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。
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。
構造
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。
測定値
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。
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。
同じ元素、異なる中性子数
水素の原子はどれも陽子の数が同じ1で、中性子の数だけが異なります。この違いによる種類が同位体です。最も一般的なH-1は中性子を0個もち、天然の水素の99.9855%を占めます。
| 同位体 | 中性子 | 天然存在度 | 半減期 | 崩壊モード |
|---|---|---|---|---|
| H-1 最も一般的 | 0 | 99.9855% | 安定 | — |
| H-2 | 1 | 0.0145% | 安定 | — |
| H-3 | 2 | — | 12.32 年 | β⁻ |
ここでは授業で使う簡便法(四捨五入した原子量1.008から原子番号を引く)でも同じ答え、0になります。
崩壊モード
データ:IAEA Nuclear Data Section, LiveChart of Nuclides、基底状態の評価値、2026年10月10日取得。存在度は天然の元素に占める原子の割合で、ダッシュはその同位体に標準的な天然存在度がないことを示します。
大きさ、実寸比
半径53 pmです。これは0.053 nmなので、約943万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
水素は、14 Kから20 Kまでの6 Kの範囲で液体です。
物語
水素(H)は原子番号1の元素で、最も軽く最も単純な元素です。典型的な水素原子は陽子1個と電子1個からできています。水素は宇宙で最も豊富な元素で、通常の物質の質量のおよそ4分の3、原子の数ではおよそ9割を占めます。周期表では1族の最上部に位置しますが、アルカリ金属ではなく非金属です。
室温では、水素はH₂分子からなる無色・無臭の気体です。0 °C、標準気圧での密度は0.08988 g/Lで、空気の約14分の1です。−252.87 °C(20.28 K)で液体になり、−259.14 °C(14.01 K)で凝固します。
ヘンリー・キャヴェンディッシュは1766年に水素を独立した物質として特定し、「可燃性空気」と呼びました。それ以前にもロバート・ボイルなどの実験者が金属と酸からこの気体を作っていましたが、元素とは認識していませんでした。1783年、アントワーヌ・ラヴォアジエは、酸素中で燃えて水になることから、ギリシャ語で「水を生むもの」を意味する語にちなんで、この元素をhydrogèneと名付けました。
水素のただ1つの電子は、唯一の電子殻である第1殻を占めています(電子配置1s¹)。水素原子はこの電子を失ってH⁺になることも、水やメタンのように共有結合で電子を共有することも、2つ目の電子を受け取って水素化物イオンH⁻になることもできます。
水素には3種類の同位体があります。軽水素(水素1)は中性子を持たず、天然の水素の約99.985%を占めます。重水素(水素2)は中性子を1個持ち、約0.015%を占めます。三重水素(水素3、トリチウム)は中性子を2個持つ放射性同位体で、半減期は12.3年であり、ごく微量しか存在しません。
用途
水素の大部分は、化学工場や石油精製所など、製造された場所で使われます。最大の用途は、ハーバー・ボッシュ法(N₂ + 3H₂ → 2NH₃)による肥料用アンモニアの製造、水素化分解や燃料の脱硫による原油の精製、そしてメタノールの製造です。国際エネルギー機関(IEA)によると、世界の需要は年間1億トン近くに達し、そのほぼすべてが今も化石燃料から製造されています。
起源
地殻に1400 mg/kg存在し、91%の元素より存在度が高い
水素はビッグバン後の最初の数分間に生まれ、現在も恒星や星間ガスの主成分です。太陽を含む恒星は水素をヘリウムに融合させて輝いており、巨大惑星の木星と土星も大部分が水素でできています。
遊離した水素ガスは地球上ではまれです。水素は非常に軽いため上層大気から逃げ出し、空気中には約0.5 ppmしか含まれていません。地球上の水素のほぼすべては化合物として存在します。水(質量の11%が水素)、天然ガス、石油、石炭、粘土鉱物、そしてすべての生物がその例です。水素は地殻の質量の約0.14%を占めます。マリの井戸で採取されているものなど、天然の地下水素ガスの集積がいくつか知られており、地質学者がさらに探査を進めています。
産業界では、主に天然ガスの水蒸気改質(CH₄ + H₂O → CO + 3H₂、続いて水性ガスシフト反応)と石炭のガス化によって水素を製造しています。一部は石油精製の副産物です。再生可能エネルギー由来の電力でも運転できる水の電気分解は、生産量の1%を大きく下回ります(IEA)。
取り扱い
水素は極めて燃えやすい気体です。空気中では体積比約4%から75%までのどの濃度でも燃焼し、これはあらゆる気体の中でも最も広い範囲の一つです。また、ごくわずかなエネルギーで着火します。炎は淡い青色で日光の下ではほとんど見えないため、水素火災は目で確認しにくいことがあります。
水素には毒性がなく、職業上の曝露限界値は設定されていません。閉鎖空間では酸素を押しのけて窒息を引き起こすことがあります。約−253 °Cの液体水素に触れると、重度の凍傷を起こします。
簡単な回答
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。
1s¹で、1という分布の電子殻が1個あります。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。
最も一般的な水素原子であるH-1の中性子は0個です。これは質量数1から原子番号1を引いた数です。天然の水素の99.9855%を占めます。 授業で使う簡便法(四捨五入した原子量1.008から原子番号を引く)でも同じ0になります。
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。