水素の特性は何ですか？

水素の特性には、地球上の自然な状態では、非常に可燃性の無色無臭のガスであることが含まれます。 それは自然界に存在することが知られている最も軽い元素であり、星、惑星、および他の星の天体の宇宙の全質量の平均75％を占めています。 水素は、地球上のすべての生命にとっても不可欠であり、重量で生物の14％を占めるため、酸素と容易に結合して水と炭素を生成し、生体構造およびほとんどの有機分子の基礎となる分子を生成します構築されています。

水素の最も豊富な形はプロチウムで、原子核に陽子が1つだけで、核の周りの軌道に電子が1つありますが、水素の他の2つの同位体も存在します。 水素はすべての天然水素の99.985％を占め、重水素は原子核に陽子と中性子の両方を持つ0.015％近くを占めます。これにより、質量はプロチウムの2倍になります。 トリチウムは水素の3番目の形態であり、自然界では非常にまれですが、人工的に生成することができます。 不安定で、半減期が12.32年の放射性崩壊を示します。 これは、1つの陽子に対して原子核に2つの中性子を持ち、水素核兵器の収量を高めるために、核分裂エネルギーの生成と核融合研究で生成され、使用される重要な化合物です。

軌道上にたった1つの電子を持つ水素の化学的性質は、他の多くの元素と結合を形成する非常に反応性の高い元素になります。 大気中の自然状態では、酸素と同様に水素の別の原子と結合し、H ₂を形成します。 H ₂分子は、核のスピンに応じて一意であり、両方の核が同じ方向に回転するH _2の分子はオルト水素と呼ばれ、反対のスピンを持つものはパラ水素と呼ばれます。 オルト水素は、通常の大気圧およびガス状の温度で最も一般的なH _2の形ですが、ロケット燃料などの液体状に冷却されると、オルト水素はパラ水素に変わります。

水素の物理的特性と、陸地および地球の海洋におけるその豊富な存在により、水素は実質的に無限の燃料供給として研究の重要な分野となっています。 ガソリン、天然ガス、エタノールなどのすべての形態の化石燃料とアルコールは、水素、炭素、そして時には酸素が結合した炭化水素鎖で構成されています。 純粋な水素をきれいに燃える豊富な燃料源として分離すること自体は簡単ですが、水素を化学結合から切り離し、貯蔵のために冷却するために必要な力は、しばしば純粋な水素自体が生成できるよりも多くのエネルギーを必要とします。 このため、水素の特性により、最も一般的な用途は、他の元素との化学結合であることがわかります。

核融合エネルギー生産の研究は、水素化合物である重水素とトリチウムの化学的性質にも依存しています。 すべての星が使用する水素の特性は、強い圧力の下で水素原子を融合させ、ヘリウムとエネルギーを光と熱の形で放出します。 米国、ヨーロッパ、および日本では、強力な磁場、慣性閉じ込めレーザー、または電気パルスを使用する研究施設でも同様の圧力が発生しています。

水素原子の融合が起こると、プロセスからの過剰エネルギーの20％を運ぶヘリウム原子が生成され、エネルギーの80％は自由中性子によって運ばれます。 この中性子エネルギーまたは熱は、流体に吸収されて蒸気を生成し、タービンに動力を与えて発電します。 しかし、プロセスは2011年の時点でまだ実験的なままです。これは、水素原子を連続的に融合し、華氏212,000,000°（摂氏100,000,000°）に達する核融合で生成される温度に耐えることができる機械を作るために維持する必要がある大きな圧力によるものです）。