水素 すいそ (すいそ、英 えい : hydrogen 、羅 ら : hydrogenium 、仏 ふつ : hydrogène 、独 どく : Wasserstoff )は、原子 げんし 番号 ばんごう 1の元素 げんそ である。元素 げんそ 記号 きごう はH 。原子 げんし 量 りょう は1.00794。非金属 ひきんぞく 元素 げんそ のひとつである。
外見 がいけん
無色 むしょく の気体 きたい プラズマ状態 じょうたい の紫色 むらさきいろ の輝 かがや き
一般 いっぱん 特性 とくせい
名称 めいしょう , 記号 きごう , 番号 ばんごう
水素 すいそ , H, 1
分類 ぶんるい
非金属 ひきんぞく
族 ぞく , 周期 しゅうき , ブロック
1 , 1 , s
原子 げんし 量 りょう
1.00794 (7)
電子 でんし 配置 はいち
1s1
電子 でんし 殻 から
1(画像 がぞう )
物理 ぶつり 特性 とくせい
色 いろ
無色 むしょく
相 そう
気体 きたい
密度 みつど
(0 °C , 101.325 kPa) 0.08988 g/L
融点 ゆうてん
14.01 K , −259.14 °C
沸点 ふってん
20.28 K , −252.87 °C
三重 みえ 点 てん
13.8033 K ( −259 °C ), 7.042 kPa
臨界 りんかい 点 てん
32.97 K , 1.293 MPa
融解 ゆうかい 熱 ねつ
(H2 ) 0.117 kJ/mol
蒸発 じょうはつ 熱 ねつ
(H2 ) 0.904 kJ/mol
熱容量 ねつようりょう
(25 °C ) (H2 ) 28.836 J/(mol·K)
蒸気 じょうき 圧 あつ
圧力 あつりょく (Pa)
1
10
100
1 k
10 k
100 k
温度 おんど (K)
15
20
原子 げんし 特性 とくせい
酸化 さんか 数 すう
1, −1 (両性 りょうせい 酸化 さんか 物 ぶつ )
電気 でんき 陰性 いんせい 度 ど
2.20(ポーリングの値 ね )
イオン化 いおんか エネルギー
1st: 1312.0 kJ/mol
共有 きょうゆう 結合 けつごう 半径 はんけい
31±5 pm
ファンデルワールス半径 はんけい
120 pm
その他 た
結晶 けっしょう 構造 こうぞう
六方 ろっぽう 晶 あきら 系 けい
磁性 じせい
反 はん 磁性 じせい [3]
熱 ねつ 伝導 でんどう 率 りつ
(300 K) 0.1805 W/(m⋅K)
音 おと の伝 つた わる速 はや さ
(gas, 27 °C) 1310 m/s
CAS登録 とうろく 番号 ばんごう
12385-13-6 1333-74-0 (H2 )>
主 おも な同位 どうい 体 たい
詳細 しょうさい は水素 すいそ の同位 どうい 体 たい を参照 さんしょう
ただし、一般 いっぱん 的 てき に「水素 すいそ 」と言 い う場合 ばあい 、元素 げんそ としての水素 すいそ の他 ほか にも水素 すいそ の単体 たんたい である水素 すいそ 分子 ぶんし (水素 すいそ ガス)H2 、1個 いっこ の陽子 ようし を含 ふく む原子核 げんしかく と1個 いっこ の電子 でんし からなる水素 すいそ 原子 げんし 、水素 すいそ の原子核 げんしかく (ふつう1個 いっこ の陽子 ようし 、プロトン )などに言及 げんきゅう している可能 かのう 性 せい があるため、文脈 ぶんみゃく に基 もと づいて判断 はんだん する必要 ひつよう がある。
水素 すいそ の線 せん スペクトル 例 れい 。バルマー系列 けいれつ と呼 よ ばれる。
水素 すいそ 分子 ぶんし は、常温 じょうおん 常 つね 圧 あつ では無色 むしょく 無臭 むしゅう の気体 きたい として存在 そんざい する、分子 ぶんし 式 しき H2 で表 あらわ される単体 たんたい である。分子 ぶんし 量 りょう 2.01588、融点 ゆうてん −259.14 °C(常 つね 圧 あつ )、沸点 ふってん −252.87 °C(常 つね 圧 あつ )、密度 みつど 0.0899 g /L 、比重 ひじゅう 0.0695(空気 くうき を 1 として)、臨界 りんかい 圧力 あつりょく 12.80 気圧 きあつ 、水 みず への溶解 ようかい 度 ど 0.021 mL/mL(0 °C)。最 もっと も軽 かる い気体 きたい である。原子 げんし 間 あいだ 距離 きょり は 74 pm 、結合 けつごう エネルギー はおよそ 435 kJ/mol。
水素 すいそ 分子 ぶんし は常温 じょうおん では安定 あんてい であり、フッ素 ふっそ 以外 いがい とは化学 かがく 反応 はんのう をまったく起 お こさない。しかし何 なに かしらの外部 がいぶ 要因 よういん があればその限 かぎ りではなく、たとえば光 ひかり がある状態 じょうたい では塩素 えんそ と激 はげ しい反応 はんのう を起 お こす。また、水素 すいそ と酸素 さんそ を混合 こんごう したものに火 ひ をつけると起 お きる激 はげ しい爆発 ばくはつ (水素 すいそ 爆 ばく 鳴 な 気 き )は、混合 こんごう 比 ひ 下限 かげん は4.65 %、上限 じょうげん は93.3 %であり、空気 くうき との混合 こんごう では4.1 – 74.2 %となり、これはアセチレン に次 つ ぐ広 ひろ い爆発 ばくはつ 限界 げんかい の範囲 はんい を持 も つ。
ガス密度 みつど が低 ひく い水素 すいそ は速 はや い速度 そくど で拡散 かくさん する性質 せいしつ を持 も ち、また燃焼 ねんしょう 時 じ の伝播 でんぱ も速 はや い。そのため、ガス漏 も れを起 お こしやすい傾向 けいこう にある。原子 げんし 径 みち の小 ちい ささから、金属 きんぞく 材料 ざいりょう に侵入 しんにゅう し機械 きかい 的 てき 特性 とくせい を低下 ていか させる(水素 すいそ 脆 もろ 化 か )傾向 けいこう が強 つよ い。これは高温 こうおん 高 だか 圧 あつ 環境 かんきょう 下 か で顕著 けんちょ となり、封入 ふうにゅう 容器 ようき の材質 ざいしつ には注意 ちゅうい を払 はら う必要 ひつよう がある。−250 °C以下 いか で液化 えきか させると体積 たいせき は 800分 ぶん の1となり、さらに軽 かる いため低温 ていおん 貯蔵 ちょぞう 性 せい には優 すぐ れる。
ガス惑星 わくせい の内部 ないぶ など非常 ひじょう に高 たか い圧力 あつりょく 下 か では性質 せいしつ が変 か わり、液状 えきじょう の金属 きんぞく になると考 かんが えられている。逆 ぎゃく に宇宙 うちゅう 空間 くうかん など非常 ひじょう に圧力 あつりょく が低 ひく い場合 ばあい 、H2 + やH3 + 、単独 たんどく の水素 すいそ 原子 げんし などの状態 じょうたい も観測 かんそく されている。H2 分子 ぶんし 形状 けいじょう の雲 くも は星 ほし の形成 けいせい などに関係 かんけい があると考 かんが えられており、特 とく に新生 しんせい 惑星 わくせい や衛星 えいせい の観察 かんさつ 時 じ にはそれを注視 ちゅうし することが多 おお い。
水素 すいそ 分子 ぶんし は、それぞれの原子核 げんしかく (プロトン )の核 かく スピン の配向 はいこう により、オルト(ortho)とパラ(para)の2種類 しゅるい の異性 いせい 体 たい が存在 そんざい する。オルト水素 すいそ は、互 たが いの原子核 げんしかく のスピンの向 む きが平行 へいこう で、パラ水素 すいそ ではスピンの向 む きが反 はん 平行 へいこう である。この2つは、化学 かがく 的 てき 性質 せいしつ に違 ちが いがないが、物理 ぶつり 的 てき 性質 せいしつ (比熱 ひねつ や熱 ねつ 伝導 でんどう 率 りつ など)がかなり異 こと なる。これは内部 ないぶ エネルギーにある差 さ によるもので、パラ水素 すいそ 側 がわ が低 ひく い。統計 とうけい 的 てき な重 おも みが大 おお きいほうをオルトと呼 よ ぶ。
常温 じょうおん 以上 いじょう では、オルト水素 すいそ とパラ水素 すいそ の存在 そんざい 比 ひ はおよそ3:1であるが、低温 ていおん になるほどパラ水素 すいそ の存在 そんざい 比 ひ が増 ま し、絶対 ぜったい 零 れい 度 ど 付近 ふきん ではほぼ100パーセントパラ水素 すいそ となる。ただし、このオルト-パラ変換 へんかん はスピン反転 はんてん を伴 ともな うために、触媒 しょくばい を用 もち いない場合 ばあい 極 きわ めて遅 おそ く、触媒 しょくばい を用 もち いずに水素 すいそ を液化 えきか すると、液化 えきか した後 のち もオルト-パラ変換 へんかん に伴 ともな い両者 りょうしゃ のエネルギー差 さ に相当 そうとう する熱 ねつ が発生 はっせい するため、液化 えきか 水素 すいそ が気化 きか してしまう。これを水素 すいそ のボイル・オフ問題 もんだい という。[17] オルト‐パラ変換 へんかん を起 お こす触媒 しょくばい は、活性炭 かっせいたん や鉄 てつ などの金属 きんぞく の一部 いちぶ 、常 つね 磁性 じせい 物質 ぶっしつ またはイオンなどがある。
水素 すいそ 用 よう のボンベ(火災 かさい 時 じ に近 ちか づくと危険 きけん )
水素 すいそ の入 はい った風船 ふうせん が爆発 ばくはつ した瞬間 しゅんかん
元素 げんそ およびガス状 じょう 分子 ぶんし の中 なか でもっとも軽 かる く、また宇宙 うちゅう でもっとも数 かず が多 おお く、珪素 けいそ 量 りょう を106 とした際 さい の比率 ひりつ は2.79×1010 である。地球 ちきゅう 上 じょう では水 みず や有機 ゆうき 化合 かごう 物 ぶつ の構成 こうせい 要素 ようそ として存在 そんざい する。
水素 すいそ 分子 ぶんし は常温 じょうおん ・常 つね 圧 あつ では無色 むしょく 無臭 むしゅう の気体 きたい で、非常 ひじょう に軽 かる く、非常 ひじょう に燃焼 ねんしょう ・爆発 ばくはつ しやすいといった特徴 とくちょう を持 も つ。そのため日本 にっぽん では、高 こう 圧 あつ ガス保安 ほあん 法 ほう 容器 ようき 保安 ほあん 規則 きそく により、赤色 あかいろ のボンベ に保管 ほかん するように決 き められている。従来 じゅうらい 、水素 すいそ ガスの爆発 ばくはつ 濃度 のうど は4 % – 75 %であるとされてきたが、慶應義塾大学 けいおうぎじゅくだいがく 環境 かんきょう 情報 じょうほう 学部 がくぶ の武藤 むとう 佳 けい 恭 きょう は、10 %以下 いか であれば爆発 ばくはつ しないことを明 あき らかとした。
水素 すいそ は電気 でんき 陰性 いんせい 度 ど が2.2とアルカリ金属 きんぞく やアルカリ土 ど 類 るい 金属 きんぞく よりも高 たか くハロゲン よりも小 ちい さい値 ね であり、酸化 さんか 剤 ざい としても還元 かんげん 剤 ざい としても働 はたら く。このため非金属 ひきんぞく 元素 げんそ とも金属 きんぞく 元素 げんそ とも親和 しんわ しやすい。たとえば、水素 すいそ と酸素 さんそ が化合 かごう するときには還元 かんげん 剤 ざい として働 はたら き、爆発 ばくはつ 的 てき な燃焼 ねんしょう とともに水 みず H2 Oを生 しょう じる。ナトリウムと水素 すいそ との反応 はんのう では酸化 さんか 剤 ざい として働 はたら き、水素 すいそ 化 か ナトリウム NaHを生 しょう じる。このような水素 すいそ とほかの元素 げんそ が化合 かごう した物質 ぶっしつ を水素 すいそ 化物 ばけもの という。
水素 すいそ 化物 ばけもの の結合 けつごう には、イオン結合 けつごう 型 かた ・共有 きょうゆう 結合 けつごう 型 かた のほかに、パラジウム 水素 すいそ 化物 ばけもの などの侵入 しんにゅう 型 がた 固溶体 こようたい (侵入 しんにゅう 型 がた 化合 かごう 物 ぶつ )と呼 よ ばれる3種類 しゅるい の形態 けいたい がある。イオン結合 けつごう 型 がた の化合 かごう 物 ぶつ の中 なか では、水素 すいそ はH− イオン(ヒドリドイオン)として存在 そんざい する。共有 きょうゆう 結合 けつごう 型 がた は電気 でんき 陰性 いんせい 度 ど が高 たか いPブロック元素 げんそ と電子 でんし を共有 きょうゆう して化合 かごう する。侵入 しんにゅう 型 がた 固溶体 こようたい は一種 いっしゅ の合金 ごうきん であり、水素 すいそ 原子 げんし は金属 きんぞく 原子 げんし の隙間 すきま にはまり込 こ むように存在 そんざい している。このため、容易 たやす かつ可逆 かぎゃく 的 てき に水素 すいそ を吸収 きゅうしゅう ・放出 ほうしゅつ することができ、水素 すいそ 吸蔵合金 ごうきん に利用 りよう される。高性能 こうせいのう な水素 すいそ 吸蔵合金 ごうきん の中 なか には、水素 すいそ 原子 げんし の密度 みつど が液体 えきたい 水素 すいそ のそれに匹敵 ひってき したり、上回 うわまわ るものもある。
一方 いっぽう 、より電気 でんき 陰性 いんせい 度 ど の大 おお きい元素 げんそ との化合 かごう 物 ぶつ では水素 すいそ はH+ イオンとなる。水中 すいちゅう で水素 すいそ イオンを生 しょう じる物質 ぶっしつ が狭義 きょうぎ の酸 さん である。水溶液 すいようえき 中 ちゅう では水素 すいそ イオンは、H+ (ヒドロン)ではなく、水分 すいぶん 子 こ と結合 けつごう してH3 O+ (オキソニウムイオン ) として振 ふ る舞 ま う。
水素 すいそ はまた、炭素 たんそ と結合 けつごう することで、さまざまな有機 ゆうき 化合 かごう 物 ぶつ を形成 けいせい する。ほとんどすべての有機 ゆうき 化合 かごう 物 ぶつ は構成 こうせい 原子 げんし に水素 すいそ を含 ふく む。
水素 すいそ を含 ふく む有機 ゆうき 化合 かごう 物 ぶつ の例 れい :
おもな元素 げんそ の水素 すいそ 化物 ばけもの の化学 かがく 式 しき と国際 こくさい 純正 じゅんせい 応用 おうよう 化学 かがく 連合 れんごう (IUPAC)による組織 そしき 名 めい 、および(存在 そんざい するものは)慣用 かんよう 名 めい を表 ひょう 「元素 げんそ の水素 すいそ 化物 ばけもの 」に示 しめ す。
分子 ぶんし 構造 こうぞう の研究 けんきゅう に非常 ひじょう によく利用 りよう される核 かく 磁気 じき 共鳴 きょうめい 分光 ぶんこう 法 ほう (NMR)において、1 Hを用 もち いた方法 ほうほう は代表 だいひょう 的 てき である。1 Hはすべての核種 かくしゅ の中 なか で最 もっと も強 つよ い特異 とくい 吸収 きゅうしゅう を示 しめ すうえ、水素 すいそ はほとんどすべての有機 ゆうき 化合 かごう 物 ぶつ に含 ふく まれることもあり、NMRにおいてよく利用 りよう される。周囲 しゅうい の原子 げんし の電子 でんし から影響 えいきょう を受 う ける結果 けっか 、吸収 きゅうしゅう される周波数 しゅうはすう が変化 へんか する(化学 かがく シフト )ため、原子 げんし の相対 そうたい 位置 いち を推測 すいそく する有力 ゆうりょく な手掛 てが かりとなる。
水素 すいそ のイオン には、陽 ひ イオンである水素 すいそ イオン (hydron、ヒドロンまたはハイドロン)と、陰 かげ イオンの水素 すいそ 化物 ばけもの イオン (hydride、ヒドリドまたはハイドライド)とが存在 そんざい する。1 H+ はプロトン(陽子 ようし )そのものであるが、一般 いっぱん に水素 すいそ は同位 どうい 体 たい 混合 こんごう 物 ぶつ なので、水素 すいそ の陽 ひ イオンに対 たい する呼称 こしょう としてはヒドロンが正確 せいかく である(すなわちヒドロンは H+ 、D + 、T + の総称 そうしょう である)。しかし、化学 かがく の領域 りょういき において単 たん に「プロトン」と呼 よ ぶ際 さい は水素 すいそ イオンを指 さ ししていると考 かんが えて差 さ し支 つか えはない。
水素 すいそ イオンの濃度 のうど [H+ ] は酸性 さんせい 度 ど を定量 ていりょう 的 てき に表 あらわ す指標 しひょう として用 もち いられ、mol/L(モル毎 ごと リットル)単位 たんい で表 あらわ した水素 すいそ イオンの濃度 のうど の数値 すうち の対数 たいすう に負号 ふごう をつけた値 ね を水素 すいそ イオン指数 しすう (pH)で表 あらわ す。水中 すいちゅう の[H+ ]濃度 のうど は1から10−14 mol/L程度 ていど の広 ひろ い範囲 はんい を取 と り、pHでは0 – 14 程度 ていど となる。常温 じょうおん で中性 ちゅうせい の水 みず には約 やく 10−7 mol/Lの水素 すいそ イオンが存在 そんざい し、pHは約 やく 7となる。
H+ であれ D+ であれ、ヒドロンは電子 でんし 殻 から を持 も たないむき出 だ しの原子核 げんしかく であるため、化学 かがく 的 てき にはファンデルワールス半径 はんけい を持 も たない正 せい の点 てん 電荷 でんか のように振 ふ る舞 ま う。それゆえ通常 つうじょう は単独 たんどく で存在 そんざい せず、溶媒 ようばい などほかの分子 ぶんし の電子 でんし 殻 から と結合 けつごう したヒドロニウムイオン (hydronium ion)として存在 そんざい する。水素 すいそ のイオン化 いおんか エネルギーは1131 kJ/mol、遊離 ゆうり 状態 じょうたい の水素 すいそ イオンの水 みず 和 わ エネルギーは1091 kJ/molと見積 みつ もられており、これは高 たか い電子 でんし 密度 みつど に起因 きいん する、水分 すいぶん 子 こ との高 たか い親和力 しんわりょく を示 しめ すものである。
H
+
(
g
)
⟶
r
m
H
+
(
a
q
)
{\displaystyle {\rm {{H}^{+}(g)\longrightarrow rm{H}^{+}(aq)}}}
極性 きょくせい 溶媒 ようばい 中 ちゅう では、水 みず 、アルコール 、エーテル などの酸素 さんそ 原子 げんし の電子 でんし 殻 から と結合 けつごう している場合 ばあい が多 おお いため、ヒドロニウムイオンと言 い う代 か わりにオキソニウムイオン (oxonium ion)と呼 よ ばれることも多 おお い。あるいは超 ちょう 強酸 きょうさん など極限 きょくげん 状態 じょうたい においては単独 たんどく で挙動 きょどう するプロトン も観測 かんそく されている。
また、アレニウスの定義 ていぎ ではヒドロンは酸 さん の本体 ほんたい である。酸 さん としてのプロトンの性質 せいしつ は記事 きじ オキソニウム 、あるいは記事 きじ 酸 さん と塩基 えんき に詳 くわ しい。
ヒドリド (別名 べつめい 、水素 すいそ 化物 ばけもの イオン、ヒドリドイオン[32] [33] [34] 、英 えい : hydride 、英 えい : hydrogen anion 、化学 かがく 記号 きごう H− とも表記 ひょうき される)は、アルカリ金属 きんぞく 、アルカリ土 ど 類 るい 金属 きんぞく あるいは第 だい 13族 ぞく 、14族 ぞく 元素 げんそ (共有 きょうゆう 結合 けつごう 性 せい が強 つよ い)などの、電気 でんき 的 てき に陽性 ようせい な元素 げんそ の水素 すいそ 化物 ばけもの が電離 でんり する時 とき に生成 せいせい する水素 すいそ の陰 かげ イオン(アニオン)。ヒドリドはK殻 から が閉殻した電子 でんし 配置 はいち を持 も ちヘリウム と等 とう 電子 でんし 的 てき であるために、一定 いってい の大 おお きさを持 も ったイオンとして振 ふ る舞 ま う点 てん でヒドロン(水素 すいそ カチオン)とは異 こと なる。実際 じっさい 、ヒドリドはフッ素 ふっそ アニオンよりもイオン半径 はんけい が大 おお きいように振 ふ る舞 ま う。
ヒドリドはきわめて弱 よわ い酸 さん でもある水素 すいそ 分子 ぶんし (pK a =35)の共役 きょうやく 塩基 えんき であるので、強 つよ 塩基 えんき として振 ふ る舞 ま う。
ヒドリドは塩基 えんき として作用 さよう する場合 ばあい と還元 かんげん 剤 ざい として作用 さよう する場合 ばあい がある。これをヒドリド還元 かんげん というが、それは金属 きんぞく と還元 かんげん を受 う ける化合 かごう 物 ぶつ との組 く み合 あ わせにより変化 へんか する。ヒドリドの標準 ひょうじゅん 酸化 さんか 還元 かんげん 電位 でんい は−2.25Vと見積 みつ もられている。
H
2
(
g
)
+
2
e
−
⟶
2
H
−
(
aq
)
{\displaystyle {\ce {H2(g)\ +2{\mathit {e}}^{-}->2H^{-}(aq)}}}
ヒドリドの発生 はっせい 源 げん としては、代表 だいひょう 的 てき なものとしてNaBH4 やLiAlH4 (通称 つうしょう LAH)がある。これらの化合 かごう 物 ぶつ のBH4 − やAlH4 − からはH− が脱 だつ 離 はなれ する。この反応 はんのう は有機 ゆうき 合成 ごうせい の時 とき に非常 ひじょう に便利 べんり であり、例 たと えば、炭素 たんそ 間 あいだ 二 に 重 じゅう 結合 けつごう に対 たい して反 はん マルコフニコフ付加 ふか を施 ほどこ したい時 とき に有効 ゆうこう である。
一般 いっぱん 的 てき な周期 しゅうき 表 ひょう では水素 すいそ はアルカリ金属 きんぞく の上 うえ に配置 はいち されるが、2006年 ねん に周期 しゅうき 表 ひょう における水素 すいそ の位置 いち を変更 へんこう すべきではないか[注 ちゅう 3] とする論文 ろんぶん が国際 こくさい 純正 じゅんせい 応用 おうよう 化学 かがく 連合 れんごう (IUPAC)に提出 ていしゅつ され、公式 こうしき 雑誌 ざっし に掲載 けいさい された[要 よう ページ番号 ばんごう ] 。
工業 こうぎょう 的 てき には、炭化 たんか 水素 すいそ の水蒸気 すいじょうき 改 あらため 質 しつ や部分 ぶぶん 酸化 さんか の副 ふく 生成 せいせい 物 ぶつ として大量 たいりょう に生産 せいさん される(炭化 たんか 水素 すいそ ガス分解 ぶんかい 法 ほう )。硫黄 いおう 酸化 さんか 物 ぶつ を除 のぞ いたパラフィン 類 るい やエチレン ・プロピレン などを440 °Cの環境 かんきょう 下 か でニッケル を触媒 しょくばい としながら水蒸気 すいじょうき と反応 はんのう させ、粗 そ ガスを得 え る。
C
nH
2
n
+
2
+
nH
2
O
⟶
nCO
+
(
2
n
+
1
)
H
2
{\displaystyle {\ce {C_nH_{2n{+}2}\ + nH2O -> nCO\ + (2n{+}1)H2}}}
C
nH
2
n
+
2
+
2
nH
2
O
⟶
nCO
2
+
(
3
n
+
1
)
H
2
{\displaystyle {\ce {C_nH_{2n{+}2}\ + 2nH2O -> nCO2\ + (3n{+}1)H2}}}
副 ふく 生 む される一酸化 いっさんか 炭素 たんそ は水蒸気 すいじょうき と反応 はんのう して二酸化炭素 にさんかたんそ と水素 すいそ ガスとなる。のちにガーボトール法 ほう にて二酸化炭素 にさんかたんそ を除去 じょきょ し、水素 すいそ ガスが得 え られる。粗 そ ガスの精製 せいせい には、圧縮 あっしゅく したうえで苛性 かせい ソーダ洗浄 せんじょう を行 おこな い、熱 ねつ 交換 こうかん 器 き にて重 おも いガス類 るい を液化 えきか 除去 じょきょ する方法 ほうほう (液化 えきか 窒素 ちっそ 洗浄 せんじょう 法 ほう )もある。
また、ソーダ工業 こうぎょう や製塩 せいえん 業 ぎょう において海水 かいすい 電気 でんき 分解 ぶんかい (英語 えいご 版 ばん ) の副 ふく 生品 なましな として発生 はっせい する水素 すいそ が利用 りよう されることもある。現在 げんざい のところ、水素 すいそ ガスはメタン を主成分 しゅせいぶん とする天然 てんねん ガス と水 みず から、触媒 しょくばい を用 もち いた水蒸気 すいじょうき 改 あらため 質 しつ によって生産 せいさん する方法 ほうほう が主流 しゅりゅう である。日本 にっぽん 国内 こくない における2019年 ねん の水素 すいそ の生産 せいさん 量 りょう は 627668 × 103 m3 、工業 こうぎょう 消費 しょうひ 量 りょう は 400802 × 103 m3 である。
水素 すいそ 分子 ぶんし (水素 すいそ ガス)を生 しょう じる化学 かがく 反応 はんのう は多岐 たき にわたる。古典 こてん 的 てき には実験 じっけん 室 しつ において小規模 しょうきぼ に生成 せいせい する場合 ばあい 、亜鉛 あえん やアルミニウム など水素 すいそ よりもイオン化 いおんか 傾向 けいこう の大 おお きい金属 きんぞく に希 まれ 硫酸 りゅうさん を加 くわ えて発生 はっせい させる方法 ほうほう が知 し られている(キップの装置 そうち )。あるいは水酸化 すいさんか ナトリウム や硫酸 りゅうさん などを添加 てんか して電導 でんどう 性 せい を増 ま した水 みず や、食 しょく 塩水 えんすい を電気 でんき 分解 ぶんかい して陰極 いんきょく から発生 はっせい させることもできる。
実験 じっけん 室 しつ レベルにおいては工業 こうぎょう 的 てき に生産 せいさん されたガスボンベ 入 い りの水素 すいそ ガスを利用 りよう する。実験 じっけん の際 さい は防 ぼう 爆 ばく 環境 かんきょう にて行 おこな われる。
カーボンニュートラル の実現 じつげん に向 む け、水素 すいそ の製造 せいぞう 方法 ほうほう 別 べつ に色分 いろわ けする考 かんが え方 かた が広 ひろ まっている[37] 。
グレー水素 すいそ :化石 かせき 燃料 ねんりょう (主 おも に天然 てんねん ガス)を水蒸気 すいじょうき 改 あらため 質 しつ 反応 はんのう させ生産 せいさん する水素 すいそ 。水蒸気 すいじょうき 改 あらため 質 しつ 反応 はんのう 時 じ に副産物 ふくさんぶつ として多 おお くの二酸化炭素 にさんかたんそ が排出 はいしゅつ される[38] [39] [37] 。
ブルー水素 すいそ :水蒸気 すいじょうき 改 あらため 質 しつ 反応 はんのう の問題 もんだい 点 てん である水素 すいそ の製造 せいぞう 時 じ に排出 はいしゅつ される副産物 ふくさんぶつ の二酸化炭素 にさんかたんそ を回収 かいしゅう して処理 しょり (地下 ちか 地層 ちそう 貯蔵 ちょぞう ないしは炭素 たんそ を再 さい 利用 りよう :CCUS 、など)し、大気 たいき 中 ちゅう に放出 ほうしゅつ しないことで、二酸化炭素 にさんかたんそ 排出 はいしゅつ を実質 じっしつ ゼロにして生産 せいさん される水素 すいそ [38] [39] [37] 。しかし、回収 かいしゅう 、貯蔵 ちょぞう のためには大 だい 規模 きぼ な施設 しせつ が必要 ひつよう であり、オンサイト型 がた 水素 すいそ ステーション毎 ごと に設置 せっち するとなると費用 ひよう がかかり過 す ぎてしまう問題 もんだい がある[37] 。
グリーン水素 すいそ :二酸化炭素 にさんかたんそ 排出 はいしゅつ のない再生 さいせい 可能 かのう エネルギーを使 つか い、水 みず を電気 でんき 分解 ぶんかい して生産 せいさん する水素 すいそ [38] [39] [37] 。
ターコイズ水素 すいそ :メタンの熱 ねつ 分解 ぶんかい によって生成 せいせい される水素 すいそ 。炭素 たんそ は気体 きたい ではなく固体 こたい として生産 せいさん されるため、二酸化炭素 にさんかたんそ は排出 はいしゅつ されない。再生 さいせい 可能 かのう エネルギーの利用 りよう と、生成 せいせい された炭素 たんそ を永久 えいきゅう に封 ふう じ込 こ めることが条件 じょうけん となる[38] [39] [37] 。
イエロー水素 すいそ :原子力 げんしりょく 発電 はつでん の電力 でんりょく を用 もち いて、水 みず を電気 でんき 分解 ぶんかい して生産 せいさん される水素 すいそ [39] [37] 。
ブラウン水素 すいそ :石炭 せきたん から生産 せいさん される水素 すいそ 。製造 せいぞう 時 じ に多 おお くの二酸化炭素 にさんかたんそ が排出 はいしゅつ される。グレー水素 すいそ に分類 ぶんるい されることもある[39] 。
ホワイト水素 すいそ :水素 すいそ 以外 いがい の製品 せいひん 生産 せいさん 時 じ に副産物 ふくさんぶつ として生成 せいせい された水素 すいそ 。生産 せいさん は限定 げんてい 的 てき [39] [37] 。
スペースシャトル のメインエンジン 。1機 き を打 う ち上 あ げるには150万 まん リットルの液体 えきたい 水素 すいそ が使 つか われる。
[41]
Pininfarina H2 Speedなどのスポーツカーにも使用 しよう される。
上記 じょうき で述 の べたように、水素 すいそ ガスの生産 せいさん は原料 げんりょう を化石 かせき 燃料 ねんりょう に依存 いぞん しており、水蒸気 すいじょうき 改 あらため 質 しつ により発生 はっせい する一酸化 いっさんか 炭素 たんそ などのうち化成 かせい 品 ひん に利用 りよう されない過剰 かじょう 分 ぶん や燃料 ねんりょう として利用 りよう される炭化 たんか 水素 すいそ は二酸化炭素 にさんかたんそ として環境 かんきょう 中 ちゅう に放出 ほうしゅつ される。水素 すいそ の原料 げんりょう が化石 かせき 燃料 ねんりょう である限 かぎ りにおいては、水素 すいそ を化石 かせき 燃料 ねんりょう の代替 だいたい として利用 りよう してもそのまま化石 かせき 燃料 ねんりょう の消費 しょうひ 量 りょう が削減 さくげん されたり二酸化炭素 にさんかたんそ の発生 はっせい が抑 おさ えられたりすることにはならない。
浮揚 ふよう ガス - 1 Lの水素 すいそ を詰 つ めた風船 ふうせん は1.2 g の質量 しつりょう を浮揚 ふよう させる。この性質 せいしつ から気球 ききゅう や飛行船 ひこうせん などに用 もち いられていたが、ヒンデンブルク号 ごう 爆発 ばくはつ 事故 じこ が起 お きて以来 いらい 、危険 きけん 性 せい の少 すく ないヘリウム で代用 だいよう されるようになった。なお、この事故 じこ の直接的 ちょくせつてき 原因 げんいん は外皮 がいひ の塗料 とりょう への引火 いんか とされている。
冷却 れいきゃく 剤 ざい - 液体 えきたい 水素 すいそ は超 ちょう 伝導 でんどう 現象 げんしょう を含 ふく む低温 ていおん 学 がく の調査 ちょうさ に使用 しよう される。また、一部 いちぶ の発電 はつでん 所 しょ では、水素 すいそ ガスを冷却 れいきゃく 媒体 ばいたい として用 もち いている発電 はつでん 機 き もある。これは空気 くうき よりも熱 ねつ 伝導 でんどう 率 りつ が7倍 ばい と高 たか く風 ふう 損 そん が少 すく ないためである。水素 すいそ ガスが漏 も れないようにするため、水素 すいそ ガス圧力 あつりょく よりも高 たか い圧力 あつりょく の油 あぶら を流 なが し遮蔽 しゃへい しなければならないという作業 さぎょう が発生 はっせい する。
洗浄 せんじょう - 工業 こうぎょう 分野 ぶんや では、半導体 はんどうたい の洗浄 せんじょう はRCA洗浄 せんじょう が主流 しゅりゅう で、アンモニア や塩酸 えんさん フッ化物 ばけもの が用 もち いられるが、その代替 だいたい として水素 すいそ を水 みず に溶 と かし込 こ んだ水溶液 すいようえき は排水 はいすい 処理 しょり の面 めん で環境 かんきょう 負荷 ふか が低 ひく く、半導体 はんどうたい の基板 きばん 表面 ひょうめん の微粒子 びりゅうし 除去 じょきょ ・洗浄 せんじょう に用 もち いられる。
溶接 ようせつ - 水素 すいそ 分子 ぶんし をいったん2つの水素 すいそ 原子 げんし に解離 かいり させ、それを再 さい 結合 けつごう させると多量 たりょう の熱 ねつ を発生 はっせい する。これを利用 りよう した金属 きんぞく 溶接 ようせつ 法 ほう がある。
その他 た - テクニカルダイビング や軍隊 ぐんたい などで大 だい 深度 しんど 潜水 せんすい 時 じ の使用 しよう が試 こころ みられたが、同時 どうじ に酸素 さんそ も用 もち いられるために爆発 ばくはつ の可能 かのう 性 せい が使用 しよう 中 ちゅう につきまとうなど、危険 きけん であるため使用 しよう されていない。
標準 ひょうじゅん 水素 すいそ 電極 でんきょく が標準 ひょうじゅん 電極 でんきょく 電位 でんい の基準 きじゅん として用 もち いられている。
水素 すいそ は燃焼 ねんしょう すると水 みず (水蒸気 すいじょうき )となり、温室 おんしつ 効果 こうか ガス とされる二酸化炭素 にさんかたんそ や大気 たいき 汚染 おせん 物質 ぶっしつ を排出 はいしゅつ しない。現状 げんじょう では、化石 かせき 燃料 ねんりょう を使 つか って製造 せいぞう しているものの、将来 しょうらい 的 てき には、水 みず の電気 でんき 分解 ぶんかい やバイオマス ・ごみ などを利用 りよう することにより、化石 かせき 燃料 ねんりょう によらないで製造 せいぞう できる可能 かのう 性 せい がある。このため、将来 しょうらい 性 せい の高 たか いエネルギーの輸送 ゆそう および貯蔵 ちょぞう 手段 しゅだん として期待 きたい される。
水素 すいそ はさまざまな利用 りよう 法 ほう が考 かんが えられている。燃焼 ねんしょう を直接 ちょくせつ 使 つか う方法 ほうほう としては水素 すいそ 自動車 じどうしゃ が挙 あ げられるほか、火力 かりょく 発電 はつでん の燃料 ねんりょう に水素 すいそ を混 ま ぜて二酸化炭素 にさんかたんそ などを減 へ らす技術 ぎじゅつ が研究 けんきゅう されている[46] 。
水素 すいそ を言 い わば「電池 でんち 」として利用 りよう することも考 かんが えられている。鉛 なまり 蓄電池 ちくでんち 、リチウム電池 でんち 、NAS電池 でんち など、比較的 ひかくてき 大 おお きな容量 ようりょう の充電 じゅうでん が可能 かのう な電池 でんち がいろいろと開発 かいはつ されてきたものの、それでも電気 でんき エネルギーは貯 た めておくのが比較的 ひかくてき 困難 こんなん なエネルギーとして知 し られている。そこで、必要 ひつよう 以上 いじょう の電力 でんりょく が得 え られるときに水 みず を電気 でんき 分解 ぶんかい して生産 せいさん した水素 すいそ を貯蔵 ちょぞう し、電力 でんりょく が必要 ひつよう となった時 とき に貯蔵 ちょぞう しておいた水素 すいそ を使 つか って発電 はつでん を行 おこな うのである。必要 ひつよう 以上 いじょう の電力 でんりょく が得 え られるときに水 みず をポンプで汲 く み上 あ げて水 みず の位置 いち エネルギーとして電気 でんき エネルギーを貯 た める揚水 ようすい 発電 はつでん はすでに実用 じつよう 化 か されているが、それと同様 どうよう に電力 でんりょく 需要 じゅよう のピーク時 じ に対応 たいおう する手法 しゅほう のひとつとして水素 すいそ は利用 りよう できる。
ほかにも太陽光 たいようこう 発電 はつでん や風力 ふうりょく 発電 はつでん といった発電 はつでん 法 ほう のように、発電 はつでん 量 りょう が比較的 ひかくてき 自然 しぜん 条件 じょうけん に左右 さゆう されやすいものの、十分 じゅうぶん な発電 はつでん 量 りょう が得 え られるときに水 みず の電気 でんき 分解 ぶんかい を行 おこな って水素 すいそ を貯蔵 ちょぞう するという方法 ほうほう で、これらの発電 はつでん 量 りょう の不安定 ふあんてい さを解消 かいしょう する方法 ほうほう が考 かんが えられている。
また、水素 すいそ を電力 でんりょく の輸送 ゆそう 手段 しゅだん として利用 りよう することも考 かんが えられている。長距離 ちょうきょり の送電 そうでん を行 おこな うと送電 そうでん 線 せん の抵抗 ていこう などの関係 かんけい で送電 そうでん によるエネルギーの損失 そんしつ (送電 そうでん ロス)が多 おお くなる。小 しょう 水力 すいりょく 発電 はつでん や火力 かりょく 発電 はつでん や比較的 ひかくてき 低温 ていおん の熱源 ねつげん を利用 りよう した発電 はつでん 法 ほう などのように、電力 でんりょく 需要 じゅよう の多 おお い都市 とし の近 ちか くに発電 はつでん 所 しょ を立地 りっち できる場合 ばあい は送電 そうでん ロスの問題 もんだい もあまりない。しかし、必要 ひつよう に応 おう じて変圧 へんあつ を行 おこな うなど送電 そうでん ロスを少 すく なくする工夫 くふう は行 おこな われているものの、2011年 ねん 時点 じてん では送電 そうでん ロスなしに長距離 ちょうきょり を送電 そうでん する手法 しゅほう は実用 じつよう 化 か されていない。このためいわゆる自然 しぜん エネルギーを利用 りよう した発電 はつでん 法 ほう に限 かぎ らず、あらゆるエネルギーを利用 りよう した発電 はつでん 法 ほう において電力 でんりょく の供給 きょうきゅう 地 ち と需要 じゅよう 地 ち とが離 はな れている場合 ばあい には、どうしても送電 そうでん ロスの問題 もんだい が避 さ けられない。ここで水素 すいそ として輸送 ゆそう すれば、水素 すいそ を逃 に がさなければ輸送 ゆそう 中 ちゅう の水素 すいそ のロスは発生 はっせい しない。ただし水素 すいそ を輸送 ゆそう する手段 しゅだん によって消費 しょうひ されるエネルギー(たとえば自動車 じどうしゃ で輸送 ゆそう すれば燃料 ねんりょう が消費 しょうひ される)もあるため、どうしてもエネルギーのロスは発生 はっせい してしまうという問題 もんだい は残 のこ る。また、水素 すいそ から電気 でんき に戻 もど す際 さい にもエネルギーロスが発生 はっせい する。ただし、このロスは、熱 ねつ として利用 りよう できる。
最近 さいきん ではマグネシウム と水 みず を反応 はんのう させて水素 すいそ を作 つく り出 だ す方法 ほうほう も開発 かいはつ されている。マグネシウムと水 みず が反応 はんのう して発生 はっせい する水素 すいそ のほか、反応 はんのう 時 じ の熱 ねつ もエネルギー源 げん として利用 りよう できる。最大 さいだい の課題 かだい は使用 しよう 後 ご のマグネシウムの還元 かんげん 処理 しょり で、太陽光 たいようこう などから変換 へんかん したレーザー 照射 しょうしゃ による高温 こうおん により還元 かんげん する方法 ほうほう が考 かんが えられている。ほかに燃料 ねんりょう 電池 でんち の燃料 ねんりょう としての水素 すいそ の利用 りよう はよく知 し られているが、コンバインドサイクル発電 はつでん などに利用 りよう することも考 かんが えられている。
燃料 ねんりょう 電池 でんち 車 しゃ 、トヨタ・MIRAI
空気 くうき 中 ちゅう の酸素 さんそ と反応 はんのう させて水 みず を生成 せいせい しながら発電 はつでん する水素 すいそ – 酸素 さんそ 型 がた 燃料 ねんりょう 電池 でんち は19世紀 せいき 中 なか ごろには実験 じっけん 的 てき に成功 せいこう したが、生活 せいかつ 家電 かでん などの分野 ぶんや へは応用 おうよう されず、20世紀 せいき の宇宙 うちゅう 開発 かいはつ を通 つう じて技術 ぎじゅつ 検討 けんとう が進 すす んだ。燃料 ねんりょう 電池 でんち は現時点 げんじてん の技術 ぎじゅつ においては発電 はつでん 効率 こうりつ が35 – 60 %高 たか く、発熱 はつねつ エネルギーを回収 かいしゅう することができれば80 %まで高 たか めることができる。環境 かんきょう 負荷 ふか も低 ひく いという利点 りてん がある。燃料 ねんりょう にはメタノール を用 もち いる機械 きかい もあるが、水素 すいそ ガスを利用 りよう するものでは自動車 じどうしゃ への積載 せきさい を念頭 ねんとう に置 お いた固体 こたい 高分子 こうぶんし 形 がた 燃料 ねんりょう 電池 でんち (PEFC)が有力 ゆうりょく 視 し されており、電解 でんかい 質 しつ 分離 ぶんり 膜 まく や電極 でんきょく 劣化 れっか の抑制 よくせい など技術 ぎじゅつ 開発 かいはつ が進 すす められている。また宇宙船 うちゅうせん では燃料 ねんりょう 電池 でんち から得 え られる電力 でんりょく のほかに、同時 どうじ に生成 せいせい される水 みず の利用 りよう も行 おこな われることがある。
水素 すいそ をエネルギー利用 りよう する上 じょう での課題 かだい のひとつには、ガス状 じょう 水素 すいそ を貯蔵 ちょぞう する際 さい の問題 もんだい がある。既 すんで 述 じゅつ のように空気 くうき との混合 こんごう 4.1 – 74.2 %という広 ひろ い爆発 ばくはつ 限界 げんかい の範囲 はんい を持 も つために、漏出 ろうしゅつ しないようにする技術 ぎじゅつ が必要 ひつよう となる。水素 すいそ は原子 げんし 半径 はんけい が小 ちい さいために容器 ようき を透過 とうか したり、劣化 れっか させたりするため、ほかの元素 げんそ や燃料 ねんりょう を貯蔵 ちょぞう するのとは勝手 かって が違 ちが ってくる。2002年 ねん 2月 がつ に発足 ほっそく した「燃料 ねんりょう 電池 でんち プロジェクト・チーム」の報告 ほうこく では、自動車 じどうしゃ に積載 せきさい しガソリン相当 そうとう の 500 km以上 いじょう 走行 そうこう が可能 かのう な水素 すいそ 貯蔵 ちょぞう を目標 もくひょう に据 す えた。これに相当 そうとう する水素 すいそ ガスは5 kg であり、常温 じょうおん 常 つね 圧 あつ 下 か では61000リットル に相当 そうとう する。
従来 じゅうらい の貯蔵 ちょぞう 手法 しゅほう では、高 こう 圧 あつ 化 か と液体 えきたい 化 か の2つがある。水素 すいそ は金属 きんぞく 脆 もろ 化 か を起 お こすため、特 とく に高 こう 圧 あつ ガスを密閉 みっぺい するにはアルミニウム – マグネシウム – シリコン合金 ごうきん をファイバー強化 きょうか したものが開発 かいはつ されているが、日本 にっぽん の高 こう 圧 あつ ガス保安 ほあん 法 ほう が定 さだ める上限 じょうげん の350気圧 きあつ では実用 じつよう 的 てき に自動車 じどうしゃ 積載 せきさい が可能 かのう なガス量 りょう は3.5 kgにとどまり、5 kgを実現 じつげん するためには安全 あんぜん に700気圧 きあつ 相当 そうとう を密封 みっぷう できる容器 ようき が検討 けんとう されている。液体 えきたい 化 か も同様 どうよう の問題 もんだい を解決 かいけつ する必要 ひつよう があり、オーステナイト系 けい ステンレス鋼 こう やアルミニウム合金 ごうきん ・チタン合金 ごうきん などを素材 そざい に検討 けんとう が進 すす む。しかし、高 こう 圧 あつ 化 か や液体 えきたい 化 か には密封 みっぷう する際 さい にも加圧 かあつ や冷却 れいきゃく などでエネルギーを消費 しょうひ してしまう点 てん も課題 かだい として残 のこ る。
水素 すいそ を貯蔵 ちょぞう する物質 ぶっしつ には金属 きんぞく 類 るい である水素 すいそ 吸蔵合金 ごうきん と、無機 むき ・有機 ゆうき 物質 ぶっしつ が提案 ていあん されており、いずれも水素 すいそ 化物 ばけもの を作 つく り効率 こうりつ 的 てき に水素 すいそ を捕 つか まえることができる。水素 すいそ 吸蔵合金 ごうきん は、ファンデルワールス力 りょく (分子 ぶんし 間 あいだ 力 りょく の一種 いっしゅ )で表面 ひょうめん に吸着 きゅうちゃく (物理 ぶつり 吸着 きゅうちゃく )させた水素 すいそ 分子 ぶんし を原子 げんし に解離 かいり (解離 かいり 吸着 きゅうちゃく 、化学 かがく 吸着 きゅうちゃく )し、水素 すいそ 化合 かごう 物 ぶつ を反応 はんのう 生成 せいせい しながら合金 ごうきん の格子 こうし 内 うち に水素 すいそ 原子 げんし を拡散 かくさん させる。取 と り出 だ すには加熱 かねつ または合金 ごうきん 周囲 しゅうい の水素 すいそ ガス量 りょう を減 へ らすことで水素 すいそ 化物 ばけもの が分解 ぶんかい しガスが放出 ほうしゅつ される。必要 ひつよう な温度 おんど は通常 つうじょう 50 °Cであり、高 たか くとも250 °C程度 ていど 、圧力 あつりょく も常 つね 圧 あつ から100気圧 きあつ 程度 ていど までであり、水素 すいそ ガスの体積 たいせき を1000分 ぶん の1に収 おさ めることができる。課題 かだい は合金 ごうきん と水素 すいそ の重量 じゅうりょう 比 ひ にあり、現状 げんじょう では5 kg の水素 すいそ を吸蔵するための合金 ごうきん 重量 じゅうりょう は170 – 500 kg程度 ていど が必要 ひつよう になる。このほか、イオン結合 けつごう を主 おも とする錯体 さくたい 水素 すいそ 化物 ばけもの や、アンモニアボラン なども水素 すいそ 吸蔵性能 せいのう を持 も つ物質 ぶっしつ として研究 けんきゅう されている。
自然 しぜん エネルギーからの電気 でんき (太陽光 たいようこう 発電 はつでん や人工 じんこう 光合成 こうごうせい )によって水 みず の電気 でんき 分解 ぶんかい から水素 すいそ を生成 せいせい してエネルギー媒体 ばいたい として貯蔵 ちょぞう し、燃料 ねんりょう 電池 でんち を使 つか って発電 はつでん し電気 でんき を取 と り出 だ すというエネルギーの循環 じゅんかん 構想 こうそう がある[47] 。
一見 いっけん 、理想 りそう 的 てき で無駄 むだ のないサイクルに思 おも えるが、電気 でんき 分解 ぶんかい から燃料 ねんりょう 電池 でんち による発電 はつでん までの工程 こうてい ではニッケル水素 すいそ 電池 でんち やリチウムイオン充電 じゅうでん 池 ち と比較 ひかく して効率 こうりつ が大幅 おおはば に低 ひく い。高分子 こうぶんし 固体 こたい 電解 でんかい 質 しつ を利用 りよう した電気 でんき 分解 ぶんかい の工程 こうてい では分解 ぶんかい 時 じ に両極 りょうきょく でガスが発生 はっせい するが、これが連続 れんぞく した反応 はんのう を阻害 そがい する一因 いちいん となる。また、燃料 ねんりょう 電池 でんち での発電 はつでん 工程 こうてい でも同様 どうよう に燃料 ねんりょう 電池 でんち のガス拡散 かくさん 電極 でんきょく の特性 とくせい 上 じょう 、電流 でんりゅう 密度 みつど を上 あ げるためにはスタックを重 かさ ねなければならず、取 と り出 だ す電流 でんりゅう を2倍 ばい にしようとすれば電極 でんきょく の面積 めんせき も2倍 ばい にしなければならず、単位 たんい 容積 ようせき ごとの効率 こうりつ が低 ひく い。貯蔵 ちょぞう 時 じ にも専用 せんよう の高 こう 圧 あつ タンクや水素 すいそ 吸蔵合金 ごうきん を使用 しよう しなければならないため、単位 たんい 体積 たいせき ごと、あるいは単位 たんい 重量 じゅうりょう ごとのエネルギー密度 みつど を下 さ げる要因 よういん になり、利点 りてん を相殺 そうさい してしまっている。
水素 すいそ に関 かん する研究 けんきゅう について概説 がいせつ する。1671年 ねん にはロバート・ボイル によって水素 すいそ ガスが生成 せいせい され、水素 すいそ はガスであると認識 にんしき され、生理 せいり 的 てき に不 ふ 活性 かっせい なガスだと考 かんが えられ、注目 ちゅうもく されなかった。初期 しょき には、水素 すいそ 分子 ぶんし の生物 せいぶつ 学 がく 的 てき 効果 こうか は小規模 しょうきぼ に研究 けんきゅう されてきた。1975年 ねん に、Doleらは水素 すいそ ガスが動物 どうぶつ の皮膚 ひふ 腫瘍 しゅよう を退 すさ 縮 ちぢみ するという研究 けんきゅう 結果 けっか を『サイエンス 』にて報告 ほうこく したが、注目 ちゅうもく はされなかった。肝臓 かんぞう に慢性 まんせい の炎症 えんしょう を持 も つマウス での高 こう 圧 あつ 水素 すいそ の抗 こう 炎症 えんしょう 作用 さよう は、2001年 ねん に報告 ほうこく された。こうした研究 けんきゅう は数 かず が限 かぎ られている。
水素 すいそ ガスを含 ふく む吸気 きゅうき として、たとえば飽和 ほうわ 潜水 せんすい 用 よう のガスとして水素 すいそ 50 %、ヘリウム49 %、酸素 さんそ 1 %用 よう の混合 こんごう 気 き が用 もち いられており、この場合 ばあい 、水素 すいそ に起因 きいん する毒性 どくせい や安全 あんぜん 性 せい の問題 もんだい は見 み られていない。
ボストン小児 しょうに 病院 びょういん 、ハーバード大学 だいがく 医学部 いがくぶ の研究 けんきゅう でも、水素 すいそ ガスの吸入 きゅうにゅう による細胞 さいぼう 障害 しょうがい 、組織 そしき 障害 しょうがい のような有害 ゆうがい 事象 じしょう はないことが報告 ほうこく されており[53] 、名古屋大学 なごやだいがく 医学部 いがくぶ 産婦人科 さんふじんか 、香川大学 かがわだいがく 医学部 いがくぶ 産婦人科 さんふじんか の研究 けんきゅう においても、水素 すいそ の摂取 せっしゅ による毒性 どくせい や催奇性 せい はないことが報告 ほうこく されている[54] [55] 。
ただし、水素 すいそ は爆発 ばくはつ 性 せい を有 ゆう する気体 きたい であり、爆発 ばくはつ 濃度 のうど においては静電気 せいでんき のような微弱 びじゃく なエネルギーで爆発 ばくはつ する危険 きけん 性 せい がある。従 したが って、水素 すいそ ガス吸入 きゅうにゅう 療法 りょうほう においては、爆発 ばくはつ 限界 げんかい 濃度 のうど 以下 いか (10 %以下 いか )の水素 すいそ ガスを発生 はっせい させる水素 すいそ ガス吸入 きゅうにゅう 機 き を用 もち いることが重要 じゅうよう であると、市販 しはん の水素 すいそ ガス吸入 きゅうにゅう 機 き の安全 あんぜん 性 せい について警鐘 けいしょう を鳴 な らす論文 ろんぶん が2019年 ねん に発表 はっぴょう されている[56] [57] 。実際 じっさい に消費 しょうひ 者 しゃ 庁 ちょう の事故 じこ 情報 じょうほう データシステムで水素 すいそ ガス吸入 きゅうにゅう 機 き の爆発 ばくはつ 事例 じれい が複数 ふくすう 報告 ほうこく されている[58] 。
日本 にっぽん における水素 すいそ の医療 いりょう 利用 りよう の研究 けんきゅう に関 かん する最初 さいしょ の報告 ほうこく は、2003年 ねん のヒドロキシルラジカルによる水素 すいそ 分子 ぶんし の水素 すいそ 引 ひ き抜 ぬ き反応 はんのう によって、種々 しゅじゅ の酸化 さんか ストレスに起因 きいん する疾病 しっぺい を予防 よぼう または改善 かいぜん する報告 ほうこく に遡 さかのぼ る[59] 。さらに2005年 ねん には、ラットの酸化 さんか 剤 ざい 誘発 ゆうはつ モデルに対 たい する水素 すいそ 水 すい の抗 こう 酸化 さんか 効果 こうか が報告 ほうこく された。
日本医科大学 にほんいかだいがく での2007年 ねん の実験 じっけん を受 う けて、慶應義塾大学 けいおうぎじゅくだいがく では2012年 ねん から心 しん 停止 ていし のラットでの治療 ちりょう モデルを確立 かくりつ してきた。2015年 ねん 10月 がつ には、慶應義塾大学 けいおうぎじゅくだいがく 先導 せんどう 研究 けんきゅう センター内 ない に水素 すいそ ガス治療 ちりょう 開発 かいはつ センターが開設 かいせつ された。
心肺 しんぱい 停止 ていし 時 どき の水素 すいそ ガスの吸入 きゅうにゅう は先進 せんしん 医療 いりょう Bに認定 にんてい され、研究 けんきゅう が進 すす められている[63] 。従来 じゅうらい の研究 けんきゅう では動物 どうぶつ を対象 たいしょう として心 こころ 停止 ていし の際 さい の脳 のう ・心臓 しんぞう の臓器 ぞうき 障害 しょうがい 抑制 よくせい が調査 ちょうさ されていたが、2016年 ねん 9月 がつ には、初 はつ のヒトを対象 たいしょう とした研究 けんきゅう が公表 こうひょう され、5人 にん 中 ちゅう 4人 にん が90日 にち 後 ご には普通 ふつう の生活 せいかつ に戻 もど った。これは慶應義塾大学 けいおうぎじゅくだいがく を中心 ちゅうしん として2月 がつ に開始 かいし された臨床 りんしょう 研究 けんきゅう であり、心 しん 停止 ていし の影響 えいきょう によって寝 ね たきりとなる、言葉 ことば がうまく話 はな せなくなるといった後遺症 こういしょう が残 のこ る事 こと が多 おお く、これを抑制 よくせい するための医療 いりょう 現場 げんば への導入 どうにゅう が目標 もくひょう とされている[65] 。
α あるふぁ グルコシダーゼ阻害 そがい 剤 ざい である糖尿 とうにょう 病 びょう 治療 ちりょう 薬 やく のアカルボース を服用 ふくよう すると炭水化物 たんすいかぶつ の吸収 きゅうしゅう が抑制 よくせい され、大腸 だいちょう の腸 ちょう 内 ない 細菌 さいきん により水素 すいそ などが発生 はっせい する。アカルボースの服用 ふくよう が心 しん 血管 けっかん 事故 じこ を抑制 よくせい する可能 かのう 性 せい があり、この原因 げんいん として高 こう 血糖 けっとう の抑制 よくせい に加 くわ えて、呼気 こき 中 ちゅう に水素 すいそ ガスの増加 ぞうか が認 みと められ、この増加 ぞうか した水素 すいそ の抗 こう 酸化 さんか 作用 さよう で心 こころ 血管 けっかん 事故 じこ を抑制 よくせい するメカニズムが想定 そうてい されている。
水素 すいそ と水素 すいそ が水 みず に溶存 ようぞん した水素 すいそ 水 すい の研究 けんきゅう は、2007年 ねん から2015年 ねん 6月 がつ までで321の水素 すいそ の論文 ろんぶん があり、臨床 りんしょう 試験 しけん も年々 ねんねん 増加 ぞうか してきた。
上述 じょうじゅつ のように水素 すいそ は従来 じゅうらい の医薬品 いやくひん とは異 こと なり、病気 びょうき の根源 こんげん である酸化 さんか ストレスを抑制 よくせい し広範囲 こうはんい の疾病 しっぺい に対 たい する改善 かいぜん 効果 こうか を有 ゆう することから、病気 びょうき に対 たい する「ワイドスペクトラム分子 ぶんし 」と呼 よ ばれる可能 かのう 性 せい がある。
2019年 ねん 12月10日 にち 現在 げんざい 、水素 すいそ の医療 いりょう 利用 りよう に関係 かんけい する学術 がくじゅつ 論文 ろんぶん は600報 ほう を超 こ える[68] 。
宇宙 うちゅう 空間 くうかん は、私 わたし たちが日頃 ひごろ 暮 く らしを営 いとな む環境 かんきょう とは大 おお きく異 こと なるため、全 まった く異 こと なる現象 げんしょう が起 お こる。水素 すいそ の場合 ばあい も例外 れいがい ではない。例 たと えば惑星 わくせい 大気 たいき の上層 じょうそう 部分 ぶぶん では、水素 すいそ に高 こう エネルギー電子 でんし が衝突 しょうとつ することによって、三 さん 水素 すいそ イオンが生成 せいせい する。
H
2
(
g
)
+
e
−
⟶
H
2
+
(
g
)
+
2
e
−
{\displaystyle {\ce {H2(g) + e- -> H2+(g) + 2e-}}}
H
2
+
(
g
)
+
H
2
(
g
)
⟶
H
3
+
(
g
)
+
H
(
g
)
{\displaystyle {\ce {H2+(g) + H2(g) -> H3+(g) +H(g)}}}
この三 さん 水素 すいそ イオンは、宇宙 うちゅう 空間 くうかん のような低圧 ていあつ 条件 じょうけん では安定 あんてい して存在 そんざい できる。このイオンは惑星 わくせい 大気 たいき の分析 ぶんせき に用 もち いられる。このイオンの濃度 のうど を調 しら べることで、その惑星 わくせい の上層 じょうそう 大気 たいき についての情報 じょうほう を得 え ることができる。
この
節 ふし の
加筆 かひつ が
望 のぞ まれています。
主 おも に: 水素 すいそ の陽子 ようし または電子 でんし を別 べつ の粒子 りゅうし に置 お き換 か えた粒子 りゅうし の名称 めいしょう (多数 たすう 存在 そんざい すると書 か いてあるため) (2018年 ねん 2月 がつ )
水素 すいそ 原子 げんし は非常 ひじょう に簡単 かんたん な構造 こうぞう をしているため、水素 すいそ の陽子 ようし または電子 でんし を別 べつ の粒子 りゅうし に置 お き換 か えた粒子 りゅうし は不 ふ 特定 とくてい 多数 たすう 存在 そんざい する。なお、水素 すいそ と似 に たような化学 かがく 反応 はんのう を起 お こす粒子 りゅうし もある。
^ 次 つ いでヘリウムが約 やく 25 %。
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