水素化合物
水素化合物（すいそかごうぶつ、ハイドライド、英: Hydride）とは、水素と化合した物質のことである。特に、狭義には水素と他の元素とから構成される2元素化合物が水素化物と呼ばれる。また、2元素化合物以外の水素化合物も含めて水素化物と呼ぶ場合も多い。
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水素化物の分類
水素化物は分子状化合物、塩類似水素化物(saline hydride)および金属類似水素化物(metallic hydride)またはその中間の水素化物に分類される。アルカリ金属とアルカリ土類金属の水素化物は塩類似水素化物である。遷移金属元素ではSc、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Pd、Lu、Hf、Taの各水素化物が金属類似水素化物であることが分かっている。第13族から第17族元素の水素化物はアルミニウムとビスマス、ポロニウムを抜いて分子状化合物である。また、Be、Mg、Al、Cu、Zuはどちらでもない中間的な化合物である。
典型元素の水素化物
おもな元素水素化物を示す。
| 化学式 | IUPAC組織名 | 慣用名 | 元素群 | 物性 |
|---|---|---|---|---|
| BH3 | ボラン (borane) | 水素化ホウ素 (Boron hydride) | ジボランとして存在。ジボラン以外にも各種のボランがある。 | |
| CH4 | カルバン (carbane) | メタン (methane) | 融点 −183 ℃、沸点 −162 ℃。比重 0.555 の無色の気体。CAS登録番号 74-82-8。記事 メタンに詳しい。 | |
| NH3 | アザン(azane) | アンモニア (ammonia) | 融点 −74 ℃、沸点 −33.4 ℃。比重 0.597。無色の気体。CAS登録番号 7884-41-7。記事 アンモニアに詳しい。 | |
| H2O | オキシダン (oxidane) | 水 (water) | 第16族元素水素化物 （酸素族またはカルコゲン） |
融点 0 ℃、沸点 100 ℃、比重 1.0 の無色の液体。CAS登録番号7732-18-5。記事 水に詳しい。 |
| HF | フッ化水素 (hydrogen fluoride, fluorane) | ハロゲン化水素 | 融点 −83 ℃、沸点 19.5 ℃。比重 0.99。無色の液体または気体。水に溶けるとフッ化水素酸 | |
| AlH3 | アラン (alane) | 水素化アルミニウム (aluminium hydride) | ||
| SiH4 | シラン (silane) | 水素化ケイ素 | ||
| PH3 | ホスファン (phosphane) | ホスフィン (hydrogen phosphide) | 融点 −133 ℃、沸点−87.7 ℃。無色の気体。CAS登録番号 7803-51-2。 | |
| H2S | スルファン (sulfane) | 硫化水素 (hydrogen sulfide) | 第16族元素水素化物 （酸素族） |
融点 −85.5 ℃、沸点 −60.7 ℃。無色の気体。 |
| HCl | 塩化水素 (hydrogne chloride, chlorane) | ハロゲン化水素 | 融点 −114 ℃、沸点 −85 ℃。無色の気体。水溶液は塩酸。 | |
| GaH3 | ガラン (gallane) | 水素化ガリウム (gallium hydride) | ||
| GeH4 | ゲルマン (germane) | 水素化ゲルマニウム (germanium hydride) | ||
| AsH3 | アルサン (arsane) | アルシン (arsine) | 融点 −116.3 ℃、沸点 −55 ℃。無色の気体。CAS登録番号 7784-42-1。 | |
| H2Se | セラン (selane) | セレン化水素 (hydrogen selenide) | 第16族元素水素化物 （酸素族） |
融点 −66 ℃、沸点 −41 ℃、分子量 81.0、無色の気体。ニンニクのような芳香をもち、毒性がある。 |
| HBr | 臭化水素 (hydrogen bromide, bromane) | ハロゲン化水素 | 融点 −86 ℃、沸点 −66.4 ℃。無色の気体。 | |
| InH3 | 水素化インジウム (indium hydride) | |||
| SnH4 | スタナン (stannane) | 水素化スズ (tin hydride) | ||
| SbH3 | スチバン (stibane) | スチビン (stibine)、 水素化アンチモン (antimony hydride) |
||
| H2Te | テラン (tellane) | テルル化水素 (hydrogen telluride) | 第16族元素水素化物 （酸素族） |
融点 −49 ℃、沸点 −2 ℃。記事 テルル化水素に詳しい。 |
| HI | ヨウ化水素 (hydrogen iodide, iodane) | ハロゲン化水素 | 融点 −81 ℃、沸点 −36 ℃。無色の気体。 | |
| TlH3 | 水素化タリウム(III) (thallium trihydride) | |||
| PbH4 | プルンバン (plumbane) | 水素化鉛 (lead hydride) | ||
| BiH3 | ビスムタン (bismuthane) | ビスムチン (bismuthine)、 水素化ビスマス (bithmuth hydride) |
出典: IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry / Recommendations 1979 and Recommendations 1993 by ACD Lab. Inc. 他
金属の水素化物
主な金属の水素化物を示す。
性質
典型元素の水素化合物
典型元素の水素化物は、周期表の族に特有の性質を示す（詳細は下に示す各元素族水素化物の項に詳しい）。
- 第1族元素水素化物の性質 - 1H, 3Li, 11Na, 19K, 37Rb, 55Cs, 87Fr
- 第2族元素水素化物の性質 - 4Be, 12Mg, 20Ca, 38Sr, 56Ba, 88Ra
- 第13族元素水素化物の性質 - 5B, 13Al, 31Ga, 49In, 81Tl
- 第14族元素水素化物の性質 - 6C, 14Si, 32Ge, 50Sn, 82Pb
- 第15族元素水素化物の性質 - 7N, 15P, 33As, 51Sb, 83Bi
- 第16族元素水素化物の性質 - 8O, 16S, 34Se, 52Te, 84Po
- 第17族元素水素化物の性質 - 9F, 17Cl, 35Br, 53I, 85At
金属の水素化合物
金属との水素化合物では、水素の酸化数が −1 となっている。これらは金属陽イオンと水素化物イオン H− のイオン性化合物、水素化物である。金属の水素化物は水と容易に反応して水素を発生する。
- MHn + n H2O → M(OH)n + n H2
非金属の水素化合物
非金属との水素化合物では、水素の酸化数は +1 である。これらは水素化物イオンを持たないため、水素化物とは呼ばない。17族元素との水素化合物はハロゲン化水素と呼ばれ、フッ化水素が弱酸である他は全て強酸である。
また、炭素との水素化合物は炭化水素であり石油中に多くの種類が産出する。
エネルギー源としての水素化物
20世紀に入り石炭から石油へとエネルギー構造転換が起こった結果、水素化物である炭化水素が人類のエネルギー消費の大半を担うようになった。化石燃料である石油資源の枯渇は当初より問題視されていたが、21世紀の今日においても、炭化水素がエネルギーシステムにおける役割には依然として非常に大きいものがある。実際1940年代以降より炭化水素の代替となるエネルギーシステムが種々研究開発されてきたがいまだ決定的なものは見出されていない。
電力などエネルギーシステムの一部では原子力、太陽光、風力などの代替エネルギーの利用が進んではいるが、輸送など広く利用され経済性とポータビリティの両立が必要なエネルギーシステムにおいては、炭化水素の代替となるエネルギーシステムはいまだ見出されていない。
一部では、次世代のエネルギーシステムとして水素が脚光を浴びている。水素であれば熱機関のエネルギー源としても利用可能であるし、燃料電池の様に電力を発生させることも可能である。また、原子力、太陽光、風力のような巨大な発生装置と固定化されたエネルギー配給システムに依存しなくても良いという長所を持つため、水素エネルギーシステムは経済性やポータビリティーの面で次世代のエネルギーシステムの有力候補と考えられている。
しかしながら、現在の技術においてはポータビリティの面で水素は炭化水素を凌ぐものとはみなされていない。その理由は、重量エネルギー密度ではガソリンの三倍程度であるが、水素は体積エネルギー密度では炭化水素に及ばないためである。固体水素は存在する温度・圧力が極端に過ぎる為、現在の技術では製造も保管も困難である。現在の技術レベルで最もエネルギー密度が大きくなる液体水素であっても、メタンガスや石油などの炭化水素のエネルギー密度に比べて4分の1程度でしかない。
したがって、現在考えられている経済的に引き合う水素エネルギーシステムは、水素をエネルギー媒体とするのではなく、メタンから合成されるメタノールなど炭化水素を基盤として利用することが検討されている。しかしそのようなエネルギーシステムでは炭化水素エネルギーシステムと同義であることから、金属水素化物など水素源となりうる新規の水素化物が検討されている。