氫

氫（Hydrogen），元素符號為H，是元素周期表的第一號元素，位于第一周期第ⅠA族，在地殼中的含量為0.152%（第十），相對原子質(zhì)量為1，具有氕（H）、氘（D）、氚（T）三種自然同位素，分別占總量的99.98%、0.016%、0.004%7。

氫元素組成的單質(zhì)是世界上最輕的氣體——?dú)錃猓℉2），無色無味，易燃易爆。0 ℃和1 atm下，氫氣的密度約為空氣的1/14，僅為0.089 g/L（空氣為1.29 g/L），是已知的密度最小的氣體，具有良好的導(dǎo)熱性和擴(kuò)散性，燃燒產(chǎn)物僅為水，被廣泛應(yīng)用于人工降雨、氫氣球、金屬切割或焊接、燃料等領(lǐng)域7。

發(fā)展歷史

早在十六世紀(jì)，瑞士的一名醫(yī)生就發(fā)現(xiàn)了氫氣。他說：“把鐵屑投到硫酸里，就會(huì)產(chǎn)生氣泡，像旋風(fēng)一樣騰空而起?！彼€發(fā)現(xiàn)這種氣體可以燃燒。然而他是一位著名的醫(yī)生，病人很多，沒有時(shí)間去做進(jìn)一步的研究。

十七世紀(jì)時(shí)又有一位醫(yī)生發(fā)現(xiàn)了氫氣。但那時(shí)人們認(rèn)為不管什么氣體都不能單獨(dú)存在，既不能收集，也不能進(jìn)行測量。這位醫(yī)生認(rèn)為氫氣與空氣沒有什么不同，很快就放棄了研究。

最先把氫氣收集起來并進(jìn)行認(rèn)真研究的是在1766年英國的一位化學(xué)家亨利·卡文迪許。

卡文迪許非常喜歡化學(xué)實(shí)驗(yàn)，有一次實(shí)驗(yàn)中，他不小心把一個(gè)鐵片掉進(jìn)了鹽酸中，他正在為自己的粗心而懊惱時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)鹽酸溶液中有氣泡產(chǎn)生，這個(gè)情景一下子吸引了他。他又做了幾次實(shí)驗(yàn)，把一定量的鋅和鐵投到充足的鹽酸和稀硫酸中（每次用的硫酸和鹽酸的質(zhì)量是不同的），發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的氣體量是固定不變的。這說明這種新的氣體的產(chǎn)生與所用酸的種類沒有關(guān)系，與酸的濃度也沒有關(guān)系10。

卡文迪許用排水法收集了新氣體，他發(fā)現(xiàn)這種氣體不能幫助蠟燭的燃燒，也不能幫助動(dòng)物的呼吸，如果把它和空氣混合在一起，一遇火星就會(huì)爆炸?？ㄎ牡显S經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)終于發(fā)現(xiàn)了這種新氣體與普通空氣混合后發(fā)生爆炸的極限。他在論文中寫道：如果這種可燃性氣體的含量在9**.**5%以下或65%以上，點(diǎn)火時(shí)雖然會(huì)燃燒，但不會(huì)爆炸。

隨后不久他測出了這種氣體的比重，接著又發(fā)現(xiàn)這種氣體燃燒后的產(chǎn)物是水，無疑這種氣體就是氫氣了?？ㄎ牡显S的研究已經(jīng)比較細(xì)致，他只需對外界宣布他發(fā)現(xiàn)了一種新元素并給它起一個(gè)名稱即可，但卡文迪許受“燃素說”的影響堅(jiān)持認(rèn)為水是一種元素，拒絕承認(rèn)無意中發(fā)現(xiàn)一種新元素。

后來拉瓦錫聽聞此事，便重復(fù)卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為水不是一種元素而是氫和氧的化合物，并于1787年正式提出“氫”是一種元素，因?yàn)闅淙紵蟮漠a(chǎn)物是水，便用拉丁文把它命名為“水的生成者”1。

資源分布

在地球上和地球大氣中只存在極稀少的游離狀態(tài)氫。在地殼里，如果按質(zhì)量計(jì)算，氫只占總質(zhì)量的1%，而如果按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)算，則占17%。

氫在自然界中分布很廣，水便是氫的“倉庫”——?dú)湓谒械馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%；泥土中約有1**.**5%的氫；石油、天然氣、動(dòng)植物體也含氫。在空氣中，氫氣倒不多，約占總體積的一千萬分之五。

在宇宙中，若按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)算，氫卻是最多的元素，在太陽的大氣中，按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)算，氫占81**.**75%，在宇宙空間中，氫原子的數(shù)目比其他所有元素原子的總和約大100倍1。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

|| || 氫的物理性質(zhì)

注：① 開氏溫度K = 273.15 + 攝氏溫度℃；② 攝氏溫度℃ = 5/9×(華氏溫度℉ - 32)；③ 15~34號數(shù)據(jù)源于Aspen Plus V14的PURE-28物性數(shù)據(jù)庫。

此外，氫氣的摩爾定壓熱容隨溫度在273 K~3800 K范圍內(nèi)的變化關(guān)系可用關(guān)于溫度的二次函數(shù)表示9。

Cp,m = a + bT + cT2

其中，系數(shù)a、b、c分別為26.88、4.347、-0.3265，量綱分別為kJ·kmol-1·K-1、10-3kJ·kmol-1·K-2、10-6kJ·kmol-1·K-3。

此外，氫具有良好的擴(kuò)散性和導(dǎo)熱性，因?yàn)闅浞肿娱g引力較小，導(dǎo)致熔沸點(diǎn)非常低（難液化），若使用液態(tài)空氣將氫氣冷卻、壓縮，再使其膨脹可將氫氣液化。因此，H2的儲(chǔ)存一般是壓縮至鋼瓶（綠色）以便取用7。

|| || 室溫下氫氣在常見溶劑下的溶解度

化學(xué)性質(zhì)

（01）失去價(jià)電子：氫原子失去它的1s 電子就形成H+離子，實(shí)際上就是氫原子核或質(zhì)子。質(zhì)子半徑（~1.5×10-13 cm）比氫原子半徑（~0.5×10-8 cm）要小許多倍，使質(zhì)子有相對很強(qiáng)的正電場，能使同它相鄰的原子或分子強(qiáng)烈地變形。因此，除了氣態(tài)的質(zhì)子流外，并不存在自由的質(zhì)子。它總是同別的原子或分子結(jié)合在一起而存在，例如在酸性水溶液中的氫離子永遠(yuǎn)是水合氫離子H3