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外观
无色气体

等离子态下发出的浅紫光

氢的原子光谱
概况
名称·符号·序数 氢(Hydrogen)·H·1
元素类别 非金属
·周期· 1 ·1·s
标准原子质量 (1.00784–1.00811)[1]
电子排布

1s1
1

历史
发现 亨利·卡文迪什[2][3](1766年)
命名 安东万-罗伦·德·拉瓦锡[4](1783年)
物理性质
颜色 无色
物态 气体
密度 (0 °C, 101.325 kPa
0.08988 g/L
熔点时液体密度 0.07 g·cm−3
沸点时液体密度 0.07099 g·cm−3
熔点 13.99 K,−259.16 °C,−434.49 °F
沸点 20.271 K,−252.879 °C,−423.182 °F
三相点 13.8033 K(−259 °C),7.041 kPa
临界点 32.938 K,1.2858 MPa
熔化热 (H2)0.117 kJ·mol−1
汽化热 (H2)0.904 kJ·mol−1
比热容 (H2)28.836 J·mol−1·K−1

蒸气压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 15 20
原子性质
氧化态 −1, +1
两性氧化物)
电负性 2.20(鲍林标度)
电离能 第一:1312.0 kJ·mol−1
共价半径 31±5 pm
范德华半径 120 pm
杂项
晶体结构 六方
磁序 抗磁性[5]
热导率 0.1805 W·m−1·K−1
声速 1310 m·s−1
CAS号1333-74-0
最稳定同位素

主条目:氢的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
1H 99.9885% 稳定,带0个中子
2H 0.0115% 稳定,带1个中子
3H 痕量 12.32年 β 0.01861 3He

是一种化学元素,其化学符号H原子序为1。氢的原子量1.00794 u,是元素周期表中最轻的元素。单原子氢(H)是宇宙中最常见化学物质,占重子总质量的75%[8][注 1]等离子态的氢是主序星的主要成分。氢的最常见同位素是“”(此名称甚少使用,符号为),含1个质子,不含中子;天然氢还含极少量的同位素“”(),含1个质子和1个中子。

氢原子最早在宇宙复合阶段出现并遍布全宇宙。在标准温度和压力之下,氢形成双原子分子(俗称氢气分子式为H2),呈无色、无臭、无味非金属气体,不具毒性,高度易燃。氢很容易和大部分非金属元素形成共价键,所以地球上大部分的氢都以分子的形态存在,比如有机化合物等。氢在酸碱反应中尤其重要,因为在这类反应中各种分子须互相交换质子。在离子化合物中,氢原子可以获得一个电子成为氢阴离子),或失去一个电子成为氢阳离子)。虽然在一般写法中,氢阳离子就是质子,但在实际化合物中,氢阳离子的实际结构是更为复杂的。氢原子是唯一一个有薛定谔方程解析解的原子,[9]所以对氢原子模型的研究在量子力学的发展过程中起到了关键的作用。

16世纪,人们通过混合金属和强酸,首次制备出氢气。1766至1781年,亨利·卡文迪什第一次发现氢气是一种独立的物质[10],燃烧后会产生水。安东万-罗伦·德·拉瓦锡根据这一性质,将其命名为“Hydrogen”,在希腊文中意为“生成水的物质”,日文也翻译为“水素”,即“生成水的元素”。19世纪50年代,英国医生合信编写《博物新编》(1855年)时,把元素名翻译为“轻气”,意旨“最轻的气体”,成为今天中文“氢”字的来源。[11][12]

氢气的工业生产主要使用天然气的蒸汽重整过程,或通过能源消耗更高的水电解反应[13]。大部分的氢气都在生产地点直接使用,主要应用包括化石燃料处理(如裂化反应)和生产(一般用于化肥工业)。在冶金学上,氢气会对许多金属造成氢脆现象[14],使运输管和储存罐的设计更加复杂[15]

性质

氢在自然界中较常以氢气(双原子氢气分子)的形式存在[16],少数情况下会出现单原子的氢。

燃烧

氢和氧在太空航天飞机主引擎中燃烧,在最大推力下产生近乎无色的火焰
氢和氧在太空航天飞机主引擎中燃烧,在最大推力下产生近乎无色的火焰

氢气是一种高度易燃的物质,只要在空气中体积比例在4%和75%之间就可燃烧[17]。氢的燃烧热为−286kJ/mol:[18]

kJ (286 kJ/mol)[注 2]

氢气与空气混合浓度处于4%至74%时,或与氯气混合浓度处于5%至95%时,会形成爆炸性混合物,可经火花、高温或阳光点燃。氢气在空气中的自燃温度为500 °C[19]。纯氢氧混合气在燃烧时发出紫外光,且在氧气比例较高时,火焰是无色的──例如,太空航天飞机主引擎的火焰呈淡蓝色,但航天飞机固体助推器的火焰则颜色鲜艳。正在燃烧的氢气泄漏点需要火焰探测器英语Flame detector才能发现,所以非常危险。在其他情况下,氢气的燃烧火焰呈蓝色,与天然气的火焰颜色相似。[20]

H2可以和所有氧化性元素发生反应。氢气可以在室温下与氯气氟气自发产生剧烈反应,分别形成氯化氢氟化氢两种酸。[21]

电子能级

氢原子模型(图示不按比例)
氢原子模型(图示不按比例)

氢原子的电子基态能级为−13.6eV[22]对应于波长约为91纳米的紫外线光子[23]

玻尔原子模型可以很准确地计算出氢原子的各个能级,该模型假设电子围绕着中心质子“公转”,就像地球绕太阳公转一样。不同的是,电子和质子通过电磁力互相吸引,行星和恒星则通过重力相吸。早期量子力学假定角动量分立原理,电子和质子的距离只能取特殊的数值,因此电子在原子中也只能拥有特殊的能量值。[24]

要更准确地描述氢原子,须用到标量子力学理论中的薛定谔方程狄拉克方程,甚至是费曼路径积分表述,来计算电子在质子周围的概率密度[25]最复杂的计算可考虑到狭义相对论真空极化效应。在量子力学的氢原子模型中,位于基态的电子不含任何角动量,可见“行星轨道”模型与事实情况有着根本性的分别。

形态

在贝法(英语:Bevatron)粒子加速器的液氢气泡室观测到的粒子轨迹
贝法英语Bevatron粒子加速器的液氢气泡室观测到的粒子轨迹

化合物

共价及有机化合物

虽然在标准条件下的反应性不高,但它却可以和大部分元素形成化合物。氢可以和电负性更高元素结合,如卤素(氟、氯、溴、碘)和,这些化合物中的氢带有部分正电荷。[26]氢与结合而成的分子之间可以形成氢键。这种中等强度的非共价化学键,正是许多生物分子能够稳定存在的原因。[27][28]氢也可以和电负性更低的元素结合,如各种金属类金属,这些化合物称为氢化物,其中氢带有部分负电荷。[29]

氢和可形成名目繁多的化合物,称为碳氢化合物,又称烃;再加上各种杂原子,所能形成的化合物数量则更大。由于这些物质和生物息息相关,所以统称有机化合物[30]有机化学是对此类化学物属性的研究,[31]而对有机化合物在生物体中的作用之研究,则称为生物化学[32]根据某些定义,有机化合物囊括所有含有碳的化合物。然而,大部分有机化合物同时也含有氢,而且是其中的碳-氢键赋予了它们独特的化学性质,因此在另一些定义中,有机化合物必须含有碳-氢键。[30]现在已知的碳氢化合物以数百万计,它们的合成途径一般都十分复杂,而且很少会直接使用单质氢。

氢化物

含氢的化合物有时会称为氢化物,但这一用词并没有严格的定义。氢化物一般是氢和电负性更低的元素结合而成,当中的氢呈负价,记作吉尔伯特·路易斯在1916年提出,1族2族的氢盐中存在氢阴离子。1920年,K. Moers通过电解氢化锂),在阳极提取出氢气,证明了氢阴离子的存在。[33]由于氢的电负性较低,所以“氢化物”一词对于1、2族以外元素的氢化物并不完全准确。2族元素氢化物中有一个例外,即高聚物氢化铍()。在氢化铝锂离子中,四个氢阴离子紧靠着铝(III)。

几乎所有主族元素都可以形成氢化物,不过化种类数量却有着巨大的差异。例如,已知的硼氢二元化合物共有100多种,但铝氢二元化合物却只有一种。[34]二元氢化铟还未被发现,但它存在于更大的铟氢配合物中。[35]

无机化学中,氢化物还可用作桥接配体,连接配合物中的两个金属中心。这一用途在13族元素配合物中最为常见,特别是硼烷配合物和碳硼烷簇。[36]

质子与酸

氢在氧化后会失去它的电子,形成氢阳离子)。氢阳离子不含电子,其原子核通常只含一个质子,所以经常被直接称为质子。氢阳离子是酸碱理论中不可或缺的化学物质。酸碱质子理论分别定义为质子供体和质子受体。

质子不能在溶液或离子晶体中裸露存在,因为它不可避免地会靠近其他含有电子的原子或分子。除非在高温等离子状态,原子和分子的电子云会一直附在质子的周围,质子是无法脱离开来的。然而,人们常以“质子”来不严谨地表示与其他原子或离子键合的氢阳离子和带正电荷的氢原子,并记作H+。此时写“”,并不意味着质子自由存在。

为了避免认为溶液中存在裸露的质子,人们有时会把酸性水溶液中的阳离子记作,称为水合氢离子。这其实是一种假想的情况,现实中水分子和氢离子会结合组成更接近的化学物质。[37]当酸溶液同时含有水和其他溶剂时,会形成其他的𨦡盐[38]

尽管在地球上十分罕见,但离子(三氢阳离子,又称质子化分子氢)却是宇宙中最常见的离子之一。[39]

同位素

氕放电管
放电管
氘放电管
放电管
氕是最常见的氢同位素,含一个质子和一个电子。它是所有元素中唯一不含中子的稳定同位素
是最常见的氢同位素,含一个质子和一个电子。它是所有元素中唯一不含中子的稳定同位素

氢有三种天然同位素,分别为,记作。其他不稳定同位素原子核()可在实验室中合成,但不存在于自然界中。[40][41]

  • )是最常见的氢同位素,丰度高于99.98%。氕原子不含中子,只含一个质子和一个电子。[42]
  • ,符号为)是氢的另一种稳定同位素,其原子核含有一个质子和一个中子。宇宙中几乎所有的氘都是在大爆炸中形成的,残留至今。氘不具放射性,亦无毒性。含氘的水分子称为重水。氘以及含氘的化合物可以在化学实验及氕核磁共振波谱法溶剂中,作为非放射性标识。[43]在核反应堆中,重水是一种中子减速剂和冷却剂。氘也有潜力成为商业核聚变反应的燃料。[44]
  • ,符号为) 的原子核含有一个质子和两个中子。氚具有放射性,会β衰变氦-3半衰期为12.32年。[36]它的放射性可用于发光颜料,例如夜光钟表等(表面皿可阻挡其辐射)。[45]因为宇宙射线和大气气体的相互作用会造成核嬗变,再加上多次核武器试验的辐射性微尘,所以自然界中存在少量的氚。[46]氚的应用包括:核聚变反应、[47]同位素地球化学示踪剂[48]以及自发光照明器材[49]并可在化学和生物学实验中用作放射性标识。[50]

氢是唯一一个同位素各自拥有不同名称的元素。在放射性研究的早期,其他更重的同位素都有自己的名称,但至今仍在广泛使用的就只剩下氘和氚。有时会记作,但本来对应于氕(Protium)的符号,已经是的元素符号,所以不再通用。[51]根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的命名指引,均可使用,其较为适宜。[52]

历史

发现及使用

1671年,罗拔·波义耳发现屑和稀释之间会发生反应,并产生气体——也就是氢气。[53][54]1766年,亨利·卡文迪什同样利用金属和酸之间的反应,首次发现氢气是一种独立的物质,并将其命名为“易燃气”。他猜想,“易燃气”就是当时假想的燃素[55][56]1781年,他又发现该气体在燃烧后会生成水。故此,卡文迪什一般被后世尊为氢元素的发现者。[2][3]1783年,安东万-罗伦·德·拉瓦锡皮耶尔-西蒙·拉普拉斯重复并证实了卡文迪什的实验。拉瓦锡为这一元素命名为“Hydrogen”,词源为希腊文中的“水”(ὑδρο)和“创造者”(-γενής)。[4][3]

安东万-罗伦·德·拉瓦锡
安东万-罗伦·德·拉瓦锡

在拉瓦锡的实验中,蒸汽在一支用火烧热的铁管内流通,高温下水分子中的质子会对铁金属进行无氧性氧化反应,产生氢气。此反应的方程如下:

不少金属都可以代替铁,进行以上的化学反应而产生氢气,例如

1898年,詹姆斯·杜瓦再生冷却法英语Regenerative cooling及他所发明的真空保温瓶,首次制成液氢[3]翌年,他又制成固体氢。[3]哈罗德·尤里于1931年12月发现氘,而欧内斯特·卢瑟福马克·奥利芬特英语Mark Oliphant保罗·哈特克英语Paul Harteck则在1934年首次制备出氚。[2]尤里的研究小组在1932年发现重水,即含有氘的水。[3]1806年,弗朗斯瓦·伊萨克·德·利瓦英语François Isaac de Rivaz制造了第一部以氢氧混合物作为燃料的内燃机──德利瓦引擎英语de Rivaz engine爱德华·丹尼尔·克拉克英语Edward Daniel Clarke在1819年发明了氢气吹管。德贝莱纳灯英语Döbereiner's lamp聚光灯则在1823年被发明。[3]

1783年,雅克·沙尔英语Jacques Charles发明了首个氢气球[3]1852年,亨利·吉法尔英语Henri Giffard发明了首个以氢气提供升力的载人飞艇。[3]德国的斐迪南·冯·齐柏林伯爵大力推广了这一运输工具,他所设计的飞船称作齐柏林飞船,于1900年首飞。[3]飞船的常规航班从1910年开始,到了1914年8月第一次世界大战之始已搭载3万5千多人,并无重大事故。氢气飞船在战时被用于观测及轰炸

1919年,R34飞船英语R34 (airship)首次不停站横跨大西洋。常规客运航班在1920年代陆续恢复。虽然当时在美国发现了氦气储备,但美国政府不愿售卖氦气作运输之用。因此兴登堡号飞船所使用的仍然是氢气,飞船于1937年5月6日准备降落于新泽西州时,在半空中起火焚烧并坠毁。[3]整个事故经电视直播,且全程被拍摄下来。人们最早认为是泄漏的氢气爆炸造成了这场事故,但之后的调查却指出,是飞船镀的表面布料被静电点燃引致起火。

1937年,第一部氢冷汽轮发电机在俄亥俄州代顿投入使用,这种发电机以氢气作为转子和定子的冷却剂[57]由于氢气的导热性极佳,所以至今仍是最常用的发电机冷却剂。

1977年,美国海军的导航科技2号卫星(NTS-2)搭载了首个镍氢电池[58]国际太空站[59]2001火星奥德赛号[60]火星全球探勘者号[61]都配备了镍氢电池。处于地球阴影部分的时候,哈勃太空望远镜也是由镍氢电池供电的。[62]这个电池在运作19年后(超过设计年期13年),终于在2009年5月被更换下来。[63]

量子理论

氢在可见光范围内的发射光谱共有巴耳末系的四条谱线
氢在可见光范围内的发射光谱共有巴耳末系的四条谱线

氢是原子结构最为简单的元素,只含一个质子和一个电子。在原子结构模型的发展过程中,氢原子和它的发射、吸收光谱都有着特殊的理论价值。[64]物理学家在1925年前后发展出氢原子的量子力学描述,此后氢分子以及阳离子又因为结构简单,而成为科学家在研究化学键本质时所用的重要对象。


反物质

反氢)是对应于氢的反物质,含一个反质子和一个正子。截至2015年,反氢是唯一被合成过的反物质原子[65][66]

分布

NGC 604是三角座星系中一个巨大的电离氢区
NGC 604三角座星系中一个巨大的电离氢区

氢是宇宙中丰度最高的化学元素,占重子总质量的75%,原子总数的90%以上。(不过,宇宙的大部分质量并不是由化学元素物质所组成的,而是有待进一步了解的暗物质暗能量。)[67]氢是恒星巨行星的主要成分之一,并通过质子﹣质子链反应碳氮氧循环核聚变反应为恒星提供能量。H2分子云恒星形成的地点。[68]

宇宙中的氢主要以单原子形态和等离子态存在,此两者的性质和双原子氢分子颇为不同。氢等离子体中,电子和质子各自独立,所以电导率发射率都很高,这是太阳等恒星发光的原因。这些带电粒子受电磁场的影响,例如,太阳风会和地球磁层相互作用,产生白克兰电流极光星际物质含有中性单原子氢。直到红移为止,宇宙重子密度都以阻尼莱曼α系统中的大量中性氢原子为主。[69]

在地球上的常规条件下,氢的单质以双原子气体存在,即。但由于质量低,氢气比其他较重的气体更容易逃逸地球重力,所以在地球大气中的含量极低,只占大气总体积的百万分之1。另一方面,氢却是地球表面丰度排第三的元素,[70]主要存在于碳氢化合物和水等化合物当中。[36]某些细菌藻类会释放氢气,胃肠气中也含有氢气。[71]

星际物质中的氢分子经宇宙射线的电离之后,会形成三氢阳离子)。这种离子也存在于木星的大气上层。在太空的低温低密度环境下,三氢阳离子可以较稳定地存在,所以它是宇宙中最常见的离子之一,对星际物质的化学研究也起到了重要的作用。[72]中性三原子氢)是一种不稳定分子,只能在激发状态下存在。[73]氢分子阳离子)是宇宙中罕见的分子。

自然形成与实验制备

在实验室中,不少化学反应都会释放氢气,如活泼金属和酸的反应。工业生产出的氢可以用来氢化各种不饱和物质。在自然界中,生物体的还原反应也会释放出氢气。

蒸汽重整

工业上,氢气可由蒸汽转化得到,但在转化之前,需要先经过脱硫步骤:[74]

CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2
CO + H2O ⇌ CO2 + H2

热化学反应

能分离水的热化学循环过程共有200多种,其中可以从水和热量直接产生氢气和氧气的过程包括:氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫碘循环、铜氯循环、混合硫循环等等,都有待进一步研究。[75]多个国家都有实验室着力研究可以从太阳能和水生成氢气的热化学方法。[76]

无氧腐蚀作用

在无氧条件下,合成钢会被水分子中的质子缓慢氧化,而水则会还原成分子氢。在铁的无氧腐蚀过程中,首先形成的是氢氧化亚铁,又称绿锈):

水分子中的质子再对氢氧化亚铁进行无氧性氧化反应,产生磁铁矿)和分子氢,是为西科尔反应英语Schikorr reaction

磁铁矿晶体的热力学稳定性比氢氧化亚铁高。

在缺氧地下水和位于地下水台以下具还原性的土壤中,铁和钢就是经过这一反应受无氧侵蚀的。

蛇纹石化反应

在地底深处缺乏大气氧气的环境下,铁橄榄石晶格中的硅酸铁会受到水分子中的质子的无氧性氧化,产生氢气,这叫蛇纹石化作用。除了氢气以外,反应还会产生磁铁矿()和石英):

以上反应和氢氧化二铁的无氧腐蚀过程(西科尔反应)十分相似。

变压器

变压器会产生的各种故障气体中,氢气是最常见的一种,在大部分故障情况下都会形成。所以,探测到氢气,意味着变压器可能出现了严重的问题。[77]

应用

氢气可用于石化或矿物加工,如加氢脱烷基反应、加氢脱硫反应和裂化反应等。它也可以用作工业辅助物质及能量载体。氢作为能量载体目前已经有了初期应用,如氢动力汽车、核聚变发电技术等。

生物过程

某些类型的无氧代谢反应会产生氢气。会释出氢气的微生物一般以含铁或含镍的氢化酶作为催化剂,进行以下的可逆氧化还原反应:

丙酮酸盐发酵成水的过程中,还原当量(任何在氧化还原反应中可转移单个电子的化学物)转移时会产生氢气。[78]生物体内氢的自然产生和消耗称为氢循环英语Hydrogen cycle[79]

所有光和生物所进行的光反应都会把水分解成质子、电子和氧气。在某些生物中,如莱茵衣藻英语Chlamydomonas reinhardtii蓝绿藻等,演化出了“暗反应”的第二阶段:质子和电子通过叶绿体的特殊氢化酶还原成氢气。[80]一些科学家正在研究用基因改造方法,使水藻和蓝绿藻的氢化酶在有氧环境下也能高效合成氢气。[81][82]

安全

氢在不同情况下都会对人体造成危险。与空气混合时,氢气会轻易燃烧和爆炸,而纯氢气则会使人窒息。[83]泄漏到空气中的氢气无色无味,且可以自燃,产生高温但无色的火焰,因此有意外灼伤的可能性。[84]液氢的温度极低,所以和其他低温液体一样有一定的危险性,比如会引致冻伤[85]氢气可以溶解在多种金属之中,除了可能的泄漏以外,氢气还会造成金属的氢脆现象,[86]引致材料爆裂。[87]

氢的许多性质都受到了其自旋异构体(正氢和仲氢)比例的影响。不少数据所描述的是处于平衡态的氢气,但氢气有时需要几天乃至几周的时间才会达致平衡,所以它的安全数据可能和现实中的氢气有所差别。另外,容器的形状,也会大大影响氢气的爆炸临界温度和压力。[83]

注释

  1. ^ 宇宙中绝大部分的质量并不是由重子或化学元素组成。参见:暗物质暗能量
  2. ^ 286 kJ/mol:每摩尔可燃烧物质(氢分子)所产生的能量

参见

参考文献

  1. ^ Standard Atomic Weights 2013. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights
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外部链接

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