質問: 水素と酸素の反応による爆発と水素爆弾の違いを教えてください 水素と酸素を反応させて爆発させることによって、燃料電池などに応用する技術が知られていますが、この反応と水素爆弾による反応はどう違うのでしょうか? できるだけわかりやすくお教えいただければありがたく存じます。 よろしくお願いいたします。
回答: 水素と酸素の化学反応は燃焼と言う現象で生成物としては水ができますね。この時できた水の中には水素も酸素もそれぞれの原子が元のまま存在しています。一般にいう化学反応は原子そのものは変化してしまうことはなく、複数の原子が互いの原子の最も外側にある電子の部分だけで結合したり離れたする現象です。従って水素と水を反応させた結果得られる水の分子式はh2oで水素2つと酸素が結びついたことが見て取れます。 ところが核融合では原子そのものが別の原子に変わってしまいます。水素同士の核融合反応では得られる物質はヘリウムです。水素がヘリウムという原子に変わってしまっているのです。これは普通の化学反応と異なり原子の外を回る電子だけでなく、原子の中心にある原子核の部分まで反応進んで原子核を構成する部品(陽子や中性子)まで結びついた状態になってしまいます。こうなるともはや水素は水素ではなくなってしまいます。ただしこのような現象は非常に高い温度や圧力のもとでしか起こらないので、身近に見る核融合反応といえば太陽ぐらいでしょう。核融合反応では元の原子より原子番号の大きな(重い)原子ができます。 原子炉などに使われているのは核融合の逆の反応で核分裂と言う反応です。ウランやプルトニウムなどの非常に重い元素の同位体と呼ばれる不安定な原子(放射線や中性子を出しながら崩壊していく)をある密度以上に集めると、崩壊の際に放出される中性子が回りの原子に飛び込み、更に当たった原子の中性子をたたき出すと言う連鎖反応が起こり鼠算的にその数が増えていきます。このまま放っておくと、急速に反応が進み原爆になってしまいます。それでは困るので、飛び出した中性子の内の必要以上の分を吸収して連鎖反応の進み方をコントロールしたのが原子炉です。 核分裂より核融合の方が取り出せるエネルギーははるかに大きく、核分裂と異なり放射能の危険も無いのですが、ただし温度があまりにも高く安定して行わせることができないので、核融合炉というのは今のところできていません。 ちなみに燃料電池では水素と酸素を反応させてはいますが爆発も炎を出すような燃焼もさせてはいません。先に述べた通り水素と酸素の反応は原子の外側にある電子のレベルでの問題なので、この反応が起こるとき電子が移動します。電子が移動すると言うことは電流が流れると言うことです。通常の化学反応ではこの電子の動きは勝手な方向に起こるため電流を取り出すことはできませんが、固体電解質という特殊物質上でこの反応を行わせることにより、方向をそろえることができるのです。方向がそろった電子の移動があればそれは一定方向に電流が流れる事を意味しますので電力が取り出せるのです。この他にも最新の技術を利用した発電設備にmhd(磁性流体)発電等と言うのもあります。興味があれば検索してみてはいかがでしょう。