Introduction to Chemistry

Term

• diatomicConsisting of two atoms

Physical Properties of Hydrogen

Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. 記号は H、原子番号は 1 です。平均原子量は 1.0079 amu であり、最も軽い元素です。 水素は宇宙で最も多く存在する化学物質であり、特に恒星やガス惑星に多く含まれる。 しかし、単原子水素はほとんどの元素と共有結合を形成する性質があるため、地球上では稀である。 標準的な温度と圧力では、水素は無毒、非金属、無臭、無味、無色、そして非常に可燃性の2原子ガスであり、分子式はH2である。

水素は 1 つの陽子と 1 つの電子を持ち、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。 水素の融点は-259.14℃、沸点は-252.87℃である。 水素の密度は0.08988g/Lで、空気より密度が小さい。 酸化状態は(+1, -1)の2種類あり、酸化剤としても還元剤としても働くことができる。

水素は、原子核の相対的なスピンによって異なる2種類のスピン異性体の水素2原子分子が存在します。

水素は、原子核の相対的なスピンによって異なる2種類のスピン異性体として存在し、正水素は平行スピン、副水素は反平行スピンを持つ。 標準的な温度と圧力では、水素ガスは75%の正水素と25%の副水素から構成されている。 水素は、圧縮された気体水素、液体水素、液体と固体が混ざったスラッシュ水素、固体や金属など、さまざまな形態で利用されている。

水素の化学的性質

水素ガス (H2) は非常に燃えやすく、空気中の濃度が 4 ～ 75% の間で非常に広い範囲で燃焼してしまいます。 水素の燃焼エンタルピーは -286 kJ/mol で、次の式で表されます:

2 H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

水素ガスは塩素 (5 ～ 95%) の混合物中でも爆発する可能性があります。 これらの混合物は、火花、熱、あるいは太陽光に反応して爆発することがあります。 水素の自己着火温度（自然発火が起こる温度）は500℃です。 純粋な水素と酸素の炎は紫外線を発し、肉眼では見ることができない。 そのため、燃焼中の水素漏れを検知することは危険であり、炎検知器が必要となる。 水素は空気中で浮力があるため、水素の炎は急速に上昇し、炭化水素火災に比べて被害が少ない。

水素は酸化性元素と反応し、塩素やフッ素と自発的かつ激しく反応してハロゲン化水素を形成する。

水素は安定であるにもかかわらず、ほとんどの元素と化合物を形成します。反応に参加するとき、水素はハロゲンや酸素のような電気陰性度の高い元素と反応すると部分的に正電荷を持ち、アルカリ金属のような電気陽性度の高い元素と反応すると部分的に負電荷を持つ場合があります。 水素がフッ素、酸素、窒素と結合すると、水素結合と呼ばれる中強度の非共有結合（分子間結合）に関与することができ、これは多くの生体分子の安定性に重要である。

水素の酸化は、その電子を除去し、H+イオンを生成します。 水溶液中のH+はヒドロニウムイオン（H3O+）と呼ばれることが多い。 この種は、酸塩基化学において不可欠です。

水素の同位体

水素は、1H、2H、3H と示される 3 つの同位体として天然に存在します。 1H は 99.98% の存在度で、正式名称はプロチウムです。 2Hは重水素として知られ、1個の電子、1個の陽子、1個の中性子を含みます（質量数＝2）。 重水素とその化合物は、化学実験の非放射性標識として、また1H-NMR分光の溶媒として使用されています。 3Hはトリチウムと呼ばれ、陽子1個、中性子2個、電子1個を含む（質量数＝3）。