最終更新：2025年4月11日

水素：目に見えないが非常に現実的な効果を持つ元素

発見の歴史

水素は18世紀に独自の物質として特定されました。17世紀には、ロバート・ボイル（1627-1691）のような学者が、金属と酸の反応で可燃性ガスが放出されることを観察していました。しかし、1766年にヘンリー・キャベンディッシュ（1731-1810）がこのガスを分離し、体系的に研究しました。彼はこれを「可燃性空気」と呼び、燃焼時に水を生成することを示しました。
1783年、アントワーヌ・ラボアジエ（1743-1794）はキャベンディッシュの結果を正しく解釈し、水が化合物であり元素ではないことを証明しました。彼はこのガスを水素と名付け、「水を生む」（ギリシャ語のhydro = 水、genes = 生成）という意味です。この発見は近代化学の誕生に決定的な役割を果たしました。

構造と基本的な性質

水素（記号H、原子番号1）は、1つの陽子と1つの電子からなる最も単純な化学元素です。最も一般的な同位体であるプロチウム（¹H）は中性子を持ちません。他に2つの同位体があります：重水素（²H）は安定で自然界に微量存在し、三重水素（³H）は半減期約12.3年の放射性同位体です。
室温では、水素は二原子ガス（H₂）として存在し、極めて軽い（密度≈0.08988 g/L）、無色、無臭、高い可燃性を持ちます。融点は13.99 K、沸点は20.27 Kです。

水素の同位体表

水素の同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
プロチウム — \(\,^{1}\mathrm{H}\,\)	1	0	1.007825 u	≈ 99.985 %	安定	陽子1つのみの核；原子状水素の基礎。
重水素 — \(\,^{2}\mathrm{H}\) (D)	1	1	2.014102 u	≈ 0.0156 %	安定	陽子1つ + 中性子1つ；結合核、NMRや核融合に使用。
三重水素 — \(\,^{3}\mathrm{H}\) (T)	1	2	3.016049 u	微量	12.32年	β\(^-\)崩壊で\(\,^{3}\mathrm{He}\)を生成。原子炉で生産され、D–T核融合に使用。
極端な中性子同位体 — \(\,^{4}\mathrm{H},\,^{5}\mathrm{H},\,^{6}\mathrm{H},\,^{7}\mathrm{H}\)	1	3 — 6	— (共鳴状態)	非天然	\(10^{-22}\) — \(10^{-21}\) 秒	実験室で観察される非常に不安定な状態；中性子放出による即時崩壊。

化学的反応性

水素は強力な還元剤であり、ハロゲン、酸素、硫黄、金属など多くの元素と化学結合を形成します。水素化物を形成し、文脈に応じて酸（プロトン供与体）または塩基（プロトン受容体）として振る舞います。水素は、酸として作用する際にプロトンを放出して金属酸化物の還元に関与し、塩基として作用する際にプロトンを捕獲して有機化合物の水素化に関与します。

水素の産業および技術的応用

肥料に使用される基礎製品であるアンモニアの製造；
精製所での燃料の品質向上；
水素を直接電気に変換する燃料電池；
ロケット推進用の超低温燃料；
CO₂排出量を削減する経済におけるクリーンエネルギー源；
マーガリン製造などの食用油脂の水素化；
プラスチック、溶媒、化学製品に使用されるメタノールの生産；
特定の金属または非金属化合物を変換する化学還元剤；
ほぼゼロエミッションの車両（自動車、バス、列車、船舶）用燃料；
太陽光や風力で生成された余剰電力の貯蔵；
極低温での材料研究；
核融合プロジェクト（重水素と三重水素）の実験用燃料；
NMRイメージングにおける重水素同位体を用いた分子のトレースや重水素化溶媒；
敏感な化学化合物の酸化を防ぐ保護ガス。

天体物理学と宇宙論における役割

水素は宇宙のバリオン質量の約75％を占めます。ビッグバンの際に大量に合成されました。恒星では、陽子-陽子連鎖反応またはCNOサイクルによる熱核融合反応の燃料として使用されます。星間物質中では、原子状（H I）、分子状（H₂）、イオン化（H⁺）の形で存在します。 21 cm線は、銀河構造をマッピングするための電波天文学の主要なツールです。

注 :
21 cm線は、宇宙空間の水素原子が放出する電波信号です。水素原子内の陽子と電子のスピンの向きがわずかに変化すると、光子が放出されます。この遷移はまれで非常に弱いですが、天文学者が銀河や近隣銀河の水素分布を「見る」ために非常に有用です。可視光を遮る塵の雲を容易に通過するためです。