水素のソースを表示

{{redirect3|Hydrogen|元素|ソフトウェア|Hydrogen (ソフトウェア)|ゲームソフトウェア|水素〜1/2の奇蹟〜}}
{{元素
|name = Hydrogen
|japanese name = 水素
|number = 1
|symbol = H
|left = -
|right = [[ヘリウム]]
|above = -
|below = [[リチウム|Li]]
|series = 非金属
|series comment =
|group = 1
|period = 1
|block = s
|series color =
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|appearance = 無色の気体{{sfn|桜井|1997}}
|image name = Hydrogen discharge tube.jpg
|image size = 250px
|image name comment = プラズマ状態の紫色の輝き
|image name 2 =
|image size 2 =
|image name 2 comment =
|atomic mass = 1.00794
|atomic mass 2 = 7
|atomic mass comment =
|electron configuration = 1s{{sup|1}}
|electrons per shell = 1
|color = 無色{{sfn|桜井|1997}}
|phase = 気体
|phase comment =
|density gplstp = 0.08988{{sfn|桜井|1997}}
|density gpcm3nrt =
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|desnity gpcm3nrt 3 =
|density gpcm3mp =
|melting point K = 14.01{{sfn|桜井|1997}}
|melting point C = &minus;259.14{{sfn|桜井|1997}}
|melting point pressure =
|sublimation point K =
|sublimation point C =
|sublimation point F =
|sublimation point pressure =
|boiling point K = 20.28{{sfn|桜井|1997}}
|boiling point C = &minus;252.87{{sfn|桜井|1997}}
|boiling point pressure =
|triple point K = 13.8033
|triple point kPa = 7.042
|triple point K 2 =
|triple point kPa 2 =
|critical point K = 32.97
|critical point MPa = 1.293
|heat fusion = (H{{sub|2}}) 0.117
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|heat vaporization pressure =
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|vapor pressure 1 k =
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|vapor pressure 100 k = 20
|vapor pressure comment =
|crystal structure = [[六方晶系]]
|oxidation states = 1, &minus;1
|oxidation states comment = [[両性酸化物]]
|electronegativity = 2.20
|number of ionization energies = 1
|1st ionization energy = 1312.0
|atomic radius =
|atomic radius calculated =
|covalent radius = 31±5
|Van der Waals radius = 120
|magnetic ordering = [[反磁性]]<ref>{{PDF|[https://web.archive.org/web/20040324080747/http://www-d0.fnal.gov/hardware/cal/lvps_info/engineering/elementmagn.pdf Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds]}}（2004年3月24日時点の[[インターネットアーカイブ|アーカイブ]]）, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.</ref>
|electrical resistivity =
|electrical resistivity at 0 =
|electrical resistivity at 20 =
|thermal conductivity = 0.1805
|thermal conductivity 2 =
|thermal diffusivity =
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|thermal expansion at 25 =
|speed of sound = (gas, 27 &deg;C) 1310
|speed of sound rod at 20 =
|speed of sound rod at r.t. =
|Tensile strength =
|Young's modulus =
|Shear modulus =
|Vickers hardness =
|CAS number = 12385-13-6<br>1333-74-0 (H{{sub|2}})>{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}
|isotopes =
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=1 | sym=H | na='''99.985%'''{{sfn|桜井|1997}}| n=0 }}
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=2 | sym=H | na='''0.015%'''{{sfn|桜井|1997}} | n=1 | link=重水素 }}
{{Elementbox_isotopes_decay | mn=3 | sym=H | na=[[微量放射性同位体|微量]] | hl=12.4 [[年|y]]{{sfn|桜井|1997}} | dm=[[β崩壊|β{{sup|&minus;}}]]{{sfn|桜井|1997}} | de=0.01861 | pn=3 | ps=[[ヘリウム|He]] | link=三重水素 }}
}}
'''水素'''（すいそ、{{lang-en-short|hydrogen}}、{{lang-la-short|hydrogenium}}、{{lang-fr-short|hydrogène}}、{{lang-de-short|Wasserstoff}}）は、[[原子番号]]1の[[元素]]である。[[元素記号]]は'''H'''。[[原子量]]は1.00794{{sfn|桜井|1997}}。[[非金属元素]]のひとつである。

ただし、一般的に「水素」と言う場合、元素としての水素の他にも水素の[[単体]]である'''水素分子'''（水素ガス）'''H{{sub|2}}'''、1個の[[陽子]]を含む[[原子核]]と1個の[[電子]]からなる'''水素原子'''、水素の原子核（ふつう1個の陽子、'''[[プロトン]]'''）などに言及している可能性があるため、文脈に基づいて判断する必要がある。

== 名称 ==
[[File:Antoine_lavoisier.jpg|thumb|left|80px|命名者のラヴォアジエ]]

[[1783年]]、[[アントワーヌ・ラヴォアジエ|ラヴォアジエ]]が「{{audio|Fr-hydrogène-FR Paris.ogg|音声|help=no}}、イドロジェーヌ（'''{{fr|hydrogène}}'''）」と命名した{{sfn|桜井|1997}}。[[ギリシア語]]の 「{{lang|el|ὕδωρ}}＝『水』」と 「{{lang|el|γεννάν}}＝『生む』『作り出す』」を合わせた語で、''水を生むもの''を意味する{{sfn|桜井|1997}}。英語では「{{audio|en-us-hydrogen.ogg|音声|help=no}}、ハイドロジェン（'''{{en|hydrogen}}'''）」という。

日本語の「水素」は、[[オランダ語]]「{{audio|Nl-waterstof.ogg|音声|help=no}}、ワーテルストフ（'''{{nl|waterstof}}'''）」の意訳である。[[宇田川榕菴]]が書いた『[[舎密開宗]]』で初めて用いられた。[[ドイツ語]]の「{{audio|De-Wasserstoff.ogg|音声|help=no}}、ヴァッサーシュトフ（'''{{de|Wasserstoff}}'''）」も同じ構成の複合語である。{{ISO639言語名|ko}}でも同じく水素（[[ハングル]]:수소 {{audio|ko-수소.ogg|音声|help=no}}）と称する。

[[中国語]]ではその気体としての軽さから「軽」の[[旁]]を用いて「{{Lang|zh|氫}}」（{{ピン音|qīng}} {{audio|Zh-qīng.ogg|音声|help=no}}）という字があてられている。

''詳細は「[[元素の中国語名称]]」を参照''

== 歴史 ==
[[1671年]]に、[[ロバート・ボイル]]が[[鉄]]と[[希硝酸]]を反応させて生じる気体が[[可燃物|可燃性]]であることを記録している{{sfn|桜井|1997}}。[[1766年]]、[[ヘンリー・キャヴェンディッシュ]]が水素を[[気体]]として分離し、発見した。

=== 量子力学における役割 ===
陽子1つと電子1つからなるシンプルな構造ゆえ、原子構造論の発展において水素原子は中心的な役割を果たしてきた。事実、[[量子力学]]の入門として、[[水素原子]]や水素様分子をまず取り扱う教科書がほとんどである。

== 分布 ==
水素は[[宇宙]]でもっとも豊富に存在する[[元素]]であり、（[[ダークマター]]と[[ダークエネルギー]]を除いた）宇宙の質量の4分の3を占め<ref>{{cite web|last=Palmer|first=D.|title=What is the known percentage of hydrogen in the Universe and where is it?|url=https://imagine.gsfc.nasa.gov/ask_astro/cosmology.html|publisher=[[NASA]]|date=13 September 1997|accessdate=2010-05-08}}</ref>、総量数比では全原子の90 %以上となる{{sfn|Anders|Grevesse|1989|p=197}}。これらのほとんどは[[星間ガス]]や[[銀河間ガス]]、[[恒星]]あるいは[[木星型惑星]]の構成物として存在している。

水素原子は[[宇宙]]が誕生してから約38万年後{{Sfn|クリエイティブ・スイート|2009|p=22}}に初めて生成したとされている。それまでは[[陽子]]と[[電子]]がバラバラの[[プラズマ]]状態で[[光]]は宇宙空間を直進できなかったが、電子と陽子が結合することにより宇宙空間に散乱されずに進めるようになった。これを「[[宇宙の晴れ上がり]]」という。
[[ファイル:Emissions Spectra.webm|サムネイル|水素スペクトルテスト]]
宇宙における[[主系列星]]のエネルギー放射のほとんどは[[プラズマ]]となった4個の水素[[原子核]]が[[ヘリウム]]へ[[核融合]]する反応によるもので、比較的軽い星では[[陽子-陽子連鎖反応]]、重い星では[[CNOサイクル]]という過程を経てエネルギーを発生させている。水素原子はいずれの核融合反応においてもこれを起こす担い手である<ref>{{Cite web|和書|title=宇宙科学入門第7回資料|url=http://www.sci.kagoshima-u.ac.jp/~nishio/KOUGI/InSP2003-7Resume.pdf|format=PDF| author=西尾正則|publisher=[[鹿児島大学]]理学部|accessdate=2010-05-09}}</ref>。[[太陽]]の組成に占める水素の割合は約73 %{{efn2|次いでヘリウムが約25 %{{sfn|井田|2014|p=9}}{{sfn|Asplund|Grevesse|Sauval|Scott|2009|pp=24 & 46}}。}}である{{sfn|井田|2014|p=9}}{{sfn|Asplund|Grevesse|Sauval|Scott|2009|pp=24 & 46}}。

地球表面の元素数では[[酸素]]・[[珪素]]に次いで3番目に多いが{{sfn|桜井|1997}}、水素は質量が小さいため、質量パーセントで表す[[クラーク数]]では9番目となる{{要出典|date=2021年4月}}。地球表面の元素数ではほとんどは[[海水]]の状態で存在し{{sfn|桜井|1997}}、単体の水素[[分子]]状態では[[天然ガス]]の中にわずかに含まれる程度である{{要出典|date=2021年4月}}。海水における推定存在度は1 Lあたりに108 g、[[地殻中の元素の存在度|地球の地殻における推定存在度]]は1 kgあたり1.4 gであり<ref name="JLab">{{Cite web|title=The Element Hydrogen|work=It’s Elemental|website=[[:en:Thomas Jefferson National Accelerator Facility|JLab]]|url=https://education.jlab.org/itselemental/ele001.html|accessdate=2021-04-17}}</ref>、また[[空気]]中にも含まれるがごく微量であり、存在比率は容積比で5×10の−5乗%、重量比で3×10の−6乗である<ref>{{Cite web |url=https://www.env.go.jp/earth/coop/coop/document/02-apctmj1/02-apctmj1-011.pdf |title=「大気」概論 |publisher=[[環境省]] |accessdate=2024-12-22}}</ref>。[[大気散逸|宇宙空間に散逸]]する[[地球の大気]]は少ないが、それでも1秒あたり水素が3 kg、ヘリウムが50 gずつ放出されている。これは大気が薄く[[原子]]や分子の速度が減速されずに宇宙へ飛び出す{{仮リンク|ジーンズエスケープ|en|Jeans Escape}}や、[[イオン (化学)|イオン]]状態の[[荷電粒子]]が[[地磁気|地球磁場]]に沿って脱出する現象がある。なお、加熱された粒子がまとまって流出する{{仮リンク|ハイドロダイナミックエスケープ|en|Hydrodynamic escape}}や太陽風が持ち去る[[スパッタリング]]は現在の地球では起きていないが、地球誕生直後はこの作用によって水素が大量に散逸したと考えられる{{sfn|日経サイエンス編集部|2009}}。

固有磁場を持たない[[金星]]は、現在でもハイドロダイナミックエスケープやスパッタリングが続き、地表には比較的重いため残った酸素や炭素が作る[[二酸化炭素]]が大気のほとんどを占め、水がない非常に乾燥した状態にある。火星も軽い水素を中心に散逸し、かろうじて[[氷]]となった水が極部分の土中に残るにとどまる{{sfn|日経サイエンス編集部|2009}}。

== 同位体 ==
{{main|水素の同位体}}[[Image:Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schmatic-ja-textpath.svg|left|300px|thumb|水素の同位体の原子図。左端からそれぞれ水素、重水素、三重水素。図中の赤い丸は[[陽子]]、黒い丸は[[中性子]]、青い丸は[[電子]]を表している。]]
[[質量数]]が2（[[原子核]]が[[陽子]]1つと[[中性子]]1つ）の'''[[重水素]]'''（{{sup|2}}H）、[[質量数]]が3（[[原子核]]が[[陽子]]1つと[[中性子]]2つ）の'''[[三重水素]]'''（{{sup|3}}H）等と区別して、[[質量数]]が1（[[原子核]]が[[陽子]]1つのみ）の普通の水素（{{sup|1}}H）を'''軽水素'''とも呼ぶ。[[ファイル:Protium.svg|thumb|right|150px|水素のもっとも一般的な同位元素であるプロチウムは、1つの陽子および1つの電子を持つ原子。安定している同位元素の中では、唯一中性子をまったく持っていないのが特徴である。<!--
Protium, the most common isotope of hydrogen, has one proton and one electron. Unique among all stable isotopes, it has no neutrons (see diproton for a discussion of why others do not exist).
--><!-- 英語版から意訳してみました。最適な訳がありましたら編集お願いします。-->
]]
天然の水素には、水素（軽水素、プロチウム）'''{{sup|1}}H'''、[[重水素]] '''{{sup|2}}H''' （デュウテリウム、ジューテリウム{{sfn|化学工業日報|1996|loc=重水素|pages=234-235}}、略号'''D'''）、[[三重水素]] '''{{sup|3}}H''' （トリチウム、略号'''T'''）の3つの[[同位体]]が知られている{{sfn|桜井|1997}}。このうち、もっとも軽い {{sup|1}}H は、1つの[[陽子]]と1つの[[電子]]のみによって構成されており、[[原子]]の中で[[中性子]]を持たない核種の1つである。存在が確認されている中でほかに中性子を持たない核種は[[リチウム3]]のみである。それぞれの同位体は質量の差が2倍、3倍となり、性質の違いも大きい。たとえばD{{sub|2}}はH{{sub|2}}よりも融点や沸点が高くなり、溶融潜熱は倍近くに、蒸気圧は10分の1近くとなる{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。2013年現在、より重い同位体は水素4から水素7までが確認されている。もっとも重い[[水素7]]（原子核は陽子1、中性子6よりなる）は[[ヘリウム8]]を軽水素に衝突させることで合成されている。質量数が4以上のものは寿命がきわめて短く、たとえば水素7では半減期が{{val|23|u=ys}}（= {{val|2.3|e=-23|u=s}}）ほどしかない{{sfn|Audia|Bersillonb|Blachotb|Wapstrac|2003|p=27}}。

[[Image:HAtomOrbitals.png|right|thumb|300px|[[水素原子]]における[[電子]]の[[原子軌道|軌道]]は[[エネルギー]]の[[固有関数]]である。]]
水素の同位体は、それぞれの特徴を有効に活かした使い方をされる。[[重水素]]は[[原子核反応]]での用途で、[[中性子]]の減速に使用され、[[化学]]や[[生物学]]では[[同位体効果]]の研究、医療では診断薬の追跡{{sfn|化学工業日報|1996|loc=重水素|pages=234-235}}に使用されている。また、[[三重水素]]は[[原子炉]]内で生成され、[[水素爆弾]]の反応物質や核融合燃料、放射性を利用した[[バイオテクノロジー]]分野での[[放射性トレーサー|トレーサー]]や発光塗料の励起源として使用されている。
== 水素分子 ==
[[Image:Emission spectrum-H.png|right|300px|thumb|水素の線[[スペクトル]]例。[[バルマー系列]]と呼ばれる。]]
'''水素分子'''は、常温常圧では無色無臭の[[気体]]として存在する、[[分子式]] '''H{{sub|2}}'''で表される[[単体]]である。[[分子量]]2.01588、[[融点]] &minus;259.14 &deg;C（常圧）、[[沸点]] &minus;252.87 &deg;C（常圧）、[[密度]] 0.0899 [[グラム|g]]/[[リットル|L]]、[[比重]] 0.0695（空気を 1 として）、臨界圧力 12.80 [[標準大気圧|気圧]]、水への溶解度 0.021 mL/mL（0 &deg;C）。最も軽い[[気体]]である。原子間距離は {{val|74|ul=pm}}、[[結合エネルギー]]はおよそ 435 kJ/mol{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。

水素分子は常温では安定であり、[[フッ素]]以外とは化学反応をまったく起こさない。しかし何かしらの外部要因があればその限りではなく、たとえば光がある状態では[[塩素]]と激しい反応を起こす{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。また、水素と[[酸素]]を混合したものに火をつけると起きる激しい爆発（水素爆鳴気）は、混合比下限は4.65 %、上限は93.3 %であり、空気との混合では4.1 – 74.2 %となり、これは[[アセチレン]]に次ぐ広い[[爆発限界]]の範囲を持つ{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。

ガス密度が低い水素は速い速度で拡散する性質を持ち、また燃焼時の伝播も速い。そのため、ガス漏れを起こしやすい傾向にある{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。原子径の小ささから、金属材料に侵入し機械的特性を低下させる（[[水素脆化]]）傾向が強い。これは高温高圧環境下で顕著となり、封入容器の材質には注意を払う必要がある。&minus;250 &deg;C以下で液化させると体積は 800分の1となり、さらに軽いため低温貯蔵性には優れる{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。

[[木星型惑星|ガス惑星]]の内部など非常に高い圧力下では性質が変わり、液状の[[金属]]になると考えられている。逆に[[宇宙空間]]など非常に圧力が低い場合、H{{sub|2}}{{sup|+}}や[[プロトン化水素分子|H{{sub|3}}{{sup|+}}]]、単独の水素原子などの状態も観測されている。H{{sub|2}}分子形状の雲は星の形成などに関係があると考えられており、特に新生[[惑星]]や[[衛星]]の観察時にはそれを注視することが多い。

=== オルト水素とパラ水素 ===
水素分子は、それぞれの[[原子核]]（[[陽子|プロトン]]）の[[核スピン]]の配向により、オルト（ortho）とパラ（para）の2種類の異性体が存在する{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。オルト水素は、互いの原子核のスピンの向きが[[平行]]で、パラ水素ではスピンの向きが反平行である。この2つは、化学的性質に違いがないが、物理的性質（[[比熱]]や[[熱伝導率]]など）がかなり異なる。これは内部エネルギーにある差によるもので、パラ水素側が低い{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。統計的な重みが大きいほうをオルトと呼ぶ。

常温以上では、オルト水素とパラ水素の存在比はおよそ3:1であるが、低温になるほどパラ水素の存在比が増し、[[絶対零度]]付近ではほぼ100パーセントパラ水素となる{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。ただし、このオルト-パラ変換はスピン反転を伴うために、触媒を用いない場合極めて遅く、触媒を用いずに水素を液化すると、液化した後もオルト-パラ変換に伴い両者のエネルギー差に相当する熱が発生するため、液化水素が気化してしまう。これを水素のボイル・オフ問題という。<ref>{{Cite web|和書|title=〈研究例紹介〉液化水素用水素分子核スピン転換触媒の開発|website=[[北海道大学大学院工学研究院・大学院工学院・工学部|北海道大学大学院工学研究院]]附属エネルギーマテリアル融合領域研究センター マルチスケール機能集積研究室|url=https://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/LIFM/hydrogen.html|accessdate=2020-06-10|archiveurl=https://web.archive.org/web/20200610065903/https://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/LIFM/index.html|archivedate=2020-06-10|url-status=dead|url-status-date=2021-04-17}}</ref>オルト‐パラ変換を起こす[[触媒]]は、[[活性炭]]や鉄などの金属の一部、常磁性物質またはイオンなどがある{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。

== イオン ==
{{see|水素イオン}}

== 金属水素 ==
{{出典の明記|section=1|date=2021年4月}}
{{main|金属水素}}

水素は、ガス惑星の内部など非常に高い圧力下では性質が変わり、液状の[[金属]]になると考えられているが、[[1996年]]に[[ローレンス・リバモア国立研究所]]のグループが、140 [[パスカル (単位)|GPa]]（1 GPa = 約1万[[気圧]]）、数千&deg;Cという状態で、100万分の1秒以下という短寿命ではあるが、[[液体]]の金属水素を観測したと報告している{{sfn|Weir|Mitchell|Nellis|1996}}<ref>{{Cite web|和書|date=2000-08|author=W. J. ネリス|title=水素の金属を作る|website=[[日経サイエンス]]|url=http://www.nikkei-science.com/page/magazine/0008/hydrogen.html|accessdate=2021-04-17}}</ref>。[[木星型惑星]]（[[木星]]・[[土星]]）の深部は非常に高い圧力になっており、液体金属水素が観測された条件と似ている。木星型惑星を構成するもっとも主要な元素のひとつである水素は、この状況下では金属化している可能性があり、惑星の磁場との関わりも指摘されている<ref>{{Cite web|和書|date=1995-08-29|author=ビル・アーネット|coauthor=久島昌弘（訳）|title=木星|url=https://staff.fukuoka-edu.ac.jp/kanamitu/study/tnp/tnpjp/nineplan/jupiter.htm|work=ザ・ナイン・プラネッツ|website=金光研究室|publisher=[[福岡教育大学]]|accessdate=2010-05-09}}</ref>。しかしながら、2017年現在、数百GPaのオーダーで圧力を加える実験が行われているものの、[[固体]]の金属水素が得られたという十分な証拠が示されたことはない{{sfn|長柄|2003}}<ref name="Maccarone2017">{{Cite web|和書|date=2017-02-14|first=Mattia|last=Maccarone|coauthors=Takeshi Othoshi（訳）|title=生み出された「金属水素」、さて何の役に立つのか？|website=[[WIRED.jp]]|publisher=[[コンデナスト・ジャパン]]|url=https://wired.jp/2017/02/14/metallic-hydrogen/|accessdate=2021-05-12|ref=}}</ref>{{efn2|{{harvtxt|Dias|Silvera|2017}} は495 GPaの圧力において固体と推定される金属水素が得られたと発表したが、この実験結果については多くの科学者が疑問視している<ref name="Maccarone2017" />{{sfn|Castelvecchi|2017}}。}}。

金属化そのものが達成されていないためにその真偽はいまだ不明であるが、{{harvtxt|Ashcroft|1968|p=1748}} は、金属化した水素は[[室温超伝導]]を達成するのではないかと予想している。この可能性の傍証として、[[周期表]]で水素のすぐ下の[[リチウム]]は、30&nbsp;GPa以上という超高圧下で[[超伝導]]状態となることが示されている。リチウムの超伝導への転移温度は圧力48 GPaで20 [[ケルビン|K]]程度であるが、この数字は単体元素のものとしては高い部類に入り、いくつかの例外を除けば一般に軽い元素ほど転移温度は高くなるため、もっとも軽い元素である水素は、より高い転移温度を持つ可能性が十分ある。

また、[[励起状態]]の水素が[[金属]]化するときわめて強力な爆薬になるとの理論計算が行われ、[[電子励起爆薬]]として研究されている。この理論では圧力だけでは不十分であり、水素を励起状態にして圧力をかければ金属化するとしている。

== 物理的性質 ==
[[Image:Hydrogen Gas Cylinder is Red in Japan.jpg|180px|right|thumb|水素用のボンベ（火災時に近づくと危険）]]
[[File:Hydrogen balloon explosion.jpg|180px|right|thumb|水素の入った風船が爆発した瞬間]]
元素およびガス状分子の中でもっとも軽く{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}、また[[宇宙]]でもっとも[[数]]が多く{{sfn|桜井|1997}}、[[珪素]]量を10{{sup|6}}とした際の比率は2.79×10{{sup|10}}である。{{sfn|玉尾|桜井|福山|2010|loc=付録. 112元素の周期表}}地球上では[[水]]や[[有機化合物]]の構成要素として存在する。

水素分子は[[常温]]・[[常圧]]では無色無臭の[[気体]]で、非常に軽く、非常に燃焼・爆発しやすいといった特徴を持つ。そのため日本では、高圧ガス保安法容器保安規則により、[[赤色]]の[[ボンベ]]に保管するように決められている{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。従来、水素ガスの爆発濃度は4 % – 75 %であるとされてきたが{{sfn|井上|2016}}、慶應義塾大学環境情報学部の[[武藤佳恭]]は、10 %以下であれば爆発しないことを明らかとした{{sfn|Kurokawa|Hirano|Ichikawa|Matsuo|2019}}。

== 化学的性質 ==
=== 水素化物 ===
{{main|水素化合物}}
{| class="wikitable" style="font-size: small; float: right; margin: 0 0 1em 1em"
|+ 元素の水素化物
! 化学式 !! IUPAC組織名<ref>IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry /[http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/ Recommendations 1979 and Recommendations 1993] by ACD Lab. Inc.）</ref> !! 慣用名
|-
| BH{{sub|3}} || [[ボラン]] ||水素化ホウ素
|-
| CH{{sub|4}} || カルバン || [[メタン]]
|-
| NH{{sub|3}} || アザン || [[アンモニア]]
|-
| H{{sub|2}}O || オキシダン || [[水]]
|-
| HF || [[フッ化水素]] ||
|-
| AlH{{sub|3}} || アラン || [[水素化アルミニウム]]
|-
| SiH{{sub|4}} || [[シラン (化合物)|シラン]] || 水素化ケイ素
|-
| PH{{sub|3}} || ホスファン || [[ホスフィン]]<br />水素化リン
|-
| H{{sub|2}}S || スルファン || [[硫化水素]]
|-
| HCl || [[塩化水素]] ||
|-
| GaH{{sub|3}} || [[ガラン (化合物)|ガラン]] || 水素化ガリウム
|-
| GeH{{sub|4}} || ゲルマン || [[水素化ゲルマニウム]]
|-
| AsH{{sub|3}} || アルサン || [[アルシン]]
水素化ヒ素
|-
| H{{sub|2}}Se || セラン || [[セレン化水素]]
|-
| HBr || [[臭化水素]] ||
|-
| SnH{{sub|4}} || スタナン || [[水素化スズ]]
|-
| SbH{{sub|3}} || スチバン || [[スチビン]]
水素化アンチモン
|-
| H{{sub|2}}Te || テラン || [[テルル化水素]]
|-
| HI || [[ヨウ化水素]] ||
|-
| PbH{{sub|4}} || [[プルンバン]] || 水素化鉛
|-
| BiH{{sub|3}} || ビスムタン || [[ビスムチン]]
水素化ビスマス
|}
水素は[[電気陰性度]]が2.2と[[アルカリ金属]]や[[アルカリ土類金属]]よりも高く[[ハロゲン]]よりも小さい値であり、[[酸化剤]]としても[[還元剤]]としても働く。このため非金属元素とも金属元素とも親和しやすい。たとえば、水素と酸素が化合するときには還元剤として働き、爆発的な燃焼とともに水H{{sub|2}}Oを生じる。ナトリウムと水素との反応では酸化剤として働き、[[水素化ナトリウム]]NaHを生じる。このような水素とほかの元素が化合した物質を[[水素化物]]という{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素化物|pp=123-126}}。

水素化物の結合には、[[イオン結合]]型・[[共有結合]]型のほかに、[[パラジウム]]水素化物などの[[侵入型固溶体]]（侵入型化合物）と呼ばれる3種類の形態がある{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素化物|pp=123-126}}。イオン結合型の化合物の中では、水素はH{{sup|&minus;}}イオン（ヒドリドイオン）として存在する。共有結合型は電気陰性度が高い[[Pブロック元素]]と電子を共有して化合する{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素化物|pp=123-126}}。侵入型固溶体は一種の合金であり、水素原子は金属原子の隙間にはまり込むように存在している。このため、容易かつ可逆的に水素を吸収・放出することができ、[[水素吸蔵合金]]に利用される。高性能な水素吸蔵合金の中には、水素原子の密度が液体水素のそれに匹敵したり、上回るものもある。

一方、より電気陰性度の大きい元素との化合物では水素はH{{sup|+}}イオンとなる。水中で水素イオンを生じる物質が狭義の[[酸]]である。水溶液中では水素イオンは、H{{sup|+}}（ヒドロン）ではなく、水分子と結合してH{{sub|3}}O{{sup|+}}（[[オキソニウムイオン]]） として振る舞う。

水素はまた、[[炭素]]と結合することで、さまざまな[[有機化合物]]を形成する。ほとんどすべての有機化合物は構成原子に水素を含む。
;水素を含む有機化合物の例：
:* [[メタン]] : CH{{sub|4}}
:* [[エタノール]] : C{{sub|2}}H{{sub|5}}OH
:* [[ベンゼン]] : C{{sub|6}}H{{sub|6}}
:<!---->

おもな元素の水素化物の化学式と[[国際純正応用化学連合]]（IUPAC）による組織名、および（存在するものは）慣用名を表「元素の水素化物」に示す。

==== 核磁気共鳴法における利用 ====
{{Main|核磁気共鳴分光法}}
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、<sup>1</sup>Hを用いた方法は代表的である。<sup>1</sup>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。

=== 水素イオンと水素化物イオン ===
水素の[[イオン (化学)|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{{Visible anchor|'''水素化物イオン'''|hydride}}（hydride、ヒドリドまたはハイドライド）とが存在する。{{sup|1}}H{{sup|+}}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{{sup|+}}、[[重水素|D]]{{sup|+}}、[[三重水素|T]]{{sup|+}}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{{math|[H{{sup|+}}]}}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{{sup|+}}]濃度は1から10{{sup|&minus;14}}mol/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10{{sup|&minus;7}}mol/Lの水素イオンが存在し、pHは約7となる{{sfn|桜井|1997}}。

=== ヒドロン・プロトンとヒドロニウムイオン ===
{{math|H{{sup|+}}}}であれ {{math|D{{sup|+}}}}であれ、ヒドロンは電子殻を持たないむき出しの原子核であるため、化学的には[[ファンデルワールス半径]]を持たない正の点電荷のように振る舞う。それゆえ通常は単独で存在せず、[[溶媒]]などほかの分子の[[電子殻]]と結合した'''ヒドロニウムイオン'''（hydronium ion）として存在する。水素のイオン化エネルギーは1131 kJ/mol、遊離状態の水素イオンの[[水和]]エネルギーは1091 kJ/molと見積もられており{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素化物|pp=123-126}}、これは高い電子密度に起因する、水分子との高い親和力を示すものである。
: <math>\rm{H}^+ (g) \longrightarrow rm{H}^+ (aq)</math>

極性溶媒中では、[[水]]、[[アルコール]]、[[エーテル (化学)|エーテル]]などの酸素原子の電子殻と結合している場合が多いため、ヒドロニウムイオンと言う代わりに[[オキソニウムイオン]]（oxonium ion）と呼ばれることも多い。あるいは超強酸など極限状態においては単独で挙動する'''プロトン'''も観測されている。

また、アレニウスの定義ではヒドロンは[[酸]]の本体である。酸としてのプロトンの性質は記事[[オキソニウム]]、あるいは記事[[酸と塩基]]に詳しい。

=== ヒドリド ===
:<div>{{For2|水素化合物を意味するヒドリド|水素化合物}}</div>
{{Chembox
| Name = ヒドリド
| SystematicName = Hydride<ref>{{Cite web|url = https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/166653|title = Hydride - PubChem Public Chemical Database|work = The PubChem Project|location = USA|publisher = National Center for Biotechnology Information|accessdate=2016/05/19}}</ref>
| OtherNames = Hydrogen anion,<br/>Hydride ion,<br/>Hydride anion<ref>{{cite|url=https://cameochemicals.noaa.gov/chemical/3592|location=Alternate Chemical Names|publisher=Cameo Chemicals|edition=version 2.6|title=METAL HYDRIDES, WATER-REACTIVE, N.O.S.|accessdate=2016/05/19}}</ref>
|Section1={{Chembox Identifiers
| CASNo = 12184-88-2
| CASNo_Ref=<ref>{{cite|publisher=The National Institute of Standards and Technology (NIST)|work=NIST Standard Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook|title=Hydrogen anion|url=http://webbook.nist.gov/cgi/inchi/InChI%3D1S/H/q-1|accessdate=2016年5月19日}}</ref>
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| Entropy = 108.96 J K{{sup|−1}} mol{{sup|−1}}
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}}
'''ヒドリド'''（別名、水素化物イオン、ヒドリドイオン<ref>{{Cite web|和書|url=http://togodb.dbcls.jp/scientific_term_ja_vs_en/show/24121|title=ヒドリドイオン
|work=学術用語の日本語と英語の対応|website=LSDB|publisher=[[ライフサイエンス統合データベースセンター]]|archiveurl=https://web.archive.org/web/20190613135847/http://togodb.dbcls.jp/scientific_term_ja_vs_en/show/24121|archivedate=2019-06-13|url-status=dead|url-status-date=2021-04-17}}</ref><ref>{{Cite web|和書|date=2007-04-27|author=[[九州大学]]、[[科学技術振興機構]]、[[日本原子力研究開発機構]]|location=注2: ヒドリドイオン|title=用語解説|work=水素活性化酵素のモデル化に成功|publisher=科学技術振興機構|url=https://www.jst.go.jp/pr/announce/20070427/yougo.html|accessdate=2017-07-25}}</ref><ref>{{Cite|url=https://kotobank.jp/word/%E3%83%92%E3%83%89%E3%83%AA%E3%83%89%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3-1692867|publisher=コトバンク|accessdate=2016/05/19|title=ヒドリドイオン}}</ref>、{{lang-en-short|[[:en:hydride|hydride]]}}、{{lang-en-short|[[:en:hydrogen anion|hydrogen anion]]}}、化学記号'''H{{sup|&minus;}}'''とも表記される）は、アルカリ金属、アルカリ土類金属あるいは第13族、14族元素（共有結合性が強い）などの、電気的に陽性な元素の水素化物が電離する時に生成する水素の陰イオン（アニオン）。ヒドリドはK殻が閉殻した電子配置を持ち[[ヘリウム]]と等電子的であるために、一定の大きさを持ったイオンとして振る舞う点でヒドロン（水素カチオン）とは異なる。実際、ヒドリドは[[フッ素]]アニオンよりも[[イオン半径]]が大きいように振る舞う。

ヒドリドはきわめて弱い酸でもある水素分子（[[酸解離定数|{{pKa}}]]=35）の[[共役塩基]]であるので、[[強塩基]]として振る舞う。

ヒドリドは塩基として作用する場合と[[還元剤]]として作用する場合がある。これを[[ヒドリド還元]]というが、それは金属と還元を受ける化合物との組み合わせにより変化する。ヒドリドの[[標準酸化還元電位]]は&minus;2.25Vと見積もられている。
: <chem>H2(g)\ + 2\mathit{e}^- -> 2H^-(aq)</chem>

ヒドリドの発生源としては、代表的なものとしてNaBH<sub>4</sub>やLiAlH<sub>4</sub>(通称LAH)がある。これらの化合物のBH<sub>4</sub><sup>−</sup>やAlH<sub>4</sub><sup>−</sup>からはH<sup>−</sup>が脱離する。この反応は有機合成の時に非常に便利であり、例えば、炭素間二重結合に対して反マルコフニコフ付加を施したい時に有効である。

=== 周期表上の位置 ===
一般的な[[周期表]]では水素はアルカリ金属の上に配置されるが、2006年に周期表における水素の位置を変更すべきではないか{{efn2|[[ハロゲン]]に近い性質を持つため、1周期系列と[[第17族元素|17族]]の位置に変更すべきというもの。}}とする論文が[[国際純正応用化学連合]]（IUPAC）に提出され、公式雑誌に掲載された{{sfn|玉尾|桜井|福山|2007}}{{要ページ番号|date=2021年4月}}。

== 水素分子の生産 ==
{{see|[[天然水素]]（ホワイト水素）}}
工業的には、[[炭化水素]]の[[水蒸気改質]]や部分酸化の副生成物として大量に生産される（炭化水素ガス分解法）。[[硫黄酸化物]]を除いた[[パラフィン]]類や[[エチレン]]・[[プロピレン]]などを440 &deg;Cの環境下で[[ニッケル]]を触媒としながら水蒸気と反応させ、粗ガスを得る{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。
* <chem>C_nH_{2n{+}2}\ + nH2O -> nCO\ + (2n{+}1)H2</chem>
* <chem>C_nH_{2n{+}2}\ + 2nH2O -> nCO2\ + (3n{+}1)H2</chem>
副生される一酸化炭素は水蒸気と反応して[[二酸化炭素]]と水素ガスとなる。のちにガーボトール法にて二酸化炭素を除去し、水素ガスが得られる{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。粗ガスの精製には、圧縮したうえで[[水酸化ナトリウム|苛性ソーダ]]洗浄を行い、[[熱交換器]]にて重いガス類を液化除去する方法（液化窒素洗浄法）もある{{sfn|化学工業日報|1996|loc=水素|pages=233-234}}。

また、[[ソーダ工業]]や製塩業において海水{{仮リンク|水の電気分解|en|Electrolysis of water|label=電気分解}}の副生品として発生する水素が利用されることもある。現在のところ、水素ガスは[[メタン]]を主成分とする[[天然ガス]]と[[水]]から、触媒を用いた[[水蒸気改質]]によって生産する方法が主流である。日本国内における2019年の水素の生産量は{{val|627668|e=3|u=m3}}、工業消費量は{{val|400802|e=3|u=m3}}である{{sfn|経済産業省大臣官房調査統計グループ|2020|p=9}}。

水素分子（水素ガス）を生じる化学反応は多岐にわたる。古典的には実験室において小規模に生成する場合、[[亜鉛]]や[[アルミニウム]]など水素よりも[[イオン化傾向]]の大きい金属に希[[硫酸]]を加えて発生させる方法が知られている（[[キップの装置]]）。あるいは[[水酸化ナトリウム]]や[[硫酸]]などを添加して電導性を増した水や、[[食塩水]]を電気分解して陰極から発生させることもできる。

実験室レベルにおいては工業的に生産された[[ボンベ|ガスボンベ]]入りの水素ガスを利用する。実験の際は防爆環境にて行われる。

===製造方法別の色分け===
[[カーボンニュートラル]]の実現に向け、水素の製造方法別に色分けする考え方が広まっている<ref name="あいち2021"/>。

'''グレー水素'''：化石燃料（主に天然ガス）を水蒸気改質反応させ生産する水素。水蒸気改質反応時に副産物として多くの二酸化炭素が排出される<ref name="BMWK2020">{{Cite report|author=FEDERAL MINISTRY FOR ECONOMIC AFFAIRS AND CLIMATE ACTION|title=The National Hydrogen Strategy|date=Jun 2020|pages=28|url=https://www.bmwi.de/Redaktion/EN/Publikationen/Energie/the-national-hydrogen-strategy.html}}</ref><ref name="国際研究2021">{{Cite report|author=日本国際問題研究所|title=第 6 章　欧州が進める脱炭素化の動き（水素戦略及び国境炭素税導入）と改訂された新エネルギー戦略に見るロシアの対応|date=May 2021|url=https://www.jiia.or.jp/pdf/research/R02_Russia/06-harada.pdf|series=｢大国間競争時代のロシア｣ (令和2年度 ロシア研究会)|authorlink=日本国際問題研究所}}</ref><ref name="あいち2021">{{Cite news  | title = 水素の“色”について  | agency = あいち産業科学技術総合センターニュース | date = 2021-09 | url = https://www.aichi-inst.jp/other/up_docs/no.234_03.pdf}}</ref>。

'''ブルー水素'''：水蒸気改質反応の問題点である水素の製造時に排出される副産物の二酸化炭素を回収して処理(地下地層貯蔵ないしは炭素を再利用:[[CCUS]]、など)し、大気中に放出しないことで、二酸化炭素排出を実質ゼロにして生産される水素<ref name="BMWK2020"/><ref name="国際研究2021"/><ref name="あいち2021"/>。しかし、回収、貯蔵のためには大規模な施設が必要であり、オンサイト型水素ステーション毎に設置するとなると費用がかかり過ぎてしまう問題がある<ref name="あいち2021"/>。

'''グリーン水素'''：二酸化炭素排出のない再生可能エネルギーを使い、水を電気分解して生産する水素<ref name="BMWK2020"/><ref name="国際研究2021"/><ref name="あいち2021"/>。

'''ターコイズ水素'''：メタンの熱分解によって生成される水素。炭素は気体ではなく固体として生産されるため、二酸化炭素は排出されない。再生可能エネルギーの利用と、生成された炭素を永久に封じ込めることが条件となる<ref name="BMWK2020"/><ref name="国際研究2021"/><ref name="あいち2021"/>。

'''イエロー水素'''：原子力発電の電力を用いて、水を電気分解して生産される水素<ref name="国際研究2021"/><ref name="あいち2021"/>。

'''ブラウン水素'''：石炭から生産される水素。製造時に多くの二酸化炭素が排出される。グレー水素に分類されることもある<ref name="国際研究2021"/>。

'''ホワイト水素'''：水素以外の製品生産時に副産物として生成された水素。生産は限定的<ref name="国際研究2021"/><ref name="あいち2021"/>。

== 用途 ==
[[Image:Shuttle Main Engine Test Firing cropped edited and reduced.jpg|right|200px|thumb|[[スペースシャトル]]の[[SSME|メインエンジン]]。1機を打ち上げるには150万リットルの液体水素が使われる{{sfn|玉尾|桜井|福山|2010|pp=86-87}}。]]

=== 代表的な用途 ===
* [[原料]] - [[アンモニア]]の製造（[[ハーバー・ボッシュ法]]）{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}のほか、[[塩素]]ガスと混合し光を当てて反応させる[[塩酸]]の製造{{sfn|桜井|1997}}、[[油脂]]に添加して炭素同士の[[二重結合]]数を減らし固体化する改質（[[トウモロコシ]]油や[[綿実油]]の[[マーガリン]]化など）{{sfn|桜井|1997}}、[[脱硫]]など、多方面に利用されている。
* [[還元剤]] - 金属[[鉱石]]（酸化物）の還元{{sfn|桜井|1997}}、[[ニトロベンゼン]]を還元し[[アニリン]]の製造、[[ナイロン66]]製造における[[ベンゼン]]の触媒還元、一酸化炭素を還元する[[メチルアルコール]]合成などに使われる{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。
* [[燃料]] - 燃やしても水以外の排出物（[[粒子状物質]]や[[二酸化炭素]]などの[[排ガス]]）を出さないことから、[[代替エネルギー]]として期待されている{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。ただし、燃焼条件により[[窒素酸化物]]が生成することは不可避である。[[内燃機関]]の燃料として[[水素燃料エンジン]]を積んだ[[水素自動車]]が発売されているほか、[[ロケット]]の燃料や[[燃料電池]]に使用されている。おもに[[燃料電池自動車]]向けの「水素ステーション」の設置が始まっている。
<ref>「[https://www.nikkei.com/article/DGKKZO39630300U9A100C1MY1000/ 水素を生かす（上）初のセルフ式ステーション]」『[[日本経済新聞]]』朝刊2019年1月6日（サイエンス面）2019年2月24日閲覧。</ref>
[[Pininfarina]] H2 Speedなどのスポーツカーにも使用される。
* [[食品添加物]]<ref>[http://www.ffcr.or.jp/zaidan/MHWinfo.nsf/a11c0985ea3cb14b492567ec002041df/c3f4c591005986d949256fa900252700?OpenDocument 既存添加物名簿収載品目リスト]（日本食品化学研究振興財団、平成26年2月6日更新）2016年6月30日閲覧。</ref><ref>[http://www.fda.gov/Food/IngredientsPackagingLabeling/GRAS/NoticeInventory/ucm432907.htm Agency Response Letter GRAS Notice No. 520] FDA, November 28, 2014.</ref>。

上記で述べたように、水素ガスの生産は原料を[[化石燃料]]に依存しており、水蒸気改質により発生する[[一酸化炭素]]などのうち化成品に利用されない過剰分や燃料として利用される炭化水素は[[二酸化炭素]]として環境中に放出される。水素の原料が化石燃料である限りにおいては、水素を化石燃料の代替として利用してもそのまま化石燃料の消費量が削減されたり二酸化炭素の発生が抑えられたりすることにはならない。<!--「生産」の節にあった元の文章は「現時点では、このように原料が化石燃料であるため、水素を燃料として利用しても温暖化対策にはならない」。CnH2n+2 + [O] -> n H2O + n CO2 を意識した表現に直します-->

* 浮揚ガス - 1 Lの水素を詰めた[[風船]]は1.2 [[グラム|g]]の質量を浮揚させる{{sfn|桜井|1997}}。この性質から[[気球]]や[[飛行船]]などに用いられていたが、[[ヒンデンブルク号爆発事故]]が起きて以来、危険性の少ない[[ヘリウム]]で代用されるようになった。なお、この事故の直接的原因は外皮の塗料への引火とされている。
* [[寒剤|冷却剤]] - 液体水素は[[超伝導]]現象を含む[[低温学]]の調査に使用される。また、一部の発電所では、水素ガスを冷却媒体として用いている発電機もある。これは空気よりも熱伝導率が7倍と高く{{sfn|桜井|1997}}風損が少ないためである。水素ガスが漏れないようにするため、水素ガス圧力よりも高い圧力の油を流し遮蔽しなければならないという作業が発生する。
* 洗浄 - 工業分野では、半導体の洗浄は[[RCA洗浄]]が主流で、[[アンモニア]]や塩酸フッ化物が用いられるが、その代替として水素を水に溶かし込んだ水溶液は排水処理の面で環境負荷が低く{{sfn|日本鍍金材料協同組合|2008}}、半導体の基板表面の微粒子除去・洗浄に用いられる{{sfn|黒部|2008}}。
* [[溶接]] - 水素分子をいったん2つの水素原子に[[解離]]させ、それを再結合させると多量の熱を発生する。これを利用した金属溶接法がある{{sfn|Lee|1982|loc=3. 元素の一般的性質: 水素|pp=119-123}}。
* その他 - [[テクニカルダイビング]]や軍隊などで大深度潜水時の使用が試みられたが、同時に酸素も用いられるために爆発の可能性が使用中につきまとうなど、危険であるため使用されていない。
* [[標準水素電極]]が[[標準電極電位]]の基準として用いられている。

=== エネルギー利用 ===
{{see|水素燃料}}
水素は[[燃焼]]すると[[水]]（[[水蒸気]]）となり、[[温室効果ガス]]とされる[[二酸化炭素]]や[[大気汚染]]物質を排出しない。現状では、[[化石燃料]]を使って製造しているものの、将来的には、水の[[電気分解]]や[[バイオマス]]・[[ごみ]]などを利用することにより、化石燃料によらないで製造できる可能性がある。このため、将来性の高い[[エネルギー貯蔵|エネルギーの輸送および貯蔵手段]]として期待される{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。

水素はさまざまな利用法が考えられている。燃焼を直接使う方法としては[[水素自動車]]が挙げられるほか、[[火力発電]]の燃料に水素を混ぜて二酸化炭素などを減らす技術が研究されている<ref>[https://www.nikkei.com/article/DGXLASDZ26HR3_W7A720C1MM8000/ 「水素を発電燃料に 千代田化工など、東南アから輸入」]『日本経済新聞』電子版（2017年7月27日）2018年5月11日閲覧</ref>。

水素を言わば「[[電池]]」として利用することも考えられている。[[鉛蓄電池]]、[[リチウム電池]]、[[NAS電池]]など、比較的大きな容量の充電が可能な電池がいろいろと開発されてきたものの、それでも電気エネルギーは貯めておくのが比較的困難なエネルギーとして知られている。そこで、必要以上の電力が得られるときに[[水]]を[[電気分解]]して生産した水素を貯蔵し、電力が必要となった時に貯蔵しておいた水素を使って発電を行うのである。必要以上の電力が得られるときに水をポンプで汲み上げて水の位置エネルギーとして電気エネルギーを貯める[[揚水発電]]はすでに実用化されているが、それと同様に電力需要のピーク時に対応する手法のひとつとして水素は利用できる。

ほかにも[[太陽光発電]]や[[風力発電]]といった発電法のように、発電量が比較的自然条件に左右されやすいものの、十分な発電量が得られるときに水の電気分解を行って水素を貯蔵するという方法で、これらの発電量の不安定さを解消する方法が考えられている。

また、水素を電力の輸送手段として利用することも考えられている。長距離の[[送電]]を行うと送電線の抵抗などの関係で送電によるエネルギーの損失（送電ロス）が多くなる。[[小水力発電]]や[[火力発電]]や比較的低温の熱源を利用した発電法などのように、電力需要の多い都市の近くに発電所を立地できる場合は送電ロスの問題もあまりない。しかし、必要に応じて変圧を行うなど送電ロスを少なくする工夫は行われているものの、[[2011年]]時点では送電ロスなしに長距離を送電する手法は実用化されていない。このためいわゆる自然エネルギーを利用した発電法に限らず、あらゆるエネルギーを利用した発電法において電力の供給地と需要地とが離れている場合には、どうしても送電ロスの問題が避けられない。ここで水素として輸送すれば、水素を逃がさなければ輸送中の水素のロスは発生しない。ただし水素を輸送する手段によって消費されるエネルギー（たとえば自動車で輸送すれば燃料が消費される）もあるため、どうしてもエネルギーのロスは発生してしまうという問題は残る。また、水素から電気に戻す際にもエネルギーロスが発生する。ただし、このロスは、[[熱]]として利用できる。

最近では[[マグネシウム]]と水を反応させて水素を作り出す方法も開発されている。マグネシウムと水が反応して発生する水素のほか、反応時の熱もエネルギー源として利用できる。最大の課題は使用後のマグネシウムの還元処理で、太陽光などから変換した[[レーザー]]照射による高温により還元する方法が考えられている。ほかに燃料電池の燃料としての水素の利用はよく知られているが、[[コンバインドサイクル発電]]などに利用することも考えられている。

==== 燃料電池 ====
[[File:Toyota mirai.JPG|thumb|right|200px|[[燃料電池車]]、[[トヨタ・MIRAI]]]]
{{main|燃料電池}}
空気中の酸素と反応させて水を生成しながら発電する水素 &ndash; 酸素型燃料電池は[[19世紀]]中ごろには実験的に成功したが、生活家電などの分野へは応用されず、[[20世紀]]の宇宙開発を通じて技術検討が進んだ。燃料電池は現時点の技術においては発電効率が35 – 60 %高く、発熱エネルギーを回収することができれば80 %まで高めることができる。環境負荷も低いという利点がある。燃料には[[メタノール]]を用いる機械もあるが、水素ガスを利用するものでは自動車への積載を念頭に置いた[[固体高分子形燃料電池]]（PEFC）が有力視されており、電解質分離膜や電極劣化の抑制など技術開発が進められている{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。また宇宙船では燃料電池から得られる電力のほかに、同時に生成される水の利用も行われることがある。

==== 貯蔵技術 ====
水素をエネルギー利用する上での課題のひとつには、ガス状水素を貯蔵する際の問題がある。既述のように空気との混合4.1 – 74.2 %という広い爆発限界の範囲を持つために、漏出しないようにする技術が必要となる。水素は[[原子半径]]が小さいために容器を透過したり、劣化させたりするため、ほかの元素や燃料を貯蔵するのとは勝手が違ってくる。2002年2月に発足した「燃料電池プロジェクト・チーム」の報告では、自動車に積載しガソリン相当の 500 km以上走行が可能な水素貯蔵を目標に据えた。これに相当する水素ガスは'''5 kg'''であり、常温常圧下では'''61000リットル'''に相当する{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。

従来の貯蔵手法では、高圧化と液体化の2つがある。水素は金属脆化を起こすため、特に高圧ガスを密閉するにはアルミニウム &ndash; マグネシウム &ndash; シリコン[[合金]]をファイバー強化したものが開発されているが、日本の高圧ガス保安法が定める上限の350気圧では実用的に自動車積載が可能なガス量は3.5 kgにとどまり、5 kgを実現するためには安全に'''700気圧'''相当を密封できる容器が検討されている。液体化も同様の問題を解決する必要があり、オーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金・チタン合金などを素材に検討が進む。しかし、高圧化や液体化には密封する際にも加圧や冷却などでエネルギーを消費してしまう点も課題として残る{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。

水素を貯蔵する物質には金属類である[[水素吸蔵合金]]と、無機・有機物質が提案されており、いずれも水素化物を作り効率的に水素を捕まえることができる。水素吸蔵合金は、[[ファンデルワールス力]]（[[分子間力]]の一種）で表面に吸着（物理吸着）させた水素分子を原子に解離（解離吸着、化学吸着）し、水素化合物を反応生成しながら合金の[[結晶格子|格子]]内に水素原子を拡散させる。取り出すには加熱または合金周囲の水素ガス量を減らすことで水素化物が分解しガスが放出される。必要な温度は通常50&nbsp;&deg;Cであり、高くとも250 &deg;C程度、圧力も常圧から100気圧程度までであり、水素ガスの体積を1000分の1に収めることができる。課題は合金と水素の重量比にあり、現状では'''5 kg'''の水素を吸蔵するための合金重量は170 – 500 kg程度が必要になる{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。このほか、[[イオン結合]]を主とする[[錯体]]水素化物や、[[アンモニアボラン]]なども水素吸蔵性能を持つ物質として研究されている{{sfn|東北大学金属材料研究所|2009}}。

=== 水素循環社会 ===
{{seealso|水素エネルギー社会}}
自然エネルギーからの電気（[[太陽光発電]]や[[人工光合成]]）によって水の電気分解から水素を生成してエネルギー媒体として貯蔵し、[[燃料電池]]を使って発電し電気を取り出すというエネルギーの循環構想がある<ref>{{Cite web|和書|author=古川一夫 |date=2015-03-02 |url=http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100363.html |title=水素社会構築に向け、新たな研究開発を開始 |accessdate=2015-07-11}}</ref>。

一見、理想的で無駄のないサイクルに思えるが、電気分解から燃料電池による発電までの工程では[[ニッケル水素電池]]や[[リチウムイオン充電池]]と比較して効率が大幅に低い。{{仮リンク|高分子固体電解質|en|Polymer electrolyte membrane electrolysis}}を利用した電気分解の工程では分解時に両極でガスが発生するが、これが連続した反応を阻害する一因となる。また、燃料電池での発電工程でも同様に燃料電池の[[ガス拡散電極]]の特性上、電流密度を上げるためにはスタックを重ねなければならず、取り出す電流を2倍にしようとすれば電極の面積も2倍にしなければならず、単位容積ごとの効率が低い。貯蔵時にも専用の高圧タンクや[[水素吸蔵合金]]を使用しなければならないため、単位体積ごと、あるいは単位重量ごとの[[エネルギー密度]]を下げる要因になり、利点を相殺してしまっている。

=== 生体研究 ===
水素に関する研究について概説する。1671年には[[ロバート・ボイル]]によって水素ガスが生成され、水素はガスであると認識され、生理的に不活性なガスだと考えられ、注目されなかった{{sfn|李|田中|田中|三羽|2015}}。初期には、水素分子の生物学的効果は小規模に研究されてきた{{sfn|Ichihara|Sobue|Ito|Ito|2015}}。1975年に、Doleらは水素ガスが動物の皮膚[[腫瘍]]を退縮するという研究結果を『[[サイエンス]]』にて報告したが{{sfn|Dole|Wilson|Fife|1975}}{{sfn|大澤|2013}}、注目はされなかった{{sfn|大澤|2013}}{{sfn|李|田中|田中|三羽|2015}}。[[肝臓]]に慢性の[[炎症]]を持つ[[ハツカネズミ|マウス]]での高圧水素の抗炎症作用は、2001年に報告された{{sfn|Ichihara|Sobue|Ito|Ito|2015}}。こうした研究は数が限られている{{sfn|Ichihara|Sobue|Ito|Ito|2015}}。

水素ガスを含む吸気として、たとえば[[飽和潜水]]用のガスとして水素50 %、ヘリウム49 %、酸素1 %用の混合気が用いられており、この場合、水素に起因する毒性や安全性の問題は見られていない{{sfn|Nicolson|de Mattos|Settineri|Costa|2016}}。

ボストン小児病院、ハーバード大学医学部の研究でも、水素ガスの吸入による細胞障害、組織障害のような有害事象はないことが報告されており<ref>{{Cite web|title=Safety of inhaled hydrogen gas in healthy mice|url=http://www.medgasres.com/article.asp?issn=2045-9912;year=2019;volume=9;issue=3;spage=133;epage=138;aulast=Cole|website=www.medgasres.com|accessdate=2020-02-14|last=Cole}}</ref>、名古屋大学医学部産婦人科、香川大学医学部産婦人科の研究においても、水素の摂取による毒性や催奇性はないことが報告されている<ref>{{Cite web|和書|title=早産における分子状水素の予防効果と母獣長期投与の胎仔への影響|url=https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15H06282/|website=KAKEN|accessdate=2020-02-14}}</ref><ref>{{Cite web|和書|title=新生児低酸素性虚血性脳症に対する低体温と水素吸入ガス併用療法の効果に関する研究|url=https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-25461647/|website=KAKEN|accessdate=2020-02-14}}</ref>。

ただし、水素は爆発性を有する気体であり、爆発濃度においては静電気のような微弱なエネルギーで爆発する危険性がある。従って、水素ガス吸入療法においては、爆発限界濃度以下（10 %以下）の水素ガスを発生させる水素ガス吸入機を用いることが重要であると、市販の水素ガス吸入機の安全性について警鐘を鳴らす論文が2019年に発表されている<ref>{{Cite web|和書|title=世界唯一の爆発しない水素ガス吸入機の開発|url=https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000004.000047753.html|website=プレスリリース・ニュースリリース配信シェアNo.1｜PR TIMES|accessdate=2020-02-14}}</ref>{{sfn|Kurokawa|Hirano|Ichikawa|Matsuo|2019}}<ref>{{Cite web|和書|title=市販の水素ガス吸入機に爆発危険性 慶應義塾大学とMiZが共同研究 {{!}} 大学ジャーナルオンライン|url=https://univ-journal.jp/27980/|website=大学ジャーナル|date=2019-09-26|accessdate=2020-02-14|author=大学ジャーナルオンライン編集部}}</ref>。実際に消費者庁の事故情報データバンクによれば、水素濃度が99.99%や67%の高濃度の水素を生成する水素ガス吸入機の爆発によって顔面内骨折、聴力低下、耳鳴りなどの重大事故事例が複数報告されている<ref>{{Cite web |title=事故情報データバンクシステム |url=https://www.jikojoho.caa.go.jp/ai-national/ |website=www.jikojoho.caa.go.jp |access-date=2024-07-16}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Ichikawa|first=Yusuke|last2=Hirano|first2=Shin-ichi|last3=Sato|first3=Bunpei|last4=Yamamoto|first4=Haru|last5=Takefuji|first5=Yoshiyasu|last6=Satoh|first6=Fumitake|date=2022-05-12|title=Guidelines for the selection of hydrogen gas inhalers based on hydrogen explosion accidents|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9555030/|journal=Medical Gas Research|volume=13|issue=2|pages=43–48|doi=10.4103/2045-9912.344972|issn=2045-9912|pmc=9555030|pmid=36204781}}</ref><ref>{{Cite web |url=https://www.e-miz.co.jp/guidelines_jp.pdf |title=安全な水素ガス吸入機選択の世界基準  爆水素爆発事故に基づく安全な水素ガス吸入機の選択のガイドライン |access-date=2024年７月１２日}}</ref>。さらに2024年９月30日には、水素と酸素を2:1で混合した高濃度水素ガス生成する吸入機を用いて吸入を行っていたところ、パンという音と共に口から大量出血を起こし救命救急センターに搬送された。検査の結果、内臓破裂と気管支の裂傷を起こす重大事故が消費者庁の事故データバンクに報告された<ref>{{Cite web |url=https://www.jikojoho.caa.go.jp/ai-national/ |title=消費者庁 事故データバンク |access-date=2025年1月25日}}</ref>。

2024年に、高濃度水素ガス吸入機と電磁波を照射する温熱療法機を併用して乳癌の治療を試みた際、患者の胸部内部で[[水素爆発]]が発生し、その後、喀血する事態が起きた。CT検査の結果、肺胞中心に肺挫傷が認められ、吸入性燃焼肺障害と診断されて入院に至った<ref>{{Cite web |url=https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11614747/ |title=A case of lung injury due to a hydrogen explosion caused by the　simultaneous use of two home folk remedies devices |access-date=2025年1月21日}}</ref>。この事故は、高濃度水素ガスを吸入することで、肺内でも水素濃度が爆発限界に達し体内で水素爆発が起きる可能性があることを示唆するものである。したがって、家庭や医療機関における高濃度水素ガス吸入による人体内水素爆発事故を防止するためには、水素ガスの水素濃度が爆発濃度以下（10%以下）の水素ガスを生成する吸入機を使用する必要がある。

日本における水素の医療利用の研究に関する最初の報告は、2003年のヒドロキシルラジカルによる水素分子の水素引き抜き反応によって、種々の酸化ストレスに起因する疾病を予防または改善する報告に遡る<ref>{{Cite web|和書|title=MiZ株式会社 水素を含有する薬理機能水およびその用途に関する特許公報 (特許第4783466号)|url=https://www.j-platpat.inpit.go.jp/c1800/PU/JP-4783466/944C20B0CDBDF0AF9B16AAAFF722A120DCC612DA70D2A1E70AB9017E172FC1DC/15/ja|website=J-PlatPat|accessdate=2020-02-14|publisher=}}</ref>。さらに2005年には、ラットの酸化剤誘発モデルに対する水素水の抗酸化効果が報告された{{sfn|Yanagihara|Arai|Miyamae|Sato|2005}}。

[[日本医科大学]]での2007年の実験{{sfn|Ohsawa|Ishikawa|Takahashi|Watanabe|2007}}を受けて、[[慶應義塾大学]]では2012年から心停止のラットでの治療モデルを確立してきた{{sfn|佐野|2016}}。2015年10月には、慶應義塾大学先導研究センター内に水素ガス治療開発センターが開設された{{sfn|佐野|2016}}。

[[心肺停止]]時の水素ガスの吸入は[[保険外併用療養費#先進医療|先進医療]]Bに認定され、研究が進められている<ref>[https://www.mhlw.go.jp/file/05-Shingikai-10801000-Iseikyoku-Soumuka/0000125069_2.pdf 先進医療 B 実施計画等評価表（番号 B066）]2016年7月14日</ref>。従来の研究では動物を対象として心停止の際の脳・心臓の臓器障害抑制が調査されていたが、2016年9月には、初のヒトを対象とした研究が公表され、5人中4人が90日後には普通の生活に戻った{{sfn|Tamura|Hayashida|Sano|Suzuki|2016}}。これは慶應義塾大学を中心として2月に開始された[[臨床研究]]であり、心停止の影響によって寝たきりとなる、言葉がうまく話せなくなるといった[[後遺症]]が残る事が多く、これを抑制するための医療現場への導入が目標とされている<ref>{{Cite web|和書|url=http://www9.nhk.or.jp/kabun-blog/200/238200.html |title=心停止の患者 水素で脳ダメージ軽減 臨床研究開始へ |publisher=NHK科学文化部ブログ|date=2016-2-20 |accessdate=2017-04-01}}</ref>。

[[αグルコシダーゼ阻害剤]]である[[糖尿病]]治療薬の[[アカルボース]]を服用すると[[炭水化物]]の吸収が抑制され、大腸の[[腸内細菌]]により水素などが発生する。アカルボースの服用が心血管事故を抑制する可能性があり、この原因として[[高血糖]]の抑制に加えて、呼気中に水素ガスの増加が認められ、この増加した水素の[[抗酸化物質|抗酸化作用]]で心血管事故を抑制するメカニズムが想定されている{{sfn|入江|伊藤|2012}}。

水素と水素が水に溶存した[[水素水]]の研究は、2007年から2015年6月までで321の水素の論文があり、[[臨床試験]]も年々増加してきた{{sfn|Ichihara|Sobue|Ito|Ito|2015}}。

上述のように水素は従来の医薬品とは異なり、病気の根源である酸化ストレスを抑制し広範囲の疾病に対する改善効果を有することから、病気に対する「ワイドスペクトラム分子」と呼ばれる可能性がある{{sfn|Hirano|Ichikawa|Sato|Satoh|2020b}}。

2019年12月10日現在、水素の医療利用に関係する学術論文は600報を超える<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.e-miz.co.jp/file/documents2.8_ja_black.pdf|title=「水素分子の各種疾患又は疾患モデルに対する 効果を報告した文献一覧」MiZ株式会社|accessdate=2020年2月18日|publisher=}}</ref>{{sfn|Hirano|Ichikawa|Kurokawa|Takefuji|2020a}}。

== 宇宙における水素の反応 ==
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。

<chem>H2(g) + e- -> H2+(g) + 2e-
</chem>

<chem>H2+(g) + H2(g) -> H3+(g) +H(g)</chem>

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。

== 水素と似た粒子 ==
{{節スタブ|1=水素の陽子または電子を別の粒子に置き換えた粒子の名称（多数存在すると書いてあるため）|date=2018年2月}}

水素原子は非常に簡単な構造をしているため、水素の[[陽子]]または[[電子]]を別の粒子に置き換えた粒子は不特定多数存在する。なお、水素と似たような化学反応を起こす粒子もある。

* [[K中間子水素]]：電子を負電荷の[[K中間子]]に置き換えた粒子。
* [[反水素]]：陽子を[[反陽子]]に、電子を[[陽電子]]に置き換えた粒子。
* [[プロトニウム]]：電子を反陽子に置き換えた粒子。
* [[ポジトロニウム]]：陽子を陽電子に置き換えた粒子。
* [[ミューオニウム]]：陽子を[[ミュー粒子|反ミュー粒子]]に置き換えた粒子。
* [[リュードベリ定数#水素原子以外での重要性|リュードベリ原子]]：''n''個の陽子を持つ核の付近に''n''−1個の電子があり、さらにそこから離れた軌道に1つの電子が飛び回っている粒子。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{notelist2}}
===出典===
{{Reflist|25em}}

== 参考文献 ==
;書籍
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;雑誌<!--学術論文誌以外-->
:* {{cite magazine|和書|date=2008-04|title=水の活性化と機能水 — 表面処理における各種対策について|magazine=[[鍍金の世界]]|publisher=[[日本鍍金材料協同組合]]|volume=41|issue=4|pages=52-56|ref={{sfnref|日本鍍金材料協同組合|2008}}|id={{naid|40016050513}}}}
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;行政資料
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== 関連項目 ==
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<div style="break-inside:avoid;>
* [[水素の同位体]]
** [[重水素]] - [[三重水素]]
* [[スラッシュ水素]]
</div>
<div style="break-inside:avoid;>
;物理学
:* [[21cm線]]（[[電波天文学]]）
:* [[核スピン異性体]]
:* [[水素原子におけるシュレーディンガー方程式の解]]
:* [[反水素]]
:* [[ボーアの原子模型]]
:* [[ミュオニウム]]
:* [[リュードベリ定数]] - [[バルマー系列]] - [[ライマン系列]] - [[プント系列]]
:<!---->
</div>
<div style="break-inside:avoid;>
;化学
:* [[水素化]]
:* [[水素結合]]
:* [[水素ぜい化|水素脆化]]
:* [[水素爆発]]
:* [[水素イオン]]
:* [[水素化合物]]
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</div>
<div style="break-inside:avoid;>
;工学
:* [[水素製造]]
:* [[熱化学水素製造]]
:* [[水素吸蔵合金]]
:* [[水素爆弾]]
:* [[ニッケル・水素充電池]]
:* [[燃料電池]]
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</div>
<div style="break-inside:avoid;>
;文学
:* [[水素製造法]]（小説）
</div>
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== 外部リンク ==
{{Sisterlinks}}
* {{EoE|Hydrogen|Hydrogen}}
* {{ICSC|0001}}
* {{Kotobank}}

{{元素周期表}}
{{二原子分子}}
{{自動車用燃料}}
{{発電の種類}}
{{水素エネルギー社会}}

{{Good article}}
{{Normdaten}}

{{DEFAULTSORT:すいそ}}
[[Category:水素|*]]
[[Category:元素]]
[[Category:第1族元素]]
[[Category:第1周期元素]]
[[Category:非金属元素]]
[[Category:還元剤]]
[[Category:燃料]]
[[Category:自動車用燃料]]