まとめ
- 水素
- あらゆる物質の中で最も軽く、無色・無臭・無味の性質を持つ、原子番号1の元素
解説
水素は、常温常圧においてすべての物質の中で最も密度が小さく、非常に軽い気体です。水に溶けにくい性質（難溶性）を持つため、実験室で発生させた際には水上置換法を用いて集められます。化学的には非常に燃えやすい性質（可燃性）があり、酸素と結びついて激しく燃焼すると水（水蒸気）を生成します。この反応の際、二酸化炭素を排出しないため、環境に優しいクリーンエネルギーとして注目されています。
実験室では、亜鉛やマグネシウム、鉄などの金属に塩酸やうすい硫酸を反応させることで発生させます。また、アルミニウムや亜鉛のように、酸だけでなく水酸化ナトリウム水溶液のような強アルカリとも反応して水素を発生させる「両性金属」としての性質を持つものもあります。以下の表は、代表的な金属と薬品の反応性の違いをまとめたものです。
| 金属の種類 | 塩酸との反応 | 水酸化ナトリウム水溶液との反応 |
|---|---|---|
| アルミニウム | 水素が発生する | 水素が発生する |
| 亜鉛 | 水素が発生する | 水素が発生する |
| 鉄 | 水素が発生する | 反応しない |
| 銅 | 反応しない | 反応しない |
水素の発生量は、反応させる金属の量や酸の濃度・量に比例します。しかし、どちらか一方が完全になくなると反応は止まるため、計算問題では「どちらの物質が不足しているか」を見極める過不足の考え方が重要です。粒子モデルを用いた考察では、反応後にビーカーの中に残っているイオンや未反応の金属の種類を特定する力が求められます。
産業分野では、天然ガスから取り出す方法のほか、再生可能エネルギーを利用して水を電気分解する「グリーン水素」の製造が進んでいます。また、水素はマイナス253度まで冷やすと液体になり、体積が約800分の1になるため、大量輸送に適した状態になります。燃料電池車（FCV）や家庭用燃料電池など、水素と酸素の化学反応から直接電気を取り出す技術は、脱炭素社会の実現に向けた鍵となっています。なお、金や白金は通常の酸とは反応しませんが、王水などの特殊な液体には溶解します。
水素は、世の中で一番軽い気体です。色もにおいも味もありません。空気よりもずっと軽いので、風船に入れると空高く上がっていきます。また、火をつけると燃えて水に変わるという、とてもおもしろい性質を持っています。燃えても二酸化炭素を出さないので、地球にやさしいエネルギーとして期待されています。
学校の実験では、アルミニウムや亜鉛などの金属に、塩酸をかけることで作ることができます。このとき、あわが出てきて熱くなるのがとくちょうです。ただし、銅（どう）などの金属ではあわが出ないこともあります。実験で集めるときは、水の中にチューブを入れてあわをキャッチする「水上置換法」という方法を使います。
水素は宇宙で一番たくさんある元素です。太陽が光りかがやいているのも、中心で水素が反応し続けているからなんですよ。未来の車やバスも、水素を燃料にして走るものが増えています。
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