水素

名称

1783年、アントワーヌ・ラヴォアジエが「hydrogène（イドロジェーヌ）」と命名した。ギリシア語の 「ὕδωρ（ヒュドール）」（ラテン文字表記：hydôr、＝「水」）と 「γεννεν（ゲネン）」（ラテン文字表記：gennen、＝「生む」「作り出す」）を合わせた語で、水を生むものを意味する。
英語では「hydrogen（ハイドロジェン）」という。独語の「Wasserstoff（ヴァッサーシュトーフ）」も、やはり水を生むものという意味である。
日本語の「水素」は、オランダ語「waterstof（ワーテルストフ）」（＜water=水 + stof=物質）の意訳である。宇田川榕菴が書いた『舎密開宗』で初めて用いられた。
中国語では「氫」（中国語読み：チン、ピンイン：qīng、日本語読み：けい）という字があてられている。

歴史

1671年に、ロバート・ボイルが鉄と希硝酸を反応させて生じる気体が可燃性であることを記録している。1766年、ヘンリー・キャヴェンディッシュが水素を気体として分離し、発見した。

分布

水素は宇宙でもっとも豊富に存在する元素であり、（ダークマターとダークエネルギーを除いた）宇宙の質量の4分の3を占め、総量数比では全原子の90パーセント以上となる。これらのほとんどは星間ガスや銀河間ガス、恒星あるいは木星型惑星の構成物として存在している。地球表面の元素数では酸素・珪素に次いで3番目に多いが、水素は質量が小さいため、質量パーセントで表すクラーク数では9番目となる。ほとんどは海水の状態で存在し、単体の水素分子状態では天然ガスの中にわずかに含まれる程度である。地球の大気中での濃度は1ppm以下とほとんど存在していない。
水素原子は宇宙が誕生してから約38万年後に初めて生成したとされている。それまでは陽子と電子がバラバラのプラズマ状態で光は宇宙空間を直進できなかったが、電子と陽子が結合することにより宇宙空間に散乱されずに進めるようになった。これを「宇宙の晴れ上がり」という。
宇宙における主系列星のエネルギー放射のほとんどはプラズマとなった4個の水素原子核がヘリウムへ核融合する反応によるもので、比較的軽い星では陽子-陽子連鎖反応、重い星ではCNOサイクルという過程を経てエネルギーを発生させている。水素原子はいずれの核融合反応においてもこれを起こす担い手である。
宇宙空間に散逸する地球の大気は少ないが、それでも1秒あたり水素が3キログラム、ヘリウムが50グラムずつ放出されている。これは大気が薄く原子や分子の速度が減速されずに宇宙へ飛び出すジーンズエスケープや、イオン状態の荷電粒子が地球磁場に沿って脱出する現象がある。なお、加熱された粒子がまとまって流出するハイドロダイナミックエスケープや太陽風が持ち去るスパッタリングは現在の地球では起きていないが、地球誕生直後はこの作用によって水素が大量に散逸したと考えられる。
固有磁場を持たない金星は、現在でもハイドロダイナミックエスケープやスパッタリングが続き、地表には比較的重いため残った酸素や炭素が作る二酸化炭素が大気のほとんどを占め、水がない非常に乾燥した状態にある。火星も軽い水素を中心に散逸し、かろうじて氷となった水が極部分の土中に残るにとどまる。

同位体

質量数が2（原子核が陽子1つと中性子1つ）の重水素（²H）、質量数が3（原子核が陽子1つと中性子2つ）の三重水素（³H）と区別して、質量数が1（原子核が陽子1つのみ）の普通の水素（¹H）を軽水素とも呼ぶ。
水素には、水素（軽水素）¹H 、重水素 ²H （デュウテリウム、ジューテリウム、略号D） 、三重水素 ³H （トリチウム、略号T）の3つの同位体が知られている。このうち、もっとも軽い ¹H は、1つの陽子と1つの電子のみによって構成されており、原子の中で中性子を持たない核種の1つである。存在が確認されている中でほかに中性子を持たない核種はリチウム3のみである。それぞれの同位体は質量の差が2倍、3倍となり、性質の違いも大きい。たとえばD₂はH₂よりも融点や沸点が高くなり、溶融潜熱は倍近くに、蒸気圧は10分の1近くとなる。2013年現在、より重い同位体は水素4から水素7までが確認されている。もっとも重い水素7（原子核は陽子1、中性子6よりなる）はヘリウム10を軽水素に衝突させることで合成されている。質量数が4以上のものは寿命がきわめて短く、たとえば水素7では半減期が23ヨクト秒（=2.3×10⁻²³秒）ほどしかない。
水素の同位体は、それぞれの特徴を有効に活かした使い方をされる。重水素は原子核反応での用途で、中性子の減速に使用され、化学や生物学では同位体効果の研究、医療では診断薬の追跡に使用されている。また、三重水素は原子炉内で生成され、水素爆弾の反応物質や核融合燃料、放射性を利用したバイオテクノロジー分野でのトレーサーや発光塗料の励起源として使用されている。

水素分子

水素分子は、常温常圧では無色無臭の気体として存在する、分子式 H₂で表される単体である。分子量2.01588、融点 −259.2 ℃（常圧）、沸点 −25.6 ℃（常圧）密度 0.099 g/L比重 0.0695（気 1 として）、臨圧力 1280 気圧、水への解度 0.21 mL/mL（0 ）。最も軽い気体である。原子間離は 0.74 nm、結合エネルギーはよそ 04 kcal/mol。
水素分子は常温では安定であり、フッ素以外とは化学反応をまったく起こさない。しかし何かしらの外部要因があればその限りではなく、たとえば光がある状態では塩素と激しい反応を起こす。また、水素と酸素を混合したものに火をつけると起こす激しい爆発（水素爆鳴気）は、混合比下限は4.65パーセント、上限は93.3パーセントであり、空気との混合では4.1 - 74.2パーセントとなり、これはアセチレンに次ぐ広い爆発限界の範囲を持つ。
ガス密度が低い水素は速い速度で拡散する性質を持ち、また燃焼時の伝播も速い。そのため、ガス漏れを起こしやすい傾向にある。原子径の小ささから、金属材料に侵入し機械的特性を低下させる（水素脆化）傾向が強い。これは高温高圧環境下で顕著となり、封入容器の材質には注意を払う必要がある。−250℃以下で液化させると体積は 800分の1となり、さらに軽いため低温貯蔵性には優れる。
ガス惑星の内部など非常に高い圧力下では性質が変わり、液状の金属になると考えられている。逆に宇宙空間など非常に圧力が低い場合、H₂⁺やH₃⁺、単独の水素原子などの状態も観測されている。H₂分子形状の雲は星の形成などに関係があると考えられており、特に新生惑星や衛星の観察時にはそれを注視することが多い。

オルト水素とパラ水素

水素分子は、それぞれの原子核（プロトン）の核スピンの配向により、オルト（ortho）とパラ（para）の2種類の異性体が存在する。オルト水素は、互いの原子核のスピンの向きが平行で、パラ水素ではスピンの向きが反平行である。この2つは、化学的性質に違いがないが、物理的性質（比熱や熱伝導率など）がかなり異なる。これは内部エネルギーにある差によるもので、パラ水素側が低い。統計的な重みが大きいほうをオルトと呼ぶ。
常温以上では、オルト水素とパラ水素の存在比はおよそ3:1である。低温になるほどパラ水素の存在比が増し、絶対零度付近ではほぼ100パーセントパラ水素となる。オルト‐パラ変換を起こす触媒は、活性炭や鉄などの金属の一部、常磁性物質またはイオンなどがある。

金属水素

ガス惑星の内部など非常に高い圧力下では性質が変わり、液状の金属になると考えられている水素は、実際に1996年にローレンス・リバモア国立研究所のグループが、140GPa（1GPa=約1万気圧）、数千℃という状態で、100万分の1秒以下という短寿命ではあるが、液体の金属水素を観測したと報告している。しかしながら、2006年現在、数百GPaのオーダーで圧力を加える実験が行われているものの、固体の金属水素の観測はされていない。
励起状態の水素が金属化するときわめて強力な爆薬になるとの理論計算が行われ、電子励起爆薬として研究されている。この理論では圧力だけでは不十分であり、水素を励起状態にして圧力をかければ金属化するとしている。

超伝導の可能性

金属化そのものが達成されていないためにその真偽はいまだ不明であるが、金属化した水素は室温超伝導を達成するのではないかという予想がある。この可能性の傍証として、周期表で水素のすぐ下のリチウムは、30GPa以上という超高圧下で超伝導状態となることが示されている。リチウムの超伝導への転移温度は圧力48GPaで20K程度であるが、この数字は単体元素のものとしては高い部類に入り、いくつかの例外を除けば一般に軽い元素ほど転移温度は高くなるため、もっとも軽い元素である水素は、より高い転移温度を持つ可能性が十分ある。
木星型惑星（木星・土星）の深部は非常に高い圧力になっており、液体金属水素が観測された条件と似ている。木星型惑星を構成するもっとも主要な元素のひとつである水素は、この状況下では金属化している可能性があり、惑星の磁場との関わりも指摘されている。

物理的性質

元素およびガス状分子の中でもっとも軽く、また宇宙でもっとも数が多く、珪素量を10⁶とした際の比率は2.79×10¹⁰である。地球上では水や有機化合物の構成要素として存在する。
水素分子は常温・常圧では無色無臭の気体で、非常に軽く、非常に燃焼・爆発しやすいといった特徴を持つ。そのため日本では、高圧ガス保安法容器保安規則により、赤色のボンベに保管するように決められている。

水素イオンと水素化物イオン

水素のイオンには、陽イオンである水素イオン（hydron、ヒドロンまたはハイドロン）と、陰イオンの水素化物イオン（hydride、ヒドリドまたはハイドライド）とが存在する。¹H⁺はプロトン（陽子）そのものであるが、一般に水素は同位体混合物なので、水素の陽イオンに対する呼称としてはヒドロンが正確である（すなわちヒドロンは H⁺、D⁺、T⁺の総称である）。しかし、化学の領域において単に「プロトン」と呼ぶ際は水素イオンを指し示していると考えて差し支えはない。
水素イオンの濃度[H⁺]は酸性度を定量的に表す指標として用いられ、mol/L（モル毎リットル）単位で表した水素イオンの濃度の数値の対数に負号をつけた値を水素イオン指数（pH）で表す。水中の[H⁺]濃度は1から10⁻¹⁴mol/L程度の広い範囲を取り、pHでは0 - 14 程度となる。中性の水には約10⁻⁷mol/Lの水素イオンが存在し、pHは約7となる。

周期表上の位置

一般的な周期表では水素はアルカリ金属の上に配置されるが、2006年に周期表における水素の位置を変更すべきではないかとする論文が国際純正応用化学連合（IUPAC）に提出され、公式雑誌に掲載された。

エネルギー利用

水素はエネルギー変換効率が高く、燃焼すると水（水蒸気）となり、温室効果ガスとされる二酸化炭素や大気汚染物質を排出しない。現状では、水素はおもに化石燃料を使って製造しているものの、将来的には、水の電気分解やバイオマス・ごみなどを利用することにより、化石燃料によらないで製造できる可能性がある。このため、将来性の高いエネルギーの輸送および貯蔵手段として期待される。
水素はさまざまな利用法が考えられている。燃焼を直接使う方法としては水素自動車が挙げられるほか、火力発電の燃料に水素を混ぜて二酸化炭素などを減らす技術が研究されている。
水素を言わば「電池」として利用することも考えられている。鉛蓄電池、リチウム電池、NAS電池など、比較的大きな容量の充電が可能な電池がいろいろと開発されてきたものの、それでも電気エネルギーは貯めておくのが比較的困難なエネルギーとして知られている。そこで、必要以上の電力が得られるときに水を電気分解して生産した水素を貯蔵し、電力が必要となった時に貯蔵しておいた水素を使って発電を行うのである。必要以上の電力が得られるときに水をポンプで汲み上げて水の位置エネルギーとして電気エネルギーを貯める揚水発電はすでに実用化されているが、それと同様に電力需要のピーク時に対応する手法のひとつとして水素は利用できる。
ほかにも太陽光発電や風力発電といった発電法のように、発電量が比較的自然条件に左右されやすいものの、十分な発電量が得られるときに水の電気分解を行って水素を貯蔵するという方法で、これらの発電量の不安定さを解消する方法が考えられている。
また、水素を電力の輸送手段として利用することも考えられている。長距離の送電を行うと送電線の抵抗などの関係で送電によるエネルギーの損失（送電ロス）が多くなる。小水力発電や火力発電や比較的低温の熱源を利用した発電法などのように、電力需要の多い都市の近くに発電所を立地できる場合は送電ロスの問題もあまりない。しかし、必要に応じて変圧を行うなど送電ロスを少なくする工夫は行われているものの、2011年時点では送電ロスなしに長距離を送電する手法は実用化されていない。このためいわゆる自然エネルギーを利用した発電法に限らず、あらゆるエネルギーを利用した発電法において電力の供給地と需要地とが離れている場合には、どうしても送電ロスの問題が避けられない。ここで水素として輸送すれば、水素を逃がさなければ輸送中の水素のロスは発生しない。ただし水素を輸送する手段によって消費されるエネルギー（たとえば自動車で輸送すれば燃料が消費される）もあるため、どうしてもエネルギーのロスは発生してしまうという問題は残る。また、水素から電気に戻す際にもエネルギーロスが発生する。ただし、このロスは、熱として利用できる。
最近ではマグネシウムと水を反応させて水素を作り出す方法も開発されている。マグネシウムと水が反応して発生する水素のほか、反応時の熱もエネルギー源として利用できる。最大の課題は使用後のマグネシウムの還元処理で、太陽光などから変換したレーザー照射による高温により還元する方法が考えられている。ほかに燃料電池の燃料としての水素の利用はよく知られているが、コンバインドサイクル発電などに利用することも考えられている。

燃料電池

空気中の酸素と反応させて水を生成しながら発電する水素 – 酸素型燃料電池は19世紀中ごろには実験的に成功したが、生活家電などの分野へは応用されず、20世紀の宇宙開発を通じて技術検討が進んだ。燃料電池は現時点の技術においては発電効率が35 - 60パーセントと高く、発熱エネルギーを回収することができれば80パーセントまで高めることができる。環境負荷も低いという利点がある。燃料にはメタノールを用いる機械もあるが、水素ガスを利用するものでは自動車への積載を念頭に置いた固体高分子形燃料電池（PEFC）が有力視されており、電解質分離膜や電極劣化の抑制など技術開発が進められている。また宇宙船では燃料電池から得られる電力のほかに、同時に生成される水の利用も行われることがある。

貯蔵技術

水素をエネルギー利用する上での課題のひとつには、ガス状水素を貯蔵する際の問題がある。既述のように空気との混合4.1  - 74.2パーセントという広い爆発限界の範囲を持つために、漏出しないようにする技術が必要となる。水素は原子半径が小さいために容器を透過したり、劣化させたりするため、ほかの元素や燃料を貯蔵するのとは勝手が違ってくる。2002年2月に発足した「燃料電池プロジェクト・チーム」の報告では、自動車に積載しガソリン相当の 500キロ以上走行が可能な水素貯蔵を目標に据えた。これに相当する水素ガスは5キロであり、常温常圧下では61,000リットルに相当する。
従来からの貯蔵手法では、高圧化と液体化の2つがある。水素は金属脆化を起こすため、特に高圧ガスを密閉するにはアルミニウム – マグネシウム – シリコン合金をファイバー強化したものが開発されているが、日本の高圧ガス保安法が定める上限の350気圧では実用的に自動車積載が可能なガス量は3.5キロにとどまり、5キロを実現するためには安全に700気圧相当を密封できる容器が検討されている。液体化も同様の問題を解決する必要があり、オーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金・チタン合金などを素材に検討が進む。しかし、高圧化や液体化には密封する際にも加圧や冷却などでエネルギーを消費してしまう点も課題として残る。
水素を貯蔵する物質には金属類である水素吸蔵合金と、無機・有機物質が提案されており、いずれも水素化物を作り効率的に水素を捕まえることができる。水素吸蔵合金は、ファンデルワールス力（分子間力の一種）で表面に吸着（物理吸着）させた水素分子を原子に解離（解離吸着、化学吸着）し、水素化合物を反応生成しながら合金の格子内に水素原子を拡散させる。取り出すには加熱または合金周囲の水素ガス量を減らすことで水素化物が分解しガスが放出される。必要な温度は通常50℃であり、高くとも250℃程度、圧力も常圧から100気圧程度までであり、水素ガスの体積を1,000分の1に収めることができる。課題は合金と水素の重量比にあり、現状では5kgの水素を吸蔵するための合金重量は170 - 500キロ程度が必要になる。このほか、イオン結合を主とする錯体水素化物や、アンモニアボランなども水素吸蔵性能を持つ物質として研究されている。

水素循環社会

自然エネルギーからの電気（太陽光発電や人工光合成）によって水の電気分解から水素を生成してエネルギー媒体として貯蔵し、燃料電池を使って発電し電気を取り出すというエネルギーの循環構想がある。
一見、理想的で無駄のないサイクルに見えるが、電気分解から燃料電池による発電までの行程ではニッケル水素電池やリチウムイオン充電池と比較して効率が大幅に低い。高分子固体電解質を利用した電気分解の工程では分解時に両極でガスが発生するが、これが連続した反応を阻害する一因となる。また、燃料電池での発電行程でも同様に燃料電池のガス拡散電極の特性上、電流密度を上げるためにはスタックを重ねなければならず、取り出す電流を2倍にしようとすれば電極の面積も2倍にしなければならず、単位容積ごとの効率が低い。貯蔵時にも専用の高圧タンクや水素吸蔵合金を使用しなければならないため、単位体積ごと、あるいは単位重量ごとのエネルギー密度を下げる要因になり、利点を相殺してしまっている。

生体研究

水素に関する研究について概説する。1671年にはロバート・ボイルによって水素ガスが生成され、水素はガスであると認識され、生理的に不活性なガスだと考えられ、注目されなかった。初期には、水素分子の生物学的効果は小規模に研究されてきた。1975年に、Doleらは水素ガスが動物の皮膚腫瘍を退縮するという研究結果を『サイエンス』にて報告したが、注目はされなかった。肝臓に慢性の炎症を持つマウスでの高圧水素の抗炎症作用は、2001年に報告された。こうした研究は数が限られている。
水素ガスを含む吸気として、たとえば飽和潜水用のガスとして水素50パーセント、ヘリウム49パーセント、酸素1パーセント用の混合気が用いられており、この場合、水素に起因する毒性や安全性の問題は見られていない。
日本医科大学の太田成男の2007年の水素での実験を受けて、慶應義塾大学では2012年から心停止のラットでの治療モデルを確立してきた。2015年10月には、慶應義塾大学先導研究センター内に水素ガス治療開発センターが開設された。
心肺停止時の水素ガスの吸入は先進医療Bに認定され、研究が進められている。2016年9月には、初のヒトを対象とした慶応義塾大学の研究が公表され、従来の研究で動物を対象として心停止の際の脳と心臓停止を抑えていたが、5人中4人が90日後には普通の生活に戻った。これは2月に慶応義塾大学を中心とした臨床研究の開始が報道されていたもので、心停止の影響によって寝たきりとなる、言葉がうまく話せなくなるといった後遺症が残ることが多く、これを抑制するための医療現場への導入が目標とされている。
αグルコシダーゼ阻害剤である糖尿病治療薬のアカルボースを服用すると炭水化物の吸収が抑制され、大腸の腸内細菌により水素などが発生する。アカルボースの服用が心血管事故を抑制する可能性があり、この原因として高血糖の抑制に加えて、呼気中に水素ガスの増加が認められ、この増加した水素の抗酸化作用で心血管事故を抑制するメカニズムが想定されている。
水素と水素が水に溶存した水素水の研究は、2007年から2015年6月までで321の水素の論文があり、臨床試験も年々増加してきた。