水素は、電子1個と陽子1個からできています。これは、水 (H2O) および地球上に存在する他のすべての有機物質の重要な構成要素の 1 つです。土星と木星は水素でできており、このガスが広がっていることを示しています。他のアルカリ金属と同様に、原子価殻に 1 つの電子を含み、一価イオン H+ を生成しますが、イオン化エネルギーはハロゲンに似ています。水素の原子核には、1 つの正に帯電した陽子、1 つの負に帯電した電子、および 1 つ、2 つ、または 3 つの中性子があります。
同位体は、中性子数が異なる同じ元素の異なるバージョンです。水素イオンの質量は、そこに存在する中性子の数に影響されます。水素は、二原子分子 H2 からなる、無臭、無味、無色、無毒の気体です。水素は多くの非金属元素と容易に共有結合化合物を形成するため、地球上で見つかったほとんどの水素は、水や有機分子のような分子の形をしています。
水素の化学構造
水素原子は、水素原子核内の 1 つの正電荷の陽子と 1 つの負電荷の電子、および 1 つ、2 つ、または 3 つの中性子から構成されます。水素原子の原子質量は、原子核に存在する中性子の数によって決まります。水素の同位体を水素の同素体と混同しないでください。
水素の準備
分子から水素元素を生成するには、化学結合を切断する必要があります。以下は、最も一般的な水素の調製方法です:-
- 水素の化学反応
- イオン性金属水素化物と水との反応
- 電気分解
- 金属や酸との反応
- 蒸気と炭素または炭化水素から
水素は、通常の条件下では化学的に不活性です。加熱プロセスを通じて、さまざまな化学プロセスに関与します。
硝酸を生成するために利用される肥料であるアンモニアの合成は、世界の水素の 3 分の 2 を消費します。有機化学の章で説明されている水素化プロセスでは、大量の水素が必要でした。
水素は無公害燃料として使用できます。水素と酸素の相互作用は非常に発熱性であり、H2O 1 モルあたり 286 キロジュールのエネルギーを生成します。制御された状況下では、水素は爆発することなく燃焼します。水素燃焼の膨大な熱により、酸素水素トーチは約 2800 °C の温度に達することがあります。このトーチの強烈な炎は、重い金属板の切断に最適です。
元素と水素の反応
水素は、加熱すると1族金属やSr、Ba、Caと反応します。一般に、非金属との水素反応は、1+ 酸化の状態で水素を含む酸性水素分子をもたらします。非金属の電気陰性度が大きくなるにつれて、反応は非常に揮発性の発熱反応に変わります。加熱すると、水素は硫黄および窒素とのみ反応しますが、フッ素と激しく結合し (HF を生成)、場合によっては塩素 (HCl を生成) と結合します。
酸素と水素の混合物に火をつけると爆発します。反応は不安定であるため、限られた空間で水素を取り扱う際には、爆発性混合物の生成を減らすために注意を払う必要があります。ほとんどの非金属水素化物は酸性ですが、アンモニアとホスフィン (PH3) は塩基として使用される非常に弱い酸です。
水素と化合物との反応
多くの金属の加熱された酸化物は水素によって還元され、水と金属蒸気が生成されます。たとえば、高温の CuO に H ガスを通すと、水と銅が生成されます。水素は、金属酸化物の酸化状態を下げることもできます:
H2 (g) + MnO2 (s) → ΔMnO(s) + H2 O(g)
活性金属と水との反応
2 Na(s) +2 H2 O(l) →2 Na+(aq)+2 OH-(aq)+H2 (g)
イオン性金属水素化物と水との反応
NaH(s) +H2 O(l)→ Na+(aq)+OH-(aq)+H2 (g)
水素の使用
- 水素は窒素肥料の製造に利用されます。
- 水素化不飽和植物油がバナスパティ脂肪を作ります。
- 水素は、メタノールなどのさまざまな有機化学物質の形成に利用されます。
- 水素は、塩化水素の形成において重要な化合物です。
- 冶金プロセスにおけるいくつかの金属酸化物は、金属を作るために水素を使用します。
- 宇宙研究センターでロケット燃料として使用されています。
