人間嫌いの科学者が発見した、燃える空気『水素』

水素 中1理科

人類が初めて発見した気体は二酸化炭素であるとされています。

気体発見の歴史

二酸化炭素は、1754年にイギリスのブラックが発見しました。

発見当初は、「この気体は、石灰石に固定されている」と考えられていたので、これは固定空気と名付けられていましたね。

ブラックの功績はたくさんの化学者に影響を与え、「二酸化炭素の他に、どんな空気(気体)があるのだろう?」という研究が進むことになりました。18世紀(1700年代)のことです。


そしてブラックの二酸化炭素発見(1754年)から約10年後、ついに2つ目の気体が同じイギリスで発見されます。それは水素です。

大金持ちの天才、キャヴェンディッシュ

ブラックが二酸化炭素を発見して人々が驚いていたころ、同じイギリスにキャヴェンディッシュという科学者がいました。

水素を発見したキャヴェンディッシュ

彼はイギリスでも有数の金持ち貴族の家に生まれました。莫大な遺産を受け継いでおり、当時の科学者の中でも一番の金持ちだったと言われています。


お金に困ることがないため、キャヴェンディッシュは自分の好きな研究に没頭することができました。


キャヴェンディッシュは化学や物理など、科学者として数多くの歴史的な大発見を成し遂げた天才として有名です。

キャヴェンディッシュは、極度の人間嫌いとして知られています。めったに人と話さず、他人と会うのは科学者が集まる会合だけでした。


そんな性格なので、ハッキリとした肖像画は残っていません。遠くからこっそり描いたり、画家が記憶をたどって描いた絵が残っているだけです。

ヘンリー・キャベンディッシュ

召使いに料理の注文をするときも、顔を合わせなくて済むように指示を書いたメモを机の上におくようにしていたほどです。

塩酸に金属をひたし、気体を調べる

同じくイギリスの科学者ジョセフ・ブラックは、塩酸に石灰水をひたしたときに発生する気体を集め、二酸化炭素を発見することに成功しました。

二酸化炭素の発見

キャヴェンディッシュは、


「石灰石と塩酸で二酸化炭素ができるならば、金属塩酸ならどうだろうか?」


と考えました。

金属に塩酸をかけるキャヴェンディッシュ

この当時から、「金属を塩酸にひたすと、特殊な気体が発生する」ことは知られていましたが、誰もその謎を詳しく解いた人はいませんでした。


そこでキャヴェンディッシュは、

  • スズ、亜鉛、鉄などの金属塩酸にひたす
  • そのとき発生する気体を集める

ことで、金属と塩酸によって発生する気体を詳しく調べることにしました。

金属と塩酸で発生する気体を調べる
石灰石と塩酸では二酸化炭素であった。では金属と塩酸では?

金属であれば結果は同じです。

塩酸をひたす実験に便利な金属でいえば、

  • スチール(鉄)ウール
  • マグネシウムリボン

などがあります。

スチールウールやマグネシウムリボンは金属

水上置換法で気体を集めたキャヴェンディッシュ

キャヴェンディッシュはどうやって気体を集めたのでしょうか?もちろん、ブラックと同じく水上置換法を使いました。

キャヴェンディッシュが利用した水上置換法

空気と混ざらない純粋な気体が集められるので、気体の収集は水上置換法が基本です。水素は水に溶けにくい気体なので、水上置換法でもしっかり気体が集まります。


キャヴェンディッシュが金属と塩酸により発生させた気体ですが、これはブラックが発見した二酸化炭素と同じなのでしょうか?


それとも、この気体は二酸化炭素とは違う、もっと特別な気体なのでしょうか?


キャヴェンディッシュは集めた気体を詳しく調べることにしました。

発生した気体の重さ

キャヴェンディッシュはまず、気体の重さを調べてみました。


その結果、なんと普通の空気の約14分の1しかない、とても軽い気体であることが分かりました。


つまり、密度がとても小さいわけです。

水素は非常に軽い

塩酸に石灰石をひたすと発生した二酸化炭素は、空気に比べて密度が大きい気体でしたよね。

二酸化炭素の密度

ということは、今回キャヴェンディッシュが調べた塩酸金属をひたして発生する気体は、明らかに二酸化炭素とは違っていることが分かります。

とても危険な、燃える空気

キャヴェンディッシュは密度(重さ)だけでなく、もっと詳しく気体を調べます。


集めた気体に、火を近づけてみました。


すると、大きな音を立てて燃えだしたのです。

燃える気体、水素
とても燃えやすい、危険な気体

二酸化炭素の場合は、むしろ火が消えてしまったことを覚えていますか?

これとは正反対の反応です。

二酸化炭素は火を消す

キャヴェンディッシュは、

  • 明らかに軽い
  • よく燃える

この2点からみて、彼が塩酸と金属から発生させた気体は、ブラックの発見した二酸化炭素とは明らかに違う性質であることをつきとめました


キャヴェンディッシュはこの気体を、燃える空気(inflammable air) と名付けました。今ではそれは、水素と呼ばれています。


これこそ、人類が初めて水素を発見した瞬間です。

水素は、気体の中で一番軽い物質であり、すなわち最も密度が小さい物質です。


したがって、浮力がとても強く働き、強い力で空中へ浮かびます。

昔はその性質を利用して、水素は気球や飛行船のために利用されていました。


水素を室内に満たすと、浮力で空を飛ぶことができるのです。

しかし、水素の発見者のキャヴェンディッシュは最初、その未知の気体を “燃える空気” と名付けていたとおり、水素は燃えたり爆発しやすくとても危険です。


実際、1937年のアメリカでは、水素を利用した飛行船が大爆発を起こして多くの方が焼死してしまいました。

ヒンデンブルク号の写真

水素は無色で無臭の気体で、管理しにくい物質であることも原因の一つです。


今ではこういった飛行船などには、水素の代わりに、軽くて燃えないヘリウムが使われています。

水素の爆発する性質を活かしたものとして、例えばロケットの燃料があります。

水素を燃料とするロケット

その他にも、現代では水素を利用して様々なものが生み出されています。

水素はとても軽いため、水上置換法でなく、以下のような上方置換法(じょうほうちかんほう)で収集することもできます。

密度が小さい水素は上方置換法でもよい

もちろん、最初に出る気体は空気と混ざっているため、集めません。少し時間をおいてから集めましょう。

『水素』名前の由来

さて、水素とは「水の素」と書きます。つまり、水の材料になるのが水素です。

水の素になるのが水素

キャヴェンディッシュは当初、『水素』という名前はつけずに、単に燃える空気と名付けていました。


しかし、瓶の中で水素を爆発させると、なぜか瓶に水滴ができることを発見しています。

水素と酸素の結合

後の研究により、有名科学者であるラヴォアジエが「水素は水の材料になっている」ことを証明しました。


彼が “燃える空気” を水素と名付けたのです。

水素の名付け親ラヴォアジエ

最後に

現代の学問はどんどん高度なものになっています。なので、もし現代でキャヴェンディッシュのような偉大な科学者になりたいと思うのなら、人間嫌いではやっていけません。


世界中の学者とコミュニケーションをとり、協力して研究しなければ、決して優れた発見はできないからです。

二酸化炭素の密度に関しては、発見者のブラックではなく、実はキャヴェンディッシュが初めて調べたことです。


しかし今回もストーリーが分かりやすいよう、二酸化炭素の密度もブラックが発見したことにして説明しています。

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