水素
分子構造の研究に非常によく利用される核磁気共鳴分光法(NMR)において、Hを用いた方法は代表的である。Hはすべての核種の中で最も強い特異吸収を示すうえ、水素はほとんどすべての有機化合物に含まれることもあり、NMRにおいてよく利用される。周囲の原子の電子から影響を受ける結果、吸収される周波数が変化する(化学シフト)ため、原子の相対位置を推測する有力な手掛かりとなる。
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。H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10mol/L程度の広い範囲を取り、pHでは0 – 14 程度となる。常温で中性の水には約10mol/Lの水素イオンが存在し、pHは約7となる。
宇宙空間は、私たちが日頃暮らしを営む環境とは大きく異なるため、全く異なる現象が起こる。水素の場合も例外ではない。例えば惑星大気の上層部分では、水素に高エネルギー電子が衝突することによって、三水素イオンが生成する。
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)}}}
この三水素イオンは、宇宙空間のような低圧条件では安定して存在できる。このイオンは惑星大気の分析に用いられる。このイオンの濃度を調べることで、その惑星の上層大気についての情報を得ることができる。