1 H 水素 1.008
非金属 s-block Period 1 Group 1

水素

H · Element 1 · Alkali metals

The simplest atom there is — one proton, one electron — and about 90% of every atom in the universe.

20°Cでの状態 気体
原子量 1.008 u
ELECTRON CONFIGURATION 1s¹
All 118 2He

構造

水素原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質について水素が118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 8.99e-5 g/cm³ 0%
融点 14 K 1%
沸点 20.3 K 1%
比熱 14.304 J/g·K
熱伝導率 0.18 W/m·K 11%

原子

原子半径 53 pm 3%
共有結合半径 31 pm
ファンデルワールス半径 120 pm

電子

電気陰性度 2.2 78%
イオン化エネルギー 1312.2 kJ/mol 94%
電子親和力 72.4 kJ/mol 57%

存在

地殻中の存在度 1400 mg/kg 91%

同定

元素記号H
原子番号1
原子量1.008 u
分類非金属
ブロックs
結晶構造六方晶系
酸化数-1, +1
発見年1766
発見者Henry Cavendish

出典：IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a 水素 atom?

Radius 53 pm — that is 0.053 nm, so about 9434 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

水素 is liquid over a 6 K window, from 14 K to 20 K.

位置

表での位置

水素 sits in period 1, group 1. Everything in group 1 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 非金属

6C 7N 8O 15P 16S 34Se
All 非金属

物語

水素とは何か、そしてどのように発見されたか

宇宙の基盤となる元素

水素は、宇宙で最も単純で、最も存在量の多い元素であり、通常の物質全体の約75%を構成しています。陽子1個と電子1個だけからなる水素は、恒星の内部で他のすべての元素が作られる基礎となる構成要素です。

物理的性質

標準状態では、水素は無色、無臭、無味の二原子分子の気体（H₂）として存在します。密度が空気の14分の1である最も軽い元素のため、水素を満たした風船は急速に上昇します。水素は極めて低温の-253°C（-423°F）で液体になり、-259°C（-434°F）で固体になります。

化学的特徴

水素は、反応条件に応じて還元剤と酸化剤の両方として働く独特な化学的挙動を示します。非金属とは共有結合を、活性金属とはイオン化合物を容易に形成します。H-H結合の結合エネルギーは436 kJ/molであるため、H₂は比較的安定しており、ほとんどの反応には活性化エネルギーが必要です。

同位体の種類

プロチウム（¹H）：存在度99.985% ― 中性子を持たない「通常の」水素

重水素（²HまたはD）：存在度0.015% ― 中性子を1個持つ「重い水素」で、核融合に使用されます

トリチウム（³HまたはT）：微量 ― 中性子を2個持つ放射性同位体で、半減期は12.3年です

用途

水素の用途

革新的な産業用途

🚀 宇宙・エネルギー技術

  • ロケット燃料：液体水素はNASAのSpace Launch SystemとSpaceX Starshipの上段を推進し、化学燃料の中で最も高い比推力（効率）を実現します
  • 燃料電池：Toyota MiraiとHyundai NEXOは水素燃料電池を使用し、H₂ + O₂ → H₂O + 電気の変換を行い、排出物をゼロにします
  • グリーンエネルギー貯蔵：余剰の再生可能エネルギーで水を電気分解し、後の発電に使う水素を製造します

🏭 化学製造

  • アンモニア製造（ハーバー法）：450°C、200気圧でN₂ + 3H₂ → 2NH₃の反応を行い、肥料用に年間1億7500万トンを製造します
  • メタノール合成：250°Cで銅・亜鉛触媒を用いてCO + 2H₂ → CH₃OHの反応を行い、プラスチックや燃料を製造します
  • 水素化：ニッケル触媒を用いて、不飽和脂肪をマーガリンやショートニングの製造に使われる飽和脂肪へ変換します
  • 水素化分解：400°C、100気圧以上で水素を用いて重質石油分子を分解し、ガソリンやディーゼルを製造します

🔬 先端技術

  • 半導体製造：超高純度の水素が還元性雰囲気を作り、ケイ素チップの製造に使われます
  • フロートガラス法：水素と窒素の雰囲気が、窓ガラス製造中の酸化を防ぎます
  • 金属加工：水素が金属酸化物を純金属に還元します：CuO + H₂ → Cu + H₂O
  • 溶接：原子状水素溶接では、溶接点でH原子を再結合させることにより4000°Cに達します

取り扱い

安全性

包括的な安全情報

⚠️ 主な危険性

可燃性ガス ― 極めて重大な火災危険

  • 着火範囲：空気中で4～75%（あらゆる気体の中で最も広い範囲）
  • 自然発火温度：500°C（932°F）
  • 燃焼速度：最大3.46 m/s ― 極めて速く燃焼します
  • 見えにくい炎：水素は日光の下で、ほとんど見えない淡青色の炎を上げて燃えます

🛡️ OSHAばく露限界

  • 定められたばく露限界はありません ― 水素は生理学的に不活性です
  • 窒息リスク：濃度が25%を超えると酸素を置換する可能性があります
  • 単純窒息性ガス：酸素を置換するため、閉鎖空間では危険です

🧤 個人用保護具

  • 目の保護：液体水素を扱う場合は保護眼鏡またはフェイスシールドを使用します
  • 皮膚の保護：極低温の液体水素には断熱手袋を使用します
  • 呼吸用保護具：濃度が10%を超える場合は自給式呼吸器を使用します
  • 衣類：静電気の蓄積を防ぐためゆったりしたものを着用し、合成素材は使用しません

📦 保管要件

  • 気体の保管：150～200 barの圧力で鋼製シリンダーに保管します
  • 液体の保管：-253°Cの二重壁真空断熱デュワーに保管します
  • 場所：着火源から離れた、十分に換気された場所に置きます
  • 接地：静電気放電を防ぐため、すべての機器を接地する必要があります
  • 検知：水素センサー（接触燃焼式または熱伝導率式）が必要です

🚨 緊急時の手順

ガス漏れ：

  • 直ちに区域から避難します ― 水素は上昇し、天井付近に蓄積します
  • 50フィート以内にあるすべての着火源を除去します
  • 区域の上部から下方へ換気します
  • 火花の出ない工具だけを使用します

火災：

  • 発生源を止められない場合は、水素の炎を消火してはいけません
  • 水を噴霧して周辺機器を冷却します
  • 容器の音が変化したり、変色したりした場合は、直ちに退避します

極低温物質へのばく露：

  • 凍傷の処置：患部をぬるま湯で徐々に温めます
  • 凍傷になった部位をこすってはいけません
  • 重度のばく露の場合は、直ちに医療機関を受診します

簡単な回答

水素：よくある質問

What is 水素?

水素 (symbol H) is element 1 on the periodic table, a 非金属 in period 1, group 1. The simplest atom there is — one proton, one electron — and about 90% of every atom in the universe. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of 水素?

水素's ground-state electron configuration is 1s¹, giving 1 occupied shell holding 1 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 水素?

水素 melts at 14 K (-259.1 °C) and boils at 20.3 K (-252.9 °C).

What is the atomic mass of 水素?

The standard atomic weight of 水素 is 1.008 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 水素?

水素 is a gas at room temperature; its density is about 0.09 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.

What is the electronegativity of 水素?

水素 has a Pauling electronegativity of 2.2. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 水素, and when?

水素 was discovered in 1766 by Henry Cavendish. It is named after greek hydro + genes, "water-former".

How common is 水素 on Earth?

水素 makes up about 0.14% of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.

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