水素の歴史と用途

水素は、すべての物質の構成要素である化学元素の中で最も単純で最も一般的なものである。 他の原子は陽子、中性子、電子で構成されています。 しかし、水素は電子と陽子を1つずつしか持っていません。 また、最も多く存在する元素でもあります。

アメリカは毎年、約8500万立方メートルの水素を生産しています。 これは、トロントのロジャースセンターの容積の50倍以上に相当します！

水素は、無色、無臭の非金属です。 最も一般的な形態では、非常に可燃性である。 言い換えれば、燃え上がる性質があります。

水素はいつ発見されたのですか？

水素は、1671年にイギリスの科学者ロバート・ボイルによって初めて発見されました。 彼は、さまざまな金属を酸に浸して実験していたのです。 純金属を酸につけると、単一変位反応と呼ばれる種類の反応が起こります。 たとえば、塩酸（HCl）の溶液にカリウム（K）のかけらを入れると、次のような反応が起こります：

2K + 2HCl → 2KCl + H2

固体カリウム金属は酸と反応して塩化カリウムという塩を形成することがわかります。 一方、残った水素原子は結合して水素ガスになる。

1776年の論文で、ヘンリー・キャベンディッシュというイギリスの科学者は、水素が別個の元素であることを確認しました。 ボイルもキャベンディッシュも、水素ガスが非常に燃えやすいことに気づいていた。 具体的には、酸素とすばやく激しく燃焼反応を起こします。

2H2 + O2 → 2H2O (+ Heat)

この反応は、水素と酸素の分子を取り出して結合し、H2O（水）になります。 この反応は発熱します。 つまり、熱エネルギー、つまり火を発生させるのである。 その後、水素は星の中で起こる核融合反応の燃料になることを他の科学者が発見する。

水素は絶対零度より14°高い温度（14°ケルビンまたは-259℃）で溶ける

過去には何に使われていたのか

ボイルとキャベンディはその燃焼性とともに、水素が空気より密度が小さい（軽い）ことも観察しています。 水素は風船のようなものを持ち上げるのに向いているのです。 この点では、2番目に単純な元素であるヘリウムに似ている。 実際、水素はヘリウム以上に物を持ち上げるのが得意です。 そのため、水素を充填した気球を輸送用に設計することは、時間の問題でした。 1900年代初頭には、水素を放出ガスとする大型の飛行船が、空の旅の人気商品となった。 1937年、米国で悲劇が起こった。 ドイツの飛行船ヒンデンブルグ号がニュージャージー州レイクハーストで炎上、爆発し、36人が死亡したのだ。

飛行船の設計者は、水素が燃えやすいこと、そしてヘリウムのほうが安全であることを知っていました。 しかし、ヘリウムは希少で高価であった。 そこで、安いが安全性の低いヘリウムを採用したのです。 ヒンデンブルグ号の事故後、水素はすぐに昇降用ガスとしては使われなくなった。

最近では、水素は何に使われているのでしょうか？

ケネディ宇宙センターからのスペースシャトル打ち上げや国際宇宙ステーションでのドッキングを撮影したビデオを見ていると思うんですけどね。 その計画は2011年に中止されました。 しかし、それまではNASAの宇宙飛行士が宇宙へ行くにはシャトルが主役だったのです。 シャトルの巨大なエンジンの動力源は何だろうと考えたことはありますか？ 水素です！

スペースシャトルのメインエンジンは、液体水素と液体酸素を燃焼させて動力を得ていました。 水素を燃やすと、どれくらいのパワーが出るのでしょうか？ 想像もつかないほどです。 スペースシャトルのエンジン3基が一緒に動くと、鉄道の機関車120台分のエネルギーに匹敵します。
NASAの技術者たちは、水素がいかに危険であるかということも理解していました。

最近、環境への影響を減らすことに関心を持つ人が増えてきています。 その方法のひとつが、自動車を動かすための燃料を燃やすのをやめることです。 そこで、水素を燃料とする燃料電池自動車の開発に注目が集まっています。 水素を自動車の燃料にすることの良い点は、ガソリンの場合と違って、廃棄物が温室効果ガスではなく、水であることです！

ご存知ですか？2018年現在、水素で動く自動車は3台生産されているんですよ。 ホンダ、ヒュンダイ、トヨタがそれぞれ水素自動車を生産しています。

ヒンデンブルグと違って、水素自動車は風船のように超軽量である必要はないので、燃料を圧縮して、漏れないように非常に丈夫なタンクに貯蔵しています。 燃料を気体としてではなく、固体として保存するのがベストな解決策でしょう。 事故が起きると燃える可能性があります。 しかし、爆発することはまずないでしょう。 事故による火災のリスクは、ガソリン車とほぼ同じです。

しかし、水素を自動車の燃料にする場合の大きな問題のひとつは、貯蔵です。 水素は重量ではガソリンよりエネルギーが大きいのですが、体積ではエネルギーが小さいのです。 つまり、給油前にそれなりの距離を走るには、かなり大きなタンクの水素ガスが必要なのです。 ほとんどの車のガスタンクは小さすぎて、街中を走るのに十分な水素ガスを蓄えることができないのです

科学者たちは、水素を気体から固体に変換することを検討してきました。 その理由は、エネルギー密度が低いからです。 水素を固体の化学物質に吸収させると、より高いエネルギー密度を得ることができる。 学術界、産業界、政府の研究者は皆、水素をエネルギー経済の最前線にもたらすこの革新的な方法に注目しています。

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