}}である<ref>[http://www.meti.go.jp/statistics/tyo/seidou/result/ichiran/08_seidou.html#menu5 経済産業省生産動態統計年報 化学工業統計編]</ref>。<br />
<br />
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。<br />
<br />
実験室レベルにおいては工業的に生産された[[ボンベ|ガスボンベ]]入りの水素ガスを利用する。実験の際は防爆環境にて行われる。<br />
<br />
== 用途 ==<br />
[[Image:Shuttle Main Engine Test Firing cropped edited and reduced.jpg|right|200px|thumb|[[スペースシャトル]]の[[SSME|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<ref name="NewtonTable2">{{Cite book|和書|year=2010|title=[[ニュートン (雑誌)|ニュートン]]別冊周期表第2冊 付録周期表|pages=86-87|publisher=[[ニュートンプレス]]|isbn=978-4-315-51876-4}}</ref>。]]<br />
<br />
=== 代表的な用途 ===<br />
* [[原料]] - [[アンモニア]]の製造（[[ハーバー・ボッシュ法]]）<ref name="Lee" />の他、[[塩素]]ガスと混合し光を当てて反応させる[[塩酸]]の製造<ref name="genso" />、[[油脂]]に添加して炭素同士の[[二重結合]]数を減らし固体化する改質（[[トウモロコシ]]油や[[綿実油]]の[[マーガリン]]化など）<ref name="genso" />、[[脱硫]]など、多方面に利用されている。<br />
* [[還元剤]] - 金属[[鉱石]]（酸化物）の還元<ref name="genso" />、[[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]]の触媒還元、一酸化炭素を還元する[[メチルアルコール]]合成などに使われる<ref name="Lee" />。<br />
* [[燃料]] - 燃やしても水以外の排出物、例えば、[[粒子状物質]]や[[二酸化炭素]]などの[[排気ガス]]を出さないことから、[[代替エネルギー]]として期待されている<ref name="Tohoku" />。ただし、燃焼条件により[[窒素酸化物]]が生成することは不可避である。[[内燃機関]]の燃料として[[水素燃料エンジン]]を積んだ[[水素自動車]]が発売されている他、[[ロケット]]の燃料や[[燃料電池]]に使用されている。<br />
* [[食品添加物]]<ref>[http://www.ffcr.or.jp/zaidan/MHWinfo.nsf/a11c0985ea3cb14b492567ec002041df/c3f4c591005986d949256fa900252700?OpenDocument 既存添加物名簿収載品目リスト]（日本食品化学研究振興財団、平成26年2月6日更新）2016年6月30日閲覧。</ref><ref>[http://www.fda.gov/Food/IngredientsPackagingLabeling/GRAS/NoticeInventory/ucm432907.htm Agency Response Letter GRAS Notice No. 520] FDA, November 28, 2014.</ref>。<br />
<br />
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。<!--「生産」の節にあった元の文章は「現時点では、このように原料が化石燃料であるため、水素を燃料として利用しても温暖化対策にはならない。」。CnH2n+2 + [O] -> n H2O + n CO2 を意識した表現に直します--><br />
<br />
* 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<ref name="genso" />。この性質から[[気球]]や[[飛行船]]などに用いられていたが、大爆発事故が起きて以来、危険性の少ない[[ヘリウム]]で代用されるようになった。<br />
* [[寒剤|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、一部の発電所では、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<ref name="genso" />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しなければならないという作業が発生する。<br />
* 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<ref>「水の活性化と機能水-表面処理における各種対策について」『鍍金の世界』41(4)[2008.4]、52〜56頁。</ref>、半導体の基板表面の微粒子除去・洗浄に用いられる<ref>黒部洋（栗田工業株式会社）「機能水の製造方法および洗浄効果 オプト・半導体デバイスにおけるウェットプロセスの技術トレンド（薬品・機能水編）」『マテリアルステージ』7(10)[2008.1]、40〜43頁。</ref>。<br />
* [[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<ref name="Lee" />。<br />
* 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使用中に付きまとうなど、危険であるため使用されていない。<br />
<br />
=== エネルギー利用 ===<br />
水素は[[エネルギー変換効率]]が高く、[[燃焼]]すると[[水]]（[[水蒸気]]）となり、[[温室効果ガス]]とされる[[二酸化炭素]]や[[大気汚染]]物質を排出しない。現状では、水素は主に[[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]]等を利用することにより、化石燃料に拠らないで製造できる可能性がある。このため、将来性の高い[[エネルギー貯蔵|エネルギーの輸送及び貯蔵手段]]として期待される<ref name="Tohoku" />。<br />
<br />
水素は様々な利用法が考えられている。燃焼を直接使う方法としては[[水素自動車]]が挙げられるほか、[[火力発電]]の燃料に水素を混ぜて二酸化炭素などを減らす技術が研究されている<ref>[https://www.nikkei.com/article/DGXLASDZ26HR3_W7A720C1MM8000/ 「水素を発電燃料に 千代田化工など、東南アから輸入」]『日本経済新聞』電子版（2017年7月27日）2018年5月11日閲覧</ref>。<br />
<br />
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]]は既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。<br />
<br />
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。<br />
<br />
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。<br />
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。<br />
<br />
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。<br />
<br />
==== 燃料電池 ====<br />
[[File:Toyota mirai.JPG|thumb|right|200px|[[燃料電池車]]、[[トヨタ・MIRAI]]]]<br />
{{main|燃料電池}}<br />
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 &ndash; 酸素型燃料電池は[[19世紀]]中ごろには実験的に成功したが、生活家電などの分野へは応用されず、[[20世紀]]の宇宙開発を通じて技術検討が進んだ。燃料電池は現時点の技術においては発電効率が 35 &ndash; 60 %と高く、発熱エネルギーを回収することが出来れば 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[[メタノール]]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<ref name="Tohoku" />。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。<br />
<br />
==== 貯蔵技術 ====<br />
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 % &mdash; 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<ref name="Tohoku" />。<br />
<br />
従来からの貯蔵手法では、高圧化と液体化の２つがある。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 &ndash; マグネシウム &ndash; 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<ref name="Tohoku" />。<br />
<br />
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 {{frac|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 &ndash; 500 kg 程度が必要になる<ref name="Tohoku" />。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<ref name="Tohoku" />。<br />
<br />
== 水素循環社会 ==<br />
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。<ref>{{cite web|author=古川一夫 |date=2015-03-02 |url=http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100363.html |title=水素社会構築に向け、新たな研究開発を開始 |accessdate=2015-07-11}}</ref><br />
<br />
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。{{仮リンク|高分子固体電解質|en|Polymer electrolyte membrane electrolysis}}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。<br />
<br />
==生体研究==<br />
{{See also|水素水}}<br />
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<ref name="ビブリオ">{{Cite journal |和書|author=李強、田中良晴、田中博司、三羽信比古 |title=水素医学研究概況及び関連文献のビブリオメトリックス解析 |date=2015-03 |journal=大阪物療大学紀要 |volume=3 |issue= |naid=110009914847 |pages=31-40 }} [[WP:PSTS|二次資料]]</ref>。<br />
<br />
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<ref name="pmid26483953">{{cite journal |authors=Ichihara M, Sobue S, Ito M, Ito M, Hirayama M, Ohno K |title=Beneficial biological effects and the underlying mechanisms of molecular hydrogen - comprehensive review of 321 original articles |journal=Med Gas Res |volume=5 |issue= |pages=12 |year=2015 |pmid=26483953 |pmc=4610055 |doi=10.1186/s13618-015-0035-1 |url=http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4610055/}} [[WP:PSTS|二次資料]]</ref>。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<ref name="treat1975">{{Cite journal |author=Dole M, Wilson FR, Fife WP. |title=Hyperbaric hydrogen therapy: a possible treatment for cancer |date=1975 |journal=Science|volume=190 |issue=4250 |pmid=1166304 |pages=152-4 }}</ref><ref name="疾患予防・治療効果">{{Cite journal |和書|author=大澤郁朗 |title=水素分子の疾患予防・治療効果 |date=2013 |journal=日本透析医学会雑誌 |volume=28 |issue=2 |pages=261-267}}</ref>、注目はされなかった<ref name="疾患予防・治療効果"/><ref name="ビブリオ"/>。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<ref name="pmid26483953"/>。こうした研究は数が限られている<ref name="pmid26483953"/>。<br />
<br />
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<ref name="Nicolsonde Mattos2016">{{cite journal|last1=Nicolson|first1=Garth L.|last2=de Mattos|first2=Gonzalo Ferreira|last3=Settineri|first3=Robert|last4=Costa|first4=Carlos|last5=Ellithorpe|first5=Rita|last6=Rosenblatt|first6=Steven|last7=La Valle|first7=James|last8=Jimenez|first8=Antonio|last9=Ohta|first9=Shigeo|title=Clinical Effects of Hydrogen Administration: From Animal and Human Diseases to Exercise Medicine |url=http://file.scirp.org/Html/5-2101253_62945.htm |journal=International Journal of Clinical Medicine|volume=07|issue=01|year=2016|pages=32–76|issn=2158-284X|doi=10.4236/ijcm.2016.71005}} [[WP:PSTS|二次資料]]</ref>。<br />
<br />
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<ref name="pmid26483953"/>。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<ref name="naid130005632038">{{Cite journal |和書|author1=中尾篤典 |date=2017 |title=水素水は怪しい水でしょうか? |journal=岡山医学会雑誌 |volume=129 |issue=1 |pages=9-15 |naid=130005632038 |doi=10.4044/joma.129.9 |url=http://dx.doi.org/10.4044/joma.129.9}}</ref>。<br />
<br />
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<ref name="pmid27334126">{{cite journal |vauthors=Tamura T, Hayashida K, Sano M, et al. |title=Feasibility and Safety of Hydrogen Gas Inhalation for Post-Cardiac Arrest Syndrome - First-in-Human Pilot Study |journal=Circ. J. |volume=80 |issue=8 |pages=1870–3 |year=2016 |pmid=27334126 |doi=10.1253/circj.CJ-16-0127}}</ref>。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<ref>{{Cite web |url=http://www9.nhk.or.jp/kabun-blog/200/238200.html |title=心停止の患者 水素で脳ダメージ軽減 臨床研究開始へ |publisher=NHK科学文化部ブログ|date=2016-2-20 |accessdate=2017-04-01}}</ref>。これは[[保険外併用療養費#先進医療|先進医療]]Bに認定されている<ref>[http://www.mhlw.go.jp/file/05-Shingikai-10801000-Iseikyoku-Soumuka/0000125069_2.pdf 先進医療 B 実施計画等評価表（番号 B066） ]2016年7月14日</ref>。<br />
<br />
[[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<ref>入江 潤一郎、伊藤 裕、「[http://doi.org/10.11281/shinzo.44.1498 腸管環境と心血管病]」、『心臓』Vol. 44 (2012) No. 12</ref>。<br />
<br />
== 水素と似た粒子 ==<br />
{{節スタブ|1=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称（多数存在すると書いてあるため）|date=2018年2月}}<br />
<br />
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。なお、水素と似たような化学反応を起こす粒子もある。<br />
<br />
* [[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。<br />
* [[反水素]]：陽子を[[反陽子]]に、電子を[[陽電子]]に置き換えた粒子。<br />
* [[プロトニウム]]：電子を反陽子に置き換えた粒子。<br />
* [[ポジトロニウム]]：陽子を[[陽電子]]に置き換えた粒子。<br />
* [[ミューオニウム]]：陽子を[[ミュー粒子|反ミュー粒子]]に置き換えた粒子。<br />
* [[リュードベリ原子]]: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一つの電子が飛び回っている粒子。<br />
<br />
== 脚注 ==<br />
{{Reflist|2}}<br />
<br />
== 参考文献 ==<br />
* Anders, Edward, Nicolas Grevesse (1989). "Abundances of the Elements-Meteoritic and Solar". ''Geochimica et Cosmochimica Acta'' 53: 197<br />
* 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<br />
* 桜井 弘、『元素111の新知識』 講談社、1997年 ISBN 4-06-257192-7<br />
* 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<br />
* 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<br />
* 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<br />
* 『12996の化学商品』 化学工業日報、1996年 ISBN 4-87326-204-6<br />
* 『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<br />
* 『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<br />
<br />
== 関連項目 ==<br />
{{Commons|Hydrogen}}<br />
{{wiktionary}}<br />
* [[水素の同位体]]<br />
** [[重水素]] - [[三重水素]]<br />
* [[液体水素]]<br />
* [[スラッシュ水素]]<br />
* [[熱化学水素製造]]<br />
<br />
=== 物理学 ===<br />
* [[21cm線]]（[[電波天文学]]）<br />
* [[核スピン異性体]]<br />
* [[水素原子におけるシュレーディンガー方程式の解]]<br />
* [[反水素]]<br />
* [[ボーアの原子模型]]<br />
* [[ミュオニウム]]<br />
* [[リュードベリ定数]] - [[バルマー系列]] - [[ライマン系列]] - [[プント系列]]<br />
<br />
=== 化学 ===<br />
* [[水素化]]<br />
* [[水素結合]]<br />
* [[水素ぜい化|水素脆化]]<br />
* [[水素爆発]]<br />
<br />
=== 利用 ===<br />
* [[水素吸蔵合金]]<br />
* [[水素自動車]] - [[水素燃料エンジン]] - [[水素ロータリーエンジン]]<br />
* [[水素水]]<br />
* [[水素爆弾]]<br />
* [[ニッケル・水素充電池]]<br />
* [[燃料電池]]<br />
<br />
=== 文学 ===<br />
* [[水素製造法]]（小説）<br />
<br />
== 外部リンク ==<br />
* {{EoE|Hydrogen|Hydrogen}}<br />
* {{ICSC|0001|title=水素（圧力容器）}}<br />
* [http://www.jimga.or.jp/front/bin/ptlist.phtml?Category=7130 水素の有効利用ガイドブック] - 一般社団法人日本産業・医療ガス協会<br />
<br />
{{元素周期表}}<br />
{{二原子分子}}<br />
{{自動車用燃料}}<br />
<br />
{{Good article}}<br />
{{Normdaten}}<br />
{{DEFAULTSORT:すいそ}}<br />
[[Category:水素|*]]<br />
[[Category:水素の化合物|*]]<br />
[[Category:燃料]]<br />
[[Category:自動車用燃料]]<br />
[[Category:還元剤]]</div>
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