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リーフレット「化学のちから」04

水 素 を た め 込 む、ふ し ぎ な 金 属
金属と水素吸蔵合

金［直接関連する項目］ 化学基礎「金属と金属結合」
化学基礎「化学と人間生活」
科学と人間生活「物質の科学

金属」

金属は、装飾品、生活用品、建築材料などに使われ、私たちの生活にもっとも身近な材料のひとつです。そんな金属の仲間に、水素のような気体を大量に「ため込む」ことができるものがあります。
それは、「化学のちから」により、異なる性質の金属が組み合わされることで可能になったのです。

生活の中にあるさまざまな金属
金属はさまざまなところで私たちの生活をこれらのほかにも、金属は電気製品や自動支えています。たとえば、以下のようなもの車の部品など、広く利用されています。このが挙げられます。

ようにさまざまな場面で利用できるのは、金属が取り扱いやすく有用な性質をもつためで

鉄：釘、金づち、針金、建築物の鉄骨、自動車・鉄道車両・船舶の構造材料

す。また、金属は 1 元素のみでも特徴ある能力を示しますが、上の例からもわかるように、アルミニウム：飛行機の機体（ジュラルミン：アルミ複数の金属元素を組み合わせた「合金」になニウムの合金）、高圧電線、飲料缶、食品包装材料

ることによって、優れた能力を発揮するよう（レトルト食品などに用いられる銀色のもの）
ニッケル：自転車・水道蛇口・流し台などのステンレス（クロムとニッケルを含む鉄合金）
硬貨（50 円硬貨・100 円硬貨は白銅（銅とニッケルの合金）、500 円硬貨はニッケル黄銅（銅、亜鉛、ニッケルの合金））
銅：電線、10 円硬貨（青銅：銅とスズの合金）、金管楽器（真ちゅう（英語で brass）：銅と亜鉛の合金）
銀：食器、電子部品、装飾品
金：電子部品、装飾品になります。「水素を大量にため込む」という性質も、その能力のひとつです。
近年、水素が新しいエネルギー源として注目されています。酸素と化学反応させて電気をつくる（燃料電池）、燃焼させてエンジンを動かすなどの利用について研究が進められています。いずれの利用も水蒸気しか発生しないので、環境負荷が少ないという特徴があ01

ります。ただし、水素は常温常圧では気体な金属のかたまりは、金属原子が無秩序に集ので、貯蔵を工夫する必要があります。このまってできているのではありません。図１に水素を安全に貯蔵することができる材料のひ示すように、規則正しい構造をつくっていまとつが、先に述べた合金の仲間である「水素す。代表的な構造は体心立方格子 (bcc)、面吸蔵合金」です。

心立方格子（fcc）、そして六方最密構造（hcp）
くう げきです。それぞれの構造には空隙があり、そこ水素をどこにため込む？
すべての物質は、原子が集まってできています。それらの原子は、ただ集まるだけでなくお互いに「結合」しています。結合の様式に水素原子は入ることができます。

水素の吸蔵と放出をコントロールするにはは、水素分子のように 2 つの原子が結びつい金属に水素（H₂）が取り込まれる反応をている場合もあれば、金属のように非常に多化学反応式で表わすと、以下のようになりまくの原子がくっついてかたまりになっているす。

こともあります。

H2（気体）⇄ 2H（金属中）＋Q
この反応は、矢印が右だけでなく左にも向いていることが示すように、逆向きにも進むことができる「可逆反応」です。水素（H₂）
は原子（H）に解離して金属に取り込まれ、その結果、体積は大きく減少します。そこで、平衡移動の原理（ルシャトリエの原理）により気体水素の圧力を上げることでこの反応を右に進めること、すなわち水素を金属中に吸蔵させられることがわかります。逆に圧力を戻せば水素を放出させることができます。また、 は水素が取り込まれるときに発生する熱エネルギーを表します。従って、水素の吸蔵・放出では熱のコントロールも重要になります。室温・大気圧付近の穏やかな条件で多くの水素が出し入れできるよう開発された合金が水素吸蔵合金です。

水素吸蔵合金の応用例
図 1. 体心立方格子（bcc）、面心立方格子（fcc）、六方最密構造（hcp）の図
提供元：（独）科学技術振興機構「理科ねっとわーく」
http://rikanet2.jst.go.jp/

金属の性質をうまく利用してつくられた水素吸蔵合金は、ボンベのような高圧でなくても安全に水素を蓄えることができるため、水素と酸素を結びつけて発電する燃料電池など

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への活用が期待されています。

水素吸蔵合金は、活用のしかたを工夫する

1990 年に市販が開始された、二次電池（充ことにより、さまざまな場所で応用されるよ電可能な電池）であるニッケル水素電池では、うになると考えられます。また、より性能の合金が水素を吸蔵放出する能力が応用されてよい水素吸蔵合金の開発も進むでしょう。そいます。これは、水素のかたちで多くの電気れらはすべて、「化学のちから」によって生を蓄えられることから、ハイブリッド自動車み出されるのです。などに使用されています。
−

水素吸蔵合金（負極） e‒

e‒

電源＋e‒

e‒

充電H+H+

ニッケル（正極）H+

HOOHNiH+e‒

M/MHe‒

H+
放電

H+OOH
Nie‒e‒

Ni(OH)₂/NiOOH

M（金属原子）H（水素原子）H（水素原子）が入る（空の）位置

図 2.ニッケル水素電池の充放電反応モデル

問題 1

水素吸蔵合金 LaNi5 の水素吸蔵量は、合金 1 g 当たり、標準状態（0℃、1.013 ×105 Pa）で 157 mL です。この水素の質量は水素吸蔵合金の質量（1 g）に対して何% になるか計算してみましょう。

問題 2

水素吸蔵合金の場合、上記化学反応式のQ は正の値をとります。つまり水素吸蔵反応は発熱反応です。このことを利用し、温度制御で水素の吸蔵・放出を行うこともできます。
水素吸蔵合金中の水素を放出させるためには温度を上げればいいでしょうか、下げればいいでしょうか。平衡移動の原理に基づいて考えてみましょう。

問題 3

体心立方格子、面心立方格子、および六方最密構造のうちでどの構造が多くの水素を吸蔵する可能性を秘めているか考えるとき、どのような構造的特徴に着目すればよいでしょうか。
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問題 4

結晶構造がわかっている金属の原子半径や密度から原子量を求めることができる。着目する金属の密度をd 、原子半径をr 、アボガドロ定数をN A とする。また、原子は球であるとし、結晶内では最も近くにある原子どうしが接しているとする。金属の結晶が体心立方格子をとる場合、単位格子の一辺は（ア）である。このとき、単位格子あたりの原子の数は（イ）個であるので、この金属の原子量は（ウ）となる。また、金属の結晶が面心立方格子をとる場合は、単位格子の一辺は（エ）である。単位格子あたりの原子の数は（オ）個であるので、この金属の原子量は（カ）となる。
問1

空欄（ア）と（エ）にあてはまる数式を、次から選んで答えなさい。

問2

空欄（イ）と（オ）にあてはまる数字を答えなさい。

問3

空欄（ウ）と（カ）にあてはまる数式を、次から選んで答えなさい。

（神戸大学 2012 年前期日程入試問題の一部を改変）

問題 5

問題 4 をもとに、体心立方格子、面心立方格子の空隙の体積率はそれぞれ 32％、26％であることを、計算式を示して説明してみましょう。

答え 1

1.40％

答え 2

答え 3空隙の体積率

答え 4

上げればいい

【参考文献】
1）水素エネルギー協会 編「水素エネルギー読本」オーム社

2007 年 1 月発行

2）梅尾 良之「新しい電池の科学―高性能乾電池から燃料電池まで」講談社
3）産業技術総合研究所 水素材料先端科学研究センター
企画・編集

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協力2006 年 9 月発行

http://unit.aist.go.jp/hydrogenius/ci/hydrogen/index.html

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URL：http://www.jaci.or.jp2013 年 4 月 発行