重水素ってなんだ? 有用性と産業・科学的応用  第1話:水素と重水素 〜重い水素の正体〜 2017/10/11

水素ガス(H2)は最も軽い気体で(比重換算で空気の約1/15)水素原子(H)が二つ結合した「分子」として存在しています。水素原子は「原子番号が1」の最も小さな原子です(元素記号ではHあるいは1Hと表記されます。質量数が1の水素という意味です)。ところで、「原子番号は1」で同じなのに、重い(質量数が2倍と3倍の)水素が2種類存在します。すなわち、軽い水素の約2倍の質量を持つ水素を重水素(原子記号ではDあるいは2H)と、約3倍の質量を持つトリチウム(三重水素、Tまたは3H)です。同じ原子番号で質量数が異なるこれらを、互いに「同位体」と呼んでいます。

ちょっと難しいですが、水素原子(H)は陽子(プラスの電荷を持つ)1個と電子(マイナスの電荷を持ち、陽子の質量の約1/1840しかなくはるかに軽い)1個から構成されています。重水素(D)は陽子1個と電子1個に加えて、陽子とほぼ類似した質量を持ち、電荷を持たない「中性子」1個で構成されています。中性子を持つため、重水素の質量数は水素の約2倍になるのです。トリチウムは中性子を2個持っており、水素の約3倍の質量数を示します。なお、水素原子(H)と重水素(D)は安定な同位体で放射能を出すことは全くありません。しかしトリチウム(T)は不安定な放射性同位体で、β線を放射してヘリウム3(3He)に変化します(半減期12.3年)。トリチウムには、宇宙線と大気中の窒素や酸素が反応して自然界で生成するいわゆる「天然由来のもの」と、原子炉などからの計画排出や核実験などによる「人工的な要因で地球環境に拡散するもの」がありますが、地球上における存在比は極めて低い(限りなくゼロに近い)ので、現時点ではそれほど心配することはありません。

ところで水素ガス(H2)は、還元剤、燃料電池、燃料など、様々な用途に利用されています。燃焼すると水に変化(酸化)するため、クリーンなエネルギー源で、特に地球温暖化対策を意識した次世代エネルギーとして注目されています(2017年6月30日の中日新聞プラス「地球温暖化を考える 〜第3話:水から水素を簡単に取り出す!! 次世代エネルギー製造法への挑戦〜」 )。水素はビッグバンに始まる宇宙誕生過程との関係で、宇宙を構成する最も豊富な元素で、原子の総数比では現在でも90%を超えています。しかし、2017年6月20日の中日新聞プラス「地球温暖化を考える 〜第2話:水素は無尽蔵で二酸化炭素フリーのエネルギー資源〜」で紹介した様に、水素は水素ガス(H2)の形では地球上にほとんど存在せず(0.5 ppm程度)、水(H2O)や有機化合物を始めとする様々な物質の構成成分として大量に分布しており、生物の体を構成する主要元素です。

私達が通常「水素」と呼んでいるのは天然に存在する水素の約99.985%を占める軽い水素(H)のことであり、重い水素(重水素、D)の天然存在比は僅か0.015%(150 ppm)程度です。また、「重水素は水素の同位体である」と説明すると、上述のトリチウムと勘違いされて、すぐに「放射能」と結びついてしまい「重水素は危険だ」と思われがちです。しかし重水素は、「安定同位体」であり、放射能を放出することはなく安全で利用価値の高い物質です。

では重水素はどこにあるのでしょうか?
地球上に存在する重水素の大半は、宇宙誕生(ビッグバン)直後に作られたものとされています(日経サイエンス1997年3月号;)。ビッグバンは約137億年前のこととされていますから、このことからも重水素がいかに安定であるかご理解いただけると思います。重水素は皆さんがよく目にする、普通の水(H2O)の中に微量存在しています。飲料水も含めて海水・淡水にかかわらず、地球表面の水には平均で約150 ppm〔水1,000リットル(1トン)中に150ミリリットル)〕の重水(D2O)が含まれているため、水の総量(約14億立方キロメートル:国土交通省ホームページ)を考えると、水は重水素の無尽蔵な貯蔵庫ということになります。

教科書や書籍には、「原子番号が同じ同位体どうしは、重量が異なるだけで同一元素であるので、化学的性質はほぼ同じである」と、判ったようでわかりにくい解説がなされています。簡単に言えば、ある分子を構成する水素(1H)を重水素(2H)で置き換えても、元の分子の性質や物性はほとんど保持されて、基本的には元の分子と同じような挙動を示すのです。しかし、分子の質量が重水素の数だけ大きくなるので、ここにわずかな物理的・化学的変化が生まれます。分子量が18の水(H2O)を重水(D2O)に変換すると、Dの数(2個)だけ重くなり分子量は20となります。例えば、重水(D2O)の沸点は101.43 ℃(1気圧)で水(軽水、H2O、100 ℃)よりも若干高く、蒸発により軽水の方が揮発しやすいため、緯度の低い熱帯地域の天然水は重水素含量が高く、蒸発量の少ない高緯度地方や山岳地帯では低くなる傾向があります。また、水の融点は0 ℃ですが、重水の融点は3.82 ℃でだいぶ高くなっています。水から作った氷が水に浮くことはご承知の通りですが、重水で作った氷は水(H2O)に沈みます。さらに、水素よりも重水素の方が若干ですが結合エネルギーが高く、切断されにくいといった特徴があります。このように重水と水では物理的性質に違いがあり、これらを「同位体効果」と総称します。重水はこれらのわずかな違い(同位体効果)を利用して濃縮され、水から純粋に取り出されているのです。そして、水から取り出した重水(D2O)を原料(重水素源)として、重水素ガス(D2)や、重水素で標識された様々な有機化合物が製造されています。

では「重水」自体は、重水素原料以外に何に利用されているのでしょうか?化学の世界では、物質の化学構造の確認を目的としたNMR(核磁気共鳴)スペクトルを測定する際の溶媒として使用されますが、圧倒的に多いのは、原子力発電などにおける、原子核分裂反応で生じる高速(高エネルギー)中性子の減速材としての使用量です。

次回「第2話」では、水素を重水素に変換(標識と呼んでいます)した有機化合物や高分子の医薬・産業界への応用について紹介します。
岐阜薬科大学 薬品化学研究室では、新しい重水素(D)標識法とその応用に関する研究を活発に展開しています。興味のある方は以下の日本語の総説、

1)薬学雑誌, 133, 1177-1193 (2013)
2)岐阜薬科大学紀要, 60, 41-50 (2011)
3)化学と教育, 61, 404-407 (2013)
4)有機合成化学協会誌, 65, 1179-1190 (2007)

または、当研究室のホームページ「研究テーマ」欄をご参照下さい。

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