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マイナス水素の話

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マイナス「水素」の力

原子番号1、元素記号H。

数ある元素の中で最も基本的な「水素」について、最近意外なことわかってきました。

特殊な存在と思われていた「マイナスの水素」が、そこそこ安定していて、いろんな物質の中で活躍しているようなのです。

うまく使いこなせば、室温で超伝導になる物質や電気を通すセメントなど、これまでにない新素材がつくれるかもしれません。

100種類以上ある元素を規則正しく並べた周期表。
学生時代に「水兵リーべ僕の船」という語呂合わせで覚えた人も多いのでは。
その先頭に来るのが水素で、定位置は一番左上!

しかし、京都大の陰山洋教授は「水素は右上にも置くべきだという考えも出てきた」というのです。

水素は、もともと陽イオンにも陰イオンにもなれるが、化学の授業では、陽イオンになりやすい典型的な元素と習います。

「H」の右翼に小さい「十」がある記号で表される「水素イオン」はごくありふれた存在で、水に濃く溶けていると酸性になることでも知られています。

一方、「マイナスの水素」は、記号だと「H」に小さい「-」がついて、正式名は「水素化物イオン」と言います。

これは、自分より陽イオンになりやすい元素と結合する場合などに限って現れる例外的な存在と考えられてきました。

周期表の規則性からみても、そう考えるのが自然だったからです。

ところが、「マイナスの水素」が安定して存在する物質が、最新の材料研究で次々と見つかってきたのです。

そもそも、水素原子が水素イオンになるか「マイナスの水素」になるかは、電子1個を失うか、電子1個をもらうかの違いしかありません。

「マイナスの水素」を例外的な存在と考えるのは、先入観にすぎないかもしれないのです。

化学の常識覆す 

東京工業大の細野秀雄教授が「マイナスの水素」の意外な活躍を見つけたのは、新しい超伝導物質を探索している時でした。

細野さんたちは、2008年、超伝導にならないと思われていた鉄の酸化物が超伝導になることを発表。

元々の酸化物に含まれていた酸素の一部を、大きさが同程度で陰イオンになりやすいフッ素で置き換えたのが決め手でした。

しかし、フッ素は少ししか置き換われないので、ほかの陰イオンを試してみると、「マイナスの水素」が同様に酸素の一部と置き換わることがわかったのです。 
酸素と水素が一緒にあると、酸素が陰イオンに、水素は陽イオンになる、というのが化学の常識なのですが、酸化物の中で「マイナスの水素」が安定して存在できるとは予想外のことだったのです。

しかも、「マイナスの水素」の方がフッ素より3倍多く酸素を置き換えられていました。

おかげで、置き換える量によって性格の違う2種類の超伝導が発見されたのです。

細野さんは「”マイナスの水素”は室温超伝導への有望なルートではないか」といいます。 

一方、京大の陰山さんは2013年、ごく普通のセラミックス(酸化物)を元に、酸素の2割を「マイナスの水素」に置き換えた物質をつくったと発表しました。

電子と”マイナスの水素”の両方が酸化物の中を動き回り、電池の電極に使えれば電圧が高くなり、燃料電池自動車や電気自動車のパワーが倍増するかもしれないそうです。

進む実用化研究 

「マイナスの水素」の積極的な活用は研究が始まったばかりですが、影響が及ぶ範囲は広い!

細野さんらは「電気を通すセメント」もつくった。
まず、アルミナセメント(カルシウムとアルミニウムの酸化物)に「マイナスの水素」を入れる。
これに光を当てると、セメントの中で「マイナスの水素」が電子2個を出して水素イオンに変わる。
その電子が動き回って電気を通すようになる。

東工大の林克郎准教授は
「「マイナスの水素」は水素イオンより不安定なものの、ある程度は安定して存在できる。光のエネルギーで両者の間にある峠を越えさせている」
と説明。

この特性を生かして、太陽電池や薄型テレビの画面に欠かせない「電気を通す透明な部品」を安価につくる研究も進んでいるそうです。

いまはインジウムというレアメタル(希少金属)が欠かせないが、「マイナスの水素」を使えばカルシウムやアルミニウムなどでつくれるかもしれない。

コンピューターを使って物質の性質を予想する理論計算も影響を受ける可能性がでてきました。
物質の中にある水素は水素イオンと想定して計算することが多いのですが、それが実は「マイナスの水素」だったとしたら、計算の前提が変わってしまうからです。

東京大の常行真司教授は「マイナスとプラスでは、性質もいるべき場所も違う。前提が変われば結果も変わってしまう」と。

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