化学

【化学】「水素」って何?化学専攻が教える文系でもわかる「水素」のお話

よぉ、桜木建二だ。
今回は周期表で1番目の原子である水素について学んでいくぞ。
電池や燃料として使われているから水素を知らない人はいないと思う。
でも、ほとんどの人が水素が何か知らないんじゃないか?
水素は最も基本的な原子だから、これを学べば他の原子の理解にも繋がるぞ。
では、化学に詳しく、大学での研究の実験で水素を使用したこともあるライターshiogiと一緒に解説していこう。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

shiogi

ライター/shiogi

大学院を卒業し、化学系の専攻で修士号を取得している。海外の学会での研究成果の発表経験がある。

1. 聞いたことはあるけど、水素って結局なに?

image by iStockphoto

水兵リーベ僕の船……。

この語呂合わせで原子(げんし)が並べられた周期表(しゅうきひょう)を暗記した人も多いと思います。今回はこの語呂合わせの最初に出てくる「水」こと水素(すいそ)についてのお話です。

水素はとても身近な気体ですよね。皆さんも水素爆発水素燃料電池などのキーワードを聞いたことがあるのではないでしょうか。しかし、ほとんどの人がそもそも水素が何であるかということは知らないと思います。

でも、水素は原子の中でも最もシンプルな原子なので、基礎を理解するのは簡単。だから、文系で全く化学の知識がない人でも大丈夫。水素から化学の世界に入門しましょう。

それでは、最初に水素とは何かという基礎から学んでいきます。

1.1. 水素原子って何からできてるの?

水素は原子番号1番の原子です

原子番号は正の電荷をもつ粒子である陽子(ようし)の数を表します。だから、原子番号が1の水素は1つの陽子をもっているということになるんです。

さらに、水素は1つの陽子だけではなく、1つの電子(でんし)ももっています。陽子が正の電荷をもつのに対し、電子は負の電荷を帯びています。

また、水素原子は宇宙に最も豊富に存在する原子です。宇宙全体の質量の3/4を占めていると考えられています。

水素は最も構造がシンプルであり、かつ最もありふれた原子なんです。

1.2. 水素原子と気体の水素って違うの?

実は、水素原子と気体の水素は違うんです

一般的に私たちが水素と呼ぶのは、水素原子が2つ結合してできた水素分子(すいそぶんし)から構成される気体を指します。水素原子2つが結合しているので表記はH2です。

そして、水素は最も軽い気体になります。なんと、体積あたりの重量は二酸化炭素の22分の1しかありません。

また、水素は無色・無臭なので、私たちが目で見たり、臭いで感じ取ることは不可能です。

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水素原子と気体の水素はどちらも「水素」と呼ばれるが異なるものだな。
水素原子は1つの陽子と1つの電子からできている。
一方、気体の水素は水素原子が2つ結合してできた水素分子から構成されている。
ややこしいが、しっかりと区別して覚えよう。

2. 水素は3種類もある!?

実は水素原子は3種類もあるんです。


先ほど、水素は1つの陽子と1つの電子から構成されると説明しました。
しかし、この2つの粒子に加えて電荷をもたない中性子(ちゅうせいし)という粒子をもっている水素があります

最初に説明した中性子をもたない水素を軽水素(けいすいそ、1H)とも呼ぶんです。それに対して、1つの電子と陽子に加えて中性子を1つもつ水素原子を重水素(じゅうすいそ、2H)と呼びます。さらに、中性子を2つもつ水素原子は三重水素(3H、さんじゅうすいそ)です。

重水素と三重水素は軽水素と性質が異なるため、それぞれ別の応用がされています。

重水素は原子核反応において中性子の減速や診断薬の追跡に使用されているんです。一方、三重水素は核融合燃料や発光塗料に応用されています。

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