BLOG

水素の特徴

水素は、宇宙で最初に生まれた元素です。

宇宙は、今から約137億年前に誕生したと考えられている。

もともと「無」の状態だったところに、「真空エネルギー」が発生し、最初の宇宙が誕生した。

最初の宇宙は、とても小さかった。10のマイナス34乗センチメートル。

その後、10のマイナス36乗秒後の間に10の100乗倍に一気に膨張した。これを宇宙の「インフレーション」という。

インフレーションを起こした宇宙は、ビッグバン(大爆発)を起こすのである。

この宇宙誕生を解明する理論を「インフレーション理論」と言い、現代では主流となっている。

水素のモトは、このビッグバンの3分後にヘリウムとともにできた。

この水素とヘリウムが集まり星ができた。

つまり、水素は命そのものを生んだ元素と言える。

そして、私たちが住む地球上に存在する酸素も、水素と酸素が結合した「水」から生まれたものです。

緑の地球

人の体の6割は、水ででいている。

人の遺伝子のDNAの二重らせんも水素結合で結びついている。

人は、腸で水素を発生している。

水素は、私たちにとって本当に身近なものです。

空気中の水素の割合

水素は、

全ての元素の中で、一番小さい。

全ての元素の中で、一番軽い。

拡散性がある。

無色。

無味。

無臭。

の気体です。

 

水は水素と酸素からできている

私たちの身の回りにあるものは、すべて元素でできている。

元素は、すべてが異なる性質を持っている。

学生時代に、学んだ周期表(Wikipediaより)には、全ての元素が理路整然と並んでいる。

周期表

2016年11月に正式名称が「ニホニウム」と名付けられた元素は、原子番号113番。

日本の理化学研究所が、合成と証明に成功し、命名権を与えられた元素である。

このように、元素は、物質を分解していくと発見されることがあるのです。

ところで、生物が生きていくために必要不可欠な水は、酸素と水素でできている

水素の分子

 

これは、小学校の理科で学んだ記憶があるだろう。

水は、水素原子2個と酸素原子1個が仲良く手をつないでいる分子という状態がたくさん集まってできている。

水素について

 

水分子は、酸素原子と水素原子からできていると言ってよい。

つまり、すべての物質はいくつかの原子から構成されている。

原子と元素の違いは、何だろう??

そもそも原子も元素も「物質を構成する単位」です。

しかし、言葉の意味は異なっている。

原子とは、構造を示す言葉であり、元素とは、性質を示す言葉です。

そして、原子をさらに細かく分けてみると、「原子核」と「電子」から成り立っている。

原子核は、正の電荷を帯びていて、電子は、負の電荷を帯びている。

上の図のように、電子は原子核の周りを飛び回っているイメージです。

そして、一番外側の電子の数により、その原子の特徴が決まりますが、この図は、あくまでもイメージであり、実際の原子の世界は、原子核の周りに電子が雲のように存在しています。

酸素原子

さらに原子核は、「陽子」と「中性子」から構成され、陽子は、正の電荷を帯びていて、中性子は、電荷を帯びていない。

このように原子は、陽子と中性子と電子から成り立っているが、数をみてみると、陽子と中性子と電子は、同じ数だけ存在する。だから、原子は電気的に中性となる。

そして、中性子の数が異なる原子も存在する。これを「同位体」と呼ぶ。

水素は、中性子を持たない普通の水素(軽水素)、中性子がひとつ多い重水素、ふたつ多い三重水素などの同位体があるが、どもれ水素という元素である。

原子番号は、陽子の数により決定されている。また、陽子と中性子の個数の合計が、その原子の質量数となる。

例えば、水素原子は、陽子が1個だから、原子番号は、1で、質量数は、1となる。酸素原子は、陽子の数が8個。陽子8+中性子8=16で、原子番号は、8で質量数は16となる。

原子の大きさは、直径が約0.1ナノメートル(1億分の1センチメートル)です。

水素の誕生

水素やヘリウムなどの、比較的軽い原子が誕生したのは、ビッグバンが起こった3分後。

水素のもとである素粒子が誕生した。

やがて水素とヘリウムが集まって恒星ができるのです。

宇宙が誕生してから約38万年たってからのことです。

しかし、このころの原子のほとんどは、水素でした。

さらに、それより重い原子が誕生したのは、宇宙誕生から4億年が過ぎてからのことです。

宇宙

原子のガスが集まり恒星ができました。その構成の中で核融合反応がおき、どんどん重い元素が作られていきました。

このように、すべての元素は、水素を最初の原子として星の中で作られていったのです。

現在でも、宇宙の元素の73%は水素です。

水素を見つけたキャベンデュッシュ

水素は、地球上で酸素、ケイ素の次に多く存在する元素であるが、だれが見つけたのだろう??

1766年イギリスの物理学者ヘンリー・キャベンディッシュは、「鉄、亜鉛、スズに硫酸や塩酸を作用させる」実験により水素を気体として分離することに成功した。

それに先立ち、1671年アイルランドの化学者・物理学者ロバート・ボイルは、「鉄と希硝酸を反応させて生じる気体が燃える」ということを確かめている。

「水素」という言葉は、日本語も文字通り「水の素」であるが、英語の「hydrogen」もギリシャ語の「hydro(水)」と「gennao(生じる)」を組み合わた造語で「水が生じる」という意味となる。

水素と現代社会

日本は、2015年を「水素元年」とし、水素社会の実現に向け、進みだした。

経済産業省の「水素・燃料電池戦略ローマップ」を見ると、次世代エネルギーとして、2030年には、水素発電が本格導入される。

また、2020年の東京オリンピックは、「水素オリンピック・水素パラリンピック」と位置づけ、世界に日本の技術をPRすることを計画している。

以下のように「2020年オリンピック・パラリンプック東京大会に向けた科学技術イノベーションの取組に関するタスクフォース」として、9つのプロジェクトを発表している。

1.スマートホスピタリティ「海外からの来訪者に、移動や会話に伴うストレスのない、やさしい誘導を」

2.感染症サーベイランス強化「感染症の発生をすばやく察知・公開し、健康的な暮らしを守る」

3.社会参加アシストシステム「障害者・高齢者が、健常者と同じように社会参加するアシストを」

4.次世代都市交通システム「すべての人に優しく使いやすい移動手段を」

5.水素エネルギー・システム「水しか排出しない最新エネルギーで、移動・暮らしに次のクリーンを」

6.ゲリラ豪雨・竜巻事前予測「ゲリラ豪雨が降りだす前に、人々にお知らせ」

7.移動最適化システム「ビッグデータでヒトの流れをスムーズにし、安全で快適なおもてなしを」

8.新・臨場体験映像システム「臨場感あふれる映像技術が生み出す「ワクワク」を、世界中の人と一緒に」

9.ジャパンフラワープロジェクト「最先端技術を活用し、夏でも多くの国産の花で待ちに彩りを」

オリンピックで言うならば、オリンピックドクターを務めたことのある田澤賢次氏の著書「オリンピックドクターが教える “ナノバブル水素水”健康法」にも書いてある通り、2002年ソルトレイクシティ冬季オリンピックの選手村に「早川式交流電気分解方式」でできた水素水を飲んでいた日本人の多くの選手が好成績をおさめたということです。

水

 

田澤賢次氏が求めた水の条件は、以下のようなものです。

1.ヒトにとって有害な物質を含まないこと

2.ミネラル成分をバランスよく含むこと

3.酸素と水素が溶け込んでいること

4.酸化還元電位が低いこと

5.物質の溶解力が高く表面張力が低いこと

6.活性酸素、特にヒドロキシルラジカルを消去できる活性を持ち抗酸化力があること

もちろん、田澤賢次氏が求めたものは、水だけではありません。

空気 → マイナスイオン空気清浄機

環境 → 遠赤外線サウナ

これらの3つを三種の神器を取り入れることで、代謝機能をアップさせ、身体の中をきれいにすることで、自然治癒力と免疫力の向上を図ったようです。

戦後、高度経済成長とともに、いろいろな分野で研究が進み最新技術が生まれ、便利な世の中になってきた現代社会ですが、21世紀に入り、それらの弊害も様々なところで出てきている。

その弊害は、人の体や生活環境、自然にまで及んでいる。

水素がエネルギーとして利用される社会がくる。

石油などの化石燃料に依存しない、クリーンなエネルギー、安全なエネルギーとしての水素を利用する新しい時代が到来する。

宇宙から最初に誕生した元素である水素をエネルギーとして、病気予防として利用する技術が開発されたのには、原点に戻ることの大切さを物語っているように感じる。

生命と水素

生命の設計図であるDNAの中にも水素は存在する。しかも重要な役目を果たしている。DNAの二重らせん構造の塩基(アデニン、グアニン、シトシン、チミン)を結合しているのである。

遺伝子 DNA

 

ただし、水素結合は結びつきが弱い。このため、遺伝子情報の複製も容易に行えるのである。

また、現在医療機器として利用されているMRI(時期共鳴画像)も、体内の水素原子を利用した装置である。

水素は燃えやすい?

「燃える」と聞くと、赤い炎を想像する人が多いでしょうね。しかし、水素ガスが燃えても、昼間は人間の目でほとんど見えないのです。何故なら、その色が紫外線の領域にあるからです。メタンガスやプロパンガスに比べて燃えやすいのが特徴です。水素ガスの燃焼は、水素ガス、酸素ガスおよび熱源(火花や高温になっている箇所)が揃って、初めておこります。ですから、熱源を近づけないことが必要になってきます。

マーガリンと水素

マーガリンは、柔らかくてパンにつける時、ぬりやすいという特徴がありますね。マーガリンは、植物油を多く使っているため、常温で固体化することが難しいのです。そこで、水素の登場です。不飽和箇所に水素を添加して、飽和脂肪酸に変えるのです。この飽和化により、冬でも柔らかく、夏でも溶けないマーガリンができるのです。
しかし、100%水素化が達成されるわけではなく、トランス型不飽和脂肪酸(トランス脂肪酸)となることがあります。このトランス脂肪酸は、LDLコレステロールを増加させ、心血管疾患のリスクを高めるとし、2003年に世界保健機構(WHO)により1日1%未満に控えるようにとの発表がありましたので、注意が必要です。

水素の歴史

16世紀初 硫酸と鉄の反応で水素が生じることを観察する
17世紀 マイエルンやイギリスのボイルが硫酸と鉄の反応で生じるガスが可燃性であることを確認する
1766年 イギリスの科学者キャベンディッシュが、鉄、亜鉛、ススに龍さんや塩酸を作用させて、どのような場合でも可燃空気(水素)が生成することを確認する
 1779年 アボアゲがギリシャ語のdydrとgennaoに由来し、「水を生ずる」という意味のラテン語のdydrogeniumと命名する
 1783年 フランスのシャルルが水素にょる気球を発明してパリ上空の飛行に成功。水素気球は飛行船へと発展する。
 1801年 ギリスのデービー卿が個体炭素を用いる燃料電池の原案を考案
 1839年 イギリスのグローブ卿が水素を燃料(還元剤)、酸素を酸化剤とし、電極に白金、電解質に希硫酸を用いた燃料電池を考案
 19世紀 ウラハムはバラジウムが多量の水素を吸蔵することを報告
1905年 ドイツ・カールスルー工科大のハーバーがアンモニアの直接合成平衡測定を行い、合成条件を発見
1913年 ドイツのBASF社がボッシュを中心にアンモニアの直接合成の日産10トン規模の工場を完成させ、原料としての水素の需要が本格化
1937年 ドイツのビンデンブルク号の事故とともに水素飛行船の時代は終結
1952年 イギリスのベーコンがアルカリ形燃料電池で5kWの発電が可能なことを実証
1960年代 アメリカ・オークリッジ研究所のJ.J.Reillyらが現在の水素吸蔵合金の基礎となっているマグネシウム基合金やバナジウム基合金が水素吸蔵放出を行うこと、更に合金組成を制御することでその特性が変わることを実験により証明
1965年 アメリカの有人宇宙飛行計画でジェミニ5号に炭化水素系の電解質膜を用いた固形高分子形燃料電池を開発
1966年  アメリカでTARGET計画が開始され、一般利用へ向けてのリン酸形燃料電池を開発
1981年 日本でも石油代替・省エネルギー技術の開発を目的としてムーンライト計画に燃料電池が取り上げられ、研究が本格化
1987年 バラードパワーシステム社がフッ素系電解質膜を用いた個体高分子形燃料電池で0.4Vで6A/㎠という高出力を得て、研究開発が活発化
1990年 ニッケル-水素電池が実用化

水素の本(日刊新聞社発行)参照

  • このエントリーをはてなブックマークに追加
  • follow us in feedly