【無機化学】水素の性質が”わかる”～図式あり～

2023年8月17日2023年8月26日

非金属元素としての水素

水素は、非金属元素の中でも極めて重要な元素の1つです。周期表の一番左上、1族の第1周期に位置する元素です。
その性質について、図や式を用いながらわかりやすく解説します。また演習問題も用いて解説していきます。

本記事は以下のような人におすすめです！

水素の性質を確認したい。

それでは、始めましょう！

問題：水素

次の記述のうち、誤っているものを1つ選べ。

① 水素は、すべての気体のうちで最も軽く、水によく溶ける。
② 水素は、還元作用を示し、加熱した酸化銅(Ⅱ)と反応して銅を生じる。
③ 水素は、酸素とともに燃料電池に用いられる。
④ 亜鉛に希硫酸を加えると、水素が発生する。
2021セミナー化学 | 第一学習社

略解

①

テキスト：水素

まず、水素\(\mathrm{H}\)がどのような非金属元素であるか説明します。

水素は、宇宙で最も多く存在している元素で、水\(\mathrm{H_2O}\)や有機化合物の構成元素であり、自然界に多く分布していることが特徴としてあげられます。

水素の製法

実験室では、亜鉛や鉄に希硫酸、希塩酸などの酸を加えて発生させて得ます。

水素は水に溶けにくいという性質があるので、右図のような水上置換法で採集します。

\(\mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 +H_2 \uparrow} \qquad (1) \)

また、水素はメタン\(\mathrm{CH_4}\)を高温の水蒸気と反応させることでも得ることができます。

\(\mathrm{CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2 \uparrow} \qquad (2) \)

水素の性質

まず、水素の基本的な性質についてです。

融点 [℃]	-259
沸点 [℃]	-253
色/におい	無色/無臭
密度^※ [g/L]	0.0899

表1 水素\(\mathrm{H_2}\)の性質

水素の性質(データ)は表1のようになっています。
(※)0℃、1.013 Paでの値

状態：気体
常温では無色無臭
すべての気体の中で最も密度が小さい
水に溶けにくい
空気中で点火すると炎を上げて燃える

また単体\(\mathrm{H_2}\)は二原子分子です。

水素の反応は主に2つあります。

1. 水素と酸素の混合気体に点火すると、爆発的に化合して水を生成する。

\(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O} \qquad (3) \)

2. 高温では還元剤として用いられる。

金属の酸化物を還元することができます。例えば、高温で酸化銅(Ⅱ)\(\mathrm{CuO}\)と反応して、銅\(\mathrm{Cu}\)を生じます。

\(\mathrm{CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O} \qquad (4) \)

水素の用途

水素は主に2つの用途で使われます。

1. 水素化合物の合成原料となる。: 塩化水素\(\mathrm{HCl}\)、アンモニア\(\mathrm{NH_3}\)、有機化合物などの合成原料となります。
2. 燃料電池の活物質として利用されている。: 液体燃料式ロケットの燃料としても使われています。

水素化合物

水素と、他の元素との化合物を水素化合物といいます。水素は、貴ガス以外のほぼすべえての元素と水素化合物を作ります。

陽性の強い金属元素とは、水素化物イオン\(\mathrm{H^{-}}\)としてイオン結合をつくり、水素化ナトリウム\(\mathrm{NaH}\)、水素化カルシウム\(\mathrm{CaH_2}\)といった金属水素化物となります。

非金属元素との水素化合物は、共有結合からなる分子が多いです。

解説：水素

次の記述のうち、誤っているものを1つ選べ。

① 水素は、すべての気体のうちで最も軽く、水によく溶ける。
② 水素は、還元作用を示し、加熱した酸化銅(Ⅱ)と反応して銅を生じる。
③ 水素は、酸素とともに燃料電池に用いられる。
④ 亜鉛に希硫酸を加えると、水素が発生する。
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① 水素は、すべての気体のうちで最も軽く、水によく溶ける。: 水素は水に溶けにくいです。(採集が水上置換で行えるのは水に溶けにくいからでした。)
② 水素は、還元作用を示し、加熱した酸化銅(Ⅱ)と反応して銅を生じる。: 高温下で(4)式が成り立ちます。
③ 水素は、酸素とともに燃料電池に用いられる。: 燃料電池の活物質として利用されています。
④ 亜鉛に希硫酸を加えると、水素が発生する。: 水素の製法からわかります。(1)式が成り立つことからも説明できます。