理科の実験は楽しい。でも覚えることが多いから嫌い。安心してください。これは水素の面白さを授業で習わないから、楽しくないと苦痛を感じるのです。この記事では、元塾講師が画像を用いて水素ガスの作り方と特徴をわかりやすく解説します。
水素とは？おもしろい水素の特徴3選
水素ガスの作り方を一緒に学んでいく前に、まずは水素の紹介から。私たちも初対面の方とはお互いに自己紹介から入りますよね。同じように、ただただ作り方などを解説されただけでは何も頭に入りません。
ですので、まずはおもしろい特徴を知って、興味を持つところから始めていきましょう。
特徴1. 宇宙一小さくて軽い！物質をすり抜ける驚きのサイズ
元素周期表の不動のトップバッター、原子番号1番。それが水素です。この世で最も構造がシンプルで、群を抜いて軽いのが最大の特徴です。
| 空気の重さを1とした場合、水素はわずか「0.07」ほど。なんと空気の1/14以下という軽さです。その浮力を利用して、かつては巨大な飛行船を空に浮かべるガスとして重宝されていました。 |
また、水素はあらゆる物質の隙間を簡単にすり抜けてしまうほど極小。まさに「すり抜けの達人」です。そのため、科学者たちはいかにしてこの小さな気体を漏らさず保管するかに心血を注いできました。
＜豆知識＞
| 実は、原子の大きさで比べるとヘリウム(He)の方がコンパクトです。ただヘリウムは、1人でいるのが好きなので分子を作ろうとしません。だから、「分子」として比べれば水素が宇宙で一番小さいのです。 |
特徴2. 火を近づけると「ポンッ！」と鳴る！燃焼の条件
集めた水素ガスに火を近づけた際に響く「ポンッ！」という軽快な音。これは水素が酸素と結びつき、激しい燃焼（急激な酸化反応）を起こした瞬間の合図です。化学反応式では次のように表されます。
| 水素ガスを燃焼させるためには、集めた容器や空間に4％以上の水素が含まれているという条件を満たしている必要があります。「そんなに低い濃度で？」と驚くかもしれませんが、水素は極めて小さいためすぐに広がっていき、短時間で濃度が薄まる性質があります。 |
換気を徹底するなど、その性質を正しく理解していれば、過度に不安になる必要はありません。
特徴3. 無色・無臭・無毒だがエネルギー密度は最強クラス
水素ガスはアンモニアのような刺激臭も、塩素ガスのような毒性も持っていません。特筆すべきは、その圧倒的な「エネルギー密度」です。例えば、ガソリンよりも少ない量で大きなパワーを生み出すことを活かした、自分で電気を作って走る自動車（燃料電池車）があります。
| 水素ガスを「超低温」で液体にしてパワーを凝縮させ、ロケットの燃料としても活用されています。このように、宇宙で1番小さくシンプルな水素ですが、内に秘めているパワーは最強クラスと言えます。 |
水素のおもしろい特徴を把握したところで、いよいよ本題の「作り方」に踏み込みましょう。ここまでの内容をクリアした、君なら不安なんていりません。
【実験】学校で習う「水素の作り方」2つの基本
学校の授業で登場する水素ガスの製法は、大きく分けて2通り。水から取り出す「電気分解」と、物質を掛け合わせる「化学反応」です。つまづきやすいポイントを整理しながら見ていきましょう。
※化学実験をする場合は、必ず教師や化学の専門家が立ち合いのもと実施してください
水の電気分解から水素を作る
まず、純粋な水は電気を通さないため、水酸化ナトリウムや硫酸を少量溶かして電流を流しやすくしましょう。通電すると、陰極側に水素、陽極側に酸素がぶくぶくと発生します。どちらが水素かを見極めるには、以下の3つのヒントが役立ちます。
- 気体の量を比べる：水はH2Oと書くように水素の方が量が2倍
- 火を近づける：火を近づけると水素なら「ポンッ」と音が鳴り、酸素なら激しく燃える
- 内部状態を把握：溶液の中では陰極側に水素が集結する
＜小学校のテストによく出るポイント＞
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金属と酸の化学反応から水素を作る
もう1つの作り方は、金属を酸に溶かして発生させる方法です。学校やテストなどでは主に「亜鉛」「マグネシウム」「鉄」等の金属に「うすい塩酸」を加える組み合わせが一般的です。
| ここで注意したいのは、「金・銀・銅・白金」の4種類では水素が作れないという点。これは「イオン化傾向（イオンへの変身のしやすさ）」に関係しており、これらの金属は水素よりもイオンになりにくいため、反応が起こりません。これ小学校ではひっかけ問題としてよく出ます。 |
「水素の作り方」2つの基本【まとめ】
- 水素よりイオンになりにくい金属は水素が発生しない
- 選択肢に「金、銀、銅、白金」はひっかけの可能性大
【重要】水素を効率よく集める「水上置換」と「上方置換」
水素の集め方は主に2種類ありますが、効率よく集めようとすると実質1種類です。その理由は水素の特徴にあります。
水上置換
1番テストに出る集め方。水素の特徴である「水に溶けにくい」を活かしたものです。メリットは「純粋な水素」を集めることができる点です。
上方置換
まれにテストに出る。この方法は水素が気体の中で一番軽いという特徴を活かした集め方です。軽い気体は上昇していくので、試験管の底が上に向いている上方置換は収集に適しています。
| この2つの集め方がありますが、テストでは基本水上置換が出題されます。それは、水素以外の気体が混ざらず、純粋な水素を集めることが可能だからです。 |
ここからは、この集めた水素がどのようなところで使われているのか、周りに話したくなるようなカッコイイ活用先をお伝えします。有名なようであまり知られていないこの水素の無限大の可能性を知れば、ワクワクが止まらず気が付いたら周りに話していることでしょう。
【水素の活用】周りに話したくなる「水素の力」～次世代エネルギーとして使おう～
あなたは知っていますか？水素の特徴を活かすことで、新たなエネルギーとして活用できる可能性があるということを。そんな水素の力の一端を見ていきましょう。
街を走るバスや自動車は「走る発電所」
現在、街を走るバスや自動車は単なる移動手段から「走る発電所」へと進化しようとしています。具体的には、水素と酸素の化学反応から電気を生み出して走行する「燃料電池自動車(FCEV)」や、水素を燃料として直接燃焼する「水素エンジン車」がその代表例です。
| 車内でパワーを生み出し、さらには外部へ電力を供給するポテンシャルを持つこれらは、まさに「走る発電所」と言えます。ただし、水素エンジン車は人体に影響を与える窒素酸化物が少量排出されるため、今後も改良が必要です。 |
ロケットを飛ばす「超低温」の水素
莫大なエネルギーを必要とするロケットの燃料として、水素はその力を存分に発揮しています。水素は液体にすると、さらに秘めているパワーが凝縮されます。
この凝縮されたパワーはロケットを飛ばすほどの威力を持ち、加えて環境にも配慮された優れものなのです。今後は、航空機や高速二地点間輸送機への技術の応用が期待されています。
ただし、この超低温の液体水素を製造、輸送、保管するのが難しく費用が高額になるため、コスト面での課題解決が実用化の大きなカギとなっています。
【水素の活用】周りに話したくなる「水素の力」～水素を吸う新たな治療法～
水素は私たちのヒーローになる可能性を秘めている。このことを知っている方は私の周りにもほとんどいません。初めて知ったときはその可能性を友人や親せきに伝えましたし、今でも興味が尽きることはありません。
| これからお伝えする内容は、きっと君も「全然知らなかった。水素ってすごいんだ」と感じ、周りに話したくなるでしょう。 |
水素が体にいいと言われる働き（メカニズム）とは？
水素がなぜ体にいいのか、その理由について見ていきます。水素の1番の良い働きは、溜まって悪さをする「悪玉活性酸素（ヒドロキシラジカル）」をやっつけて体の中から追い出してくれるというものです。
| この悪玉活性酸素（ヒドロキシラジカル）というのは、日本人の2人に1人がかかってしまうというがんや、糖尿病といった様々な病気に深く関わっています。他にも肩こりや腰痛、様々な体の不調の原因とされています。 |
水素はこの悪玉を体内から取り除いて私たちの体を守り、健康維持に役立つのです。なお、水素が活性酸素と体内で出会うと、次の化学反応を起こします。
| このように、水素が悪玉と出会うと水に変わるため、反応後も体に大きな負担をかけることなく取り除くことができます。他にも、慢性的な炎症を抑えることが判明していたり、外敵から体を守る免疫システムを活性化することもわかっているのです。 |
生活習慣病を予防できる可能性あり
日々の悪習慣からなってしまう生活習慣病に、悪玉活性酸素もかかわっていることがわかっています。そのため、水素ガスを吸入することで生活習慣病になりにくい体を作ることができます。
| しかし、若いあなたにとって生活習慣病は身近なものではないため、気にしている方はそうそういないでしょう。ただ、これから大人になるにつれ、食生活を気にせずいつものように過ごしていたら、あっという間にこの病気と対面することになります。 |
そんな時のために、今からでも役立つのが水素ガス。もちろん両親や祖父母にもおすすめできるものです。
＜生活習慣病一覧＞
| 主な生活習慣病 | 水素はどう影響するのか？ |
| 糖尿病 | 代謝を刺激して、血糖値や中性脂肪を低下させる |
| 高血圧 | 血圧を抑える可能性がある |
| 肥満と肥満症 | 代謝が上がり脂肪が燃焼しやすくなる |
| がん | がんの進行抑制、がん治療の副作用軽減 |
スポーツ選手も期待している水素ガス吸入って何？
スポーツ選手が水素ガスに期待する大きな理由は、疲労回復がスムーズに行われたり、競技のパフォーマンスが上がるとされているからです。その理由はやっぱり悪玉活性酸素。
| スポーツや激しい運動をした後に感じる疲労や、筋肉痛などの炎症の原因もこの悪玉が関わっています。そのため、水素を取り入れることで疲労感を軽減し、炎症を抑えることでプレーのクオリティーが向上するというデータがあります。 |
ゆえに、ツアーやシーズンで連戦するプロ選手の中には、このような効果を期待して積極的に取り入れている方がいるのです。
これから学年が上がって強豪校に進学したり、より本格的に打ち込む方は、水素吸入をご自身の体のケア・メンテナンスの選択肢の1つとして持っておくと、いざというときに頼りになるでしょう。
| 部活動をしている方は知っておいて損はない内容です。またこのことは、おそらく周りの友人も顧問の先生も詳しくは知らないはずです。ぜひ君発信で情報を共有して新たな知識として蓄えてください。 |
水素は様々な分野への活用ができる無限大の可能性を秘めている【まとめ】
水素の作り方は、金属と酸の「化学反応」と水の「電気分解」の2通りでした。水素は人体に好影響があり、さらに次世代エネルギーにもなる、まさに私たちの未来を救う「スーパーヒーローの原石」と言えます。この記事をきっかけに、あなたも水素をもっと知り、活用してみるという選択をしてはいかがでしょうか。
