1 H 水素 1.008
非金属 sブロック 1周期 1族

水素

H · 元素 1 · 非金属

存在する中で最も単純な原子です――陽子1個、電子1個――そして宇宙のあらゆる原子の約90%を占めます。

20°Cでの状態 気体
原子量 1.008 u
電子配置1s¹

構造

水素の原子

リング上の点の図ではありません — 占有されている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

物性表

各バーは、その性質について水素が118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。

物理的性質

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%

同一性

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化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。

大きさ、実寸比

水素の原子はどのくらいの大きさですか?

半径53 pmです。これは0.053 nmなので、約9.43百万個を横に並べると1ミリメートルになります。

熱範囲

固体、液体、気体—そしてそのとき

水素は、14 Kから20 Kまでの6 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

水素は周期1、族1に位置します。 族1のすべての元素は最外殻電子数が同じであるため、非常によく似た性質を示します。

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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%を占めています。陽子1個と電子1個だけで構成され、恒星の中心で他のすべての元素がつくられる際の基本的な構成要素です。

物理的性質

標準状態では、水素は無色、無臭、無味の二原子分子気体(H₂)として存在します。最も軽い元素で、密度は空気の14分の1しかないため、水素を満たした風船は急速に上昇します。水素は非常に低温の-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

水素は独特な化学的挙動を示し、反応条件に応じて還元剤と酸化剤の両方として働きます。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つくります。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の燃料です。一方、SpaceX Starshipは液体メタンと液体酸素を使用します
  • 燃料電池:Toyota MiraiとHyundai NEXOは水素燃料電池を使用し、H₂ + O₂ → H₂O + 電気の変換を無排出で行います
  • 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、後の発電用に水素をつくります

🏭 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を行い、肥料用に年間1億7500万トンを生産します
  • メタノール合成:250°Cで銅-亜鉛触媒を用いてCO + 2H₂ → CH₃OHを行い、プラスチックや燃料をつくります
  • 水素化:ニッケル触媒を用い、マーガリンやショートニングの製造で不飽和脂肪を飽和脂肪に変換します
  • 水素化分解:400°C、100気圧以上で水素を用い、重質石油分子をガソリンやディーゼルに分解します

🔬 先端技術

  • 半導体製造:超高純度の水素で還元性雰囲気をつくり、ケイ素チップを製造します
  • フロートガラス法:水素-窒素雰囲気により、窓ガラス製造中の酸化を防ぎます
  • 金属加工:水素で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で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

可燃性気体 - 極めて高い火災危険

  • 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
  • 見えない炎:水素は昼間、ほとんど見えない淡青色の炎を上げて燃焼します

🛡️ 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
  • 窒息の危険:濃度が25%を超えると酸素を置換する可能性があります
  • 単純窒息性気体: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

  • 眼の保護: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、ゆったりした衣類を着用し、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:換気のよい場所で、着火源から離します
  • 接地:静電気放電を防ぐため、すべての設備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

気体漏れ:

  • 直ちにその区域から避難します - 水素は上昇し、天井付近にたまります
  • 50フィート以内のすべての着火源を除去します
  • 上部から下部に向けて区域を換気します
  • 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限り、水素の炎を消火してはいけません
  • 水噴霧で周囲の設備を冷却します
  • 容器から聞こえる音が変化した場合、または変色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
  • 凍傷になった部分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

水素とは何ですか?

水素(記号H)は周期表の元素1で、1周期、1族の非金属です。 存在する中で最も単純な原子です――陽子1個、電子1個――そして宇宙のあらゆる原子の約90%を占めます。 室温では気体です。

水素の電子配置はどのようなものですか?

水素の基底状態の電子配置は1s¹で、1という分布の電子殻が1個あります。

水素の融点と沸点は何ですか?

水素の融点は14 K(-259.1 °C)、沸点は20.3 K(-252.9 °C)です。

水素の原子量は何ですか?

水素の標準原子量は1.008 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。

水素の密度はどのくらいですか?

水素は室温で気体です。密度は0 °C、1 atmで約0.09 g/Lで、空気よりおおむね軽いです。

水素の電気陰性度はどのくらいですか?

水素のポーリング電気陰性度は2.2です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。

水素を発見したのは誰で、いつですか?

水素は1766年にHenry Cavendishによって発見されました。 ギリシャ語の hydro + genes、「水を生じるもの」にちなんで名付けられました。

地球上で水素はどのくらい一般的ですか?

地球の地殻における水素の割合は約0.14%で、十分に豊富なため大規模に採掘されています。