水素(H)の化学的性質

基本情報

• 元素記号: H
• 原子番号: 1
• 電子配置: 1s¹
• 酸化数: +1(H⁺)、-1(H⁻)、0(H₂)
• 常温での状態: 無色・無臭・無味の気体
• 分子式: H₂(二原子分子)
• 特徴: 宇宙で最も豊富な元素、最も軽い元素、非金属

水素の特性

• 密度: 0.0899 g/L(標準状態)、気体中で最も軽い
• 融点: -259℃
• 沸点: -253℃
• 溶解性: 水にわずかに溶ける
• 拡散速度: 非常に速い(最も軽いため)

周期表での位置

• 1族1周期
• アルカリ金属の上に位置するが、性質は大きく異なる
• 非金属元素
• 最外殻電子1個(アルカリ金属と共通)

水素の製法

1. 実験室での製法

金属と酸の反応(最も一般的)

• 亜鉛と希硫酸: (1) Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑
• 亜鉛と希塩酸: (2) Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
• 鉄と希硫酸: (3) Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑
• ※ イオン化傾向が水素より大きい金属と希酸を反応させる

アルミニウムと水酸化ナトリウム

• (4) 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

水の電気分解

• 陰極: (5) 2H⁺ + 2e⁻ → H₂
• または: (6) 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
• 陽極: (7) 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
• 全体: (8) 2H₂O → 2H₂ + O₂
• ※ 電解質として希硫酸や水酸化ナトリウムを加える
• ※ H₂:O₂ = 2:1(体積比)で発生

2. 工業的製法

水蒸気改質法(最も重要)

天然ガス(メタン)から水素を製造する方法。

• メタンと水蒸気: (9) CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
• 一酸化炭素と水蒸気: (10) CO + H₂O → CO₂ + H₂
• ※ ニッケル触媒、高温(700~1000℃)

石油の分解

• 石油精製の副産物として水素を得る

水の電気分解(工業的)

• 純度の高い水素が得られる
• 電力コストが高い

コークス炉ガス

• 石炭の乾留で得られるガスから水素を分離

水素の精製

• 硫酸銅(II)水溶液に通す(硫化水素を除去)
• 加熱した酸化銅(II)に通す(不純物を酸化)
• 塩化カルシウムや濃硫酸で乾燥

水素の化学反応

1. 酸素との反応(燃焼)

水素の最も重要な反応。

通常の燃焼

• (11) 2H₂ + O₂ → 2H₂O
• 淡青色の炎を出して燃焼
• 大きな熱を発生(発熱反応)

爆発

• 水素と酸素の混合気体(2:1)に点火すると爆発的に反応
• 爆鳴気: H₂とO₂の混合気体
• 爆発範囲: H₂が4~75%(体積比)で空気と混合すると爆発

検出反応

• 試験管に集めた水素に火を近づける → 爆発音(ポンという音)
• 水素の存在を確認する方法

2. ハロゲンとの反応

塩素との反応

• 直接反応: (12) H₂ + Cl₂ → 2HCl
• 光により爆発的に反応(光化学反応)

その他のハロゲン

• 臭素: (13) H₂ + Br₂ → 2HBr
• ヨウ素: (14) H₂ + I₂ ⇌ 2HI (可逆反応)

3. 窒素との反応

ハーバー・ボッシュ法によるアンモニアの合成。

• (15) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
• ※ 鉄触媒、高温(400~600℃)、高圧(200~1000気圧)
• 可逆反応、発熱反応

4. 金属酸化物の還元(重要)

水素は還元剤として働く。

酸化銅(II)の還元

• (16) CuO + H₂ → Cu + H₂O
• 黒色のCuOが赤色のCuに変化

酸化鉄(III)の還元

• (17) Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

酸化タングステン(VI)の還元

• (18) WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O
• タングステンの製造

5. 不飽和炭化水素への付加

エチレンへの付加

• (19) C₂H₄ + H₂ → C₂H₆
• ※ ニッケル触媒、加熱

油脂の硬化

• 不飽和脂肪酸 + H₂ → 飽和脂肪酸
• 液体の油が固体の脂肪に変化
• マーガリンの製造

6. 一酸化炭素との反応

メタノールの合成

• (20) CO + 2H₂ → CH₃OH
• ※ 銅-亜鉛触媒、高温高圧

7. 塩素との置換反応

• 過酸化水素の漂白作用の還元: (21) H₂O₂ + H₂ → 2H₂O

水素の化合物

1. 水 H₂O(最重要)

• 構造: 折れ線型(結合角104.5°)
• 極性: 極性分子
• 水素結合: 分子間に強い水素結合
• 異常な性質: 沸点が高い、密度の異常(4℃で最大)

水の電離

• (22) H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻
• または: (23) 2H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻
• イオン積: [H⁺][OH⁻] = 1.0×10⁻¹⁴ (25℃)

2. 過酸化水素 H₂O₂

• 構造: 折れ線型(非平面)
• 酸化数: -1
• 性質: 無色の液体、不安定

分解

• (24) 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑
• ※ MnO₂触媒で分解が促進

酸化剤としての反応

• ヨウ化カリウムの酸化: (25) H₂O₂ + 2I⁻ + 2H⁺ → I₂ + 2H₂O
• 硫化水素の酸化: (26) H₂O₂ + H₂S → S↓ + 2H₂O

還元剤としての反応

• 過マンガン酸カリウムの還元(酸性): (27) 2MnO₄⁻ + 5H₂O₂ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5O₂↑ + 8H₂O

用途

• 漂白剤(紙、繊維)
• 消毒剤(オキシドール)
• ロケット燃料の酸化剤

3. 水素化物

イオン性水素化物

活性な金属(アルカリ金属、アルカリ土類金属)との化合物。

• 水素化ナトリウム: (28) 2Na + H₂ → 2NaH
• H⁻(ヒドリドイオン)を含む
• 強い還元剤

共有結合性水素化物

• アンモニア NH₃: 塩基性
• メタン CH₄: 中性
• 塩化水素 HCl: 酸性
• 硫化水素 H₂S: 弱酸性

4. 酸と塩基

酸(アレニウスの定義)

• 水溶液中でH⁺(H₃O⁺)を生じる物質
• 例: HCl, H₂SO₄, HNO₃, CH₃COOH

塩基(アレニウスの定義)

• 水溶液中でOH⁻を生じる物質
• 例: NaOH, KOH, Ca(OH)₂, NH₃(弱塩基)

ブレンステッド・ローリーの定義

• 酸: H⁺(プロトン)を与える物質
• 塩基: H⁺(プロトン)を受け取る物質

水素の同位体

1. 軽水素(プロチウム)¹H

• 陽子: 1個
• 中性子: 0個
• 存在比: 99.985%
• 通常の水素

2. 重水素(デューテリウム)²H または D

• 陽子: 1個
• 中性子: 1個
• 存在比: 0.015%
• 記号: D

重水 D₂O

• 普通の水より約10%重い
• 原子炉の減速材として使用
• 化学反応が通常の水よりわずかに遅い

3. 三重水素(トリチウム)³H または T

• 陽子: 1個
• 中性子: 2個
• 存在比: 極微量
• 放射性: β崩壊(半減期12.3年)
• 記号: T

用途

• 核融合反応の燃料
• トレーサー(追跡子)

核融合反応

• 重水素と三重水素の核融合: (29) ²H + ³H → ⁴He + n + エネルギー
• 太陽のエネルギー源
• 将来のクリーンエネルギー源として研究

その他の重要事項

水素の用途

• アンモニア合成: ハーバー・ボッシュ法(最大の用途)
• メタノール合成: 化学工業原料
• 石油精製: 水素化脱硫、水素化分解
• 油脂の硬化: マーガリン製造
• 金属の還元: 金属製造
• 燃料: ロケット燃料、燃料電池
• 気球: かつて使用(現在はヘリウム)

燃料電池

水素と酸素から電気エネルギーを取り出す装置。

• 負極: (30) H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻
• 正極: (31) O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
• 全体: (32) 2H₂ + O₂ → 2H₂O

• クリーンなエネルギー(生成物は水のみ)
• 燃料電池自動車に応用

水素社会

• 水素をエネルギー源とする社会の構想
• クリーンエネルギー(燃焼生成物は水のみ)
• 課題: 製造、貯蔵、輸送

水素結合

• H原子が電気陰性度の大きい原子(F, O, N)と結合している場合に生じる
• 分子間力の一種(通常の分子間力より強い)
• 水の異常な性質の原因
• 生体分子(DNA、タンパク質)の構造維持に重要

イオン化傾向と水素

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Cr > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• イオン化傾向が水素より大きい金属: 希酸と反応してH₂発生
• イオン化傾向が水素より小さい金属: 希酸とは反応しない

水素イオン濃度とpH

• pH: -log₁₀[H⁺]
• 中性: pH = 7([H⁺] = [OH⁻] = 1.0×10⁻⁷ mol/L)
• 酸性: pH < 7([H⁺] > [OH⁻])
• 塩基性: pH > 7([H⁺] < [OH⁻])

水素の安全性

• 爆発性: 空気と混合すると爆発(4~75%)
• 軽い: 漏れると上方に拡散
• 無色無臭: 漏れを検知しにくい
• 取り扱い: 火気厳禁、換気

環境と水素

• 燃焼生成物は水のみ(CO₂を発生しない)
• クリーンエネルギーとして注目
• 再生可能エネルギーからの製造が課題