氢

氢

氢

氢(氢)

氢是一种化学元素，在元素周期表中位于第一位。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。医学上用氢气来治疗疾病。氢气的爆炸极限：4.0~74.2%（氢气的体积占混合气总体积比）。

目录 历史发展 含量分布 物化属性 制取方法 历史发展

早在十六世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到硫酸里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位著名的医生，病人很多，没有时间去做进一步的研究。 十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙弊，认为不管什么气体都不能单独存在，既不能收集，也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什么不同，很快就放弃了研究。 最先把氢气收集起来并进行认真研究的是在1766年英国的一位化学家卡文迪什。 卡文迪什非常喜欢化学实验，有一次实验中，他不小心把一个铁片掉进了盐酸中，他正在为自己的粗心而懊恼时，却发现盐酸溶液中有气泡产生，这个情景一下子吸引了他。他又做了几次实验，把一定量的锌和铁投到充足的盐酸和稀硫酸中（每次用的硫酸和盐酸的质量是不同的），发现所产生的气体量是固定不变的。这说明这种新的气体的产生与所用酸的种类没有关系，与酸的浓度也没有关系。 卡文迪什用排水法收集了新气体，他发现这种气体不能帮助蜡烛的燃烧，也不能帮助动物的呼吸，如果把它和空气混合在一起，一遇火星就会爆炸。卡文迪什经过多次实验终于发现了这种新气体与普通空气混合后发生爆炸的极限。他在论文中写道：如果这种可燃性气体的含量在9.5%以下或65%以上，点火时虽然会燃烧，但不会发出震耳的爆炸声。 随后不久他测出了这种气体的比重，接着又发现这种气体燃烧后的产物是水，无疑这种气体就是氢气了。卡文迪什的研究已经比较细致，他只需对外界宣布他发现了一种氢元素并给它起一个名称就行了。但卡文迪什受了虚假的“燃素说”的欺骗，坚持认为水是一种元素，不承认自己无意中发现了一种新元素。 后来拉瓦锡听说了这件事，他重复了卡文迪什的实验，认为水不是一种元素而是氢和氧的化合物。在1787年，他正式提出“氢”是一种元素，因为氢燃烧后的产物是水，便用拉丁文把它命名为“水的生成者”。

含量分布

在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里，如果按质量计算，氢只占总质量的`1%，而如果按原子百分数计算，则占17%。氢在自然界中分布很广，水便是氢的“仓库”——氢在水中的质量分数为11%；泥土中约有1.5%的氢；石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中，氢气倒不多，约占总体积的一千万分之五。在整个宇宙中，按原子百分数来说，氢却是最多的元素。据研究，在太阳的大气中，按原子百分数计算，氢占81.75%。在宇宙空间中，氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

物化属性

元素简介

氢是原子序数为1的化学元素，化学符号为H，在元素周期表中位于第一位。其原子质量为1.00794u，是最轻的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大约占据宇宙质量的75%。主星序上恒星的主要成分都是等离子态的氢。而在地球上，自然条件形成的游离态的氢单质相对罕见。 氢最常见的同位素是氕（piē），含1个质子，不含中子。在离子化合物中，氢原子可以得一个电子成为氢阴离子(以 H表示） 构成氢化物，也可以失去一个电子成为氢阳离子（以 H表示，简称氢离子），但氢离子实际上以更为复杂的形式

存在。氢与除稀有气体外的几乎所有元素都可形成化合物，存在于水和几乎所有的有机物中。它在酸碱化学中尤为重要，酸碱反应中常存在氢离子的交换。氢作为最简单的原子，在原子物理中有特别的理论价值。对氢原子的能级、成键等的研究在量子力学的发展中起了关键作用。 氢气（H2）最早于16世纪初被人工合成，当时用的方法是将金属置于强酸中。1766～81年，亨利·卡文迪许发现氢气是一种与以往所发现气体不同的另一种气体，在燃烧时产生水，这一性质也决定了拉丁语 “hydrogenium” 这个名字（“生成水的物质”之意）。常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味的气体。 氢原子则有极强的还原性。在高温下氢非常活泼。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。

基本属性

物质状态 气态 元素在太阳中的含量 75% 地壳中含量 1.5% 大气含量 0.0001 % 质子质量 1.673×-27 质子相对质量 1.00794 所属周期 1 所属族数 IA 摩尔质量 1g/mol 氢化物 无 氧化物 H2O 最高价氧化物 H2O

原子属性

外围电子排布 1s1 核外电子排布 1 电子层 K 原子量 1.00794 原子半径 （计算值）25（53）pm 共价半径 37 pm 范德华半径 120 pm

具体性质

颜色 常温下为无色气体 熔点 14.025 K （-259.125 ℃） 沸点 20.268 K （-252.882 ℃） 三相点 13.8033 K （-259 ℃）7.042kPa 临界点 32.97 K (-240 ℃) 1.293MPa 摩尔体积 22.4L/mol 汽化热 0.44936 kJ/mol 熔化热 0.05868 kJ/mol 蒸气压 209 帕斯卡（23K） 比热容量 14000J/(kg·℃） 声在其中传播的速度 1270 m/s（293.15K） 电离能（kJ /mol） M - M+ 1312 密度、硬度 0.0899 kg/m?（273K）、NA 热导率 W/（m·K）180.5

同位素

氢是唯一的其同位素有不同的名称的元素。（历史上每种元素的不同同位素都有不同的名称，现已不再使用。）D 和 T 也可以用作氘（deuterium）和氚（tritium）的符号，但 P 已作为磷的符号，故不再作为氕（protium）的符号。 按照IUPAC的指引，D 或 2H 和 T 或 3H 都可以使用，但推荐使用 2H 和3 H(同位素相对原子质量不同），生活中通常使用氕。 氢在自然界中存在的同位素有： 氕（piē）（氢1，H） 氘（dāo）（氢2，重氢，D） 氚（chuān）（氢3，超重氢，T） 以人工方法合成的同位素有： 氢4、氢5、氢6、氢7 氕（氢-1） 氕的原子核只有一个质子，丰度达99.98% ，是构造第二简单的的原子。 氘（氢-2） 氘为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢，元素符号一般为2H或D。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一。氢（H）的同位素,其相对原子质量为普通轻氢的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反应,并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子（deuterium）——亦称“重氢”,元素符号D。 氚（氢-3） 氚，亦称超重氢，是氢的同位素之一，元素符号为T或3H。它的原子核由一颗质子和两颗中子所组成，并带有放射性，会发生β衰变，其半衰期为12.43年。自然界中存在极微，从核反应制得。主要用于热核反应。 氢-4 氢-4是氢的同位素之一，它包含了质子和三个中子。在实验室里，是用氘的原子核来轰炸氚的原子核，来合成一个氢4的原子核。在这过程中，氚的原子核会从氘的原子核上吸收一个中子。氢4的质量为4.0279121U，半衰期为9.93696×10-22秒。 氢-4.1 氢-4.1结构上类似氦，它包含了2个质子和2个中子，但因其中一个电子是渺子，但由于渺子的轨道特殊，轨道非常接近原子核，而最内侧的电子轨道与渺子的轨道相较之下在很外侧，因此，该渺子可视为原子核的一部份，所以整个原子可视为：原子核由1个渺子、2个质子和2个中子组成、外侧只有一个电子，因此可以视为一种氢的同位素，也是一种奇异原子。一个渺子重约0.1U，故名氢- 4.1（4.1H）。氢-4.1原子可以与其他元素反应，和行为更像一个氢原子不是像惰性的氦原子。 氢-5 氢-5是氢的同位素之一，它的原子核包含了四个中子和一个质子，在实验室里用一个氚的原子核来轰炸氚，这让氚吸收两个氚原子核的质子而形成了氢5。氢5的半衰期非常短，只有8.01930×10-22秒。 氢-6 氢-6是不稳定的氢同位素之一，它包含了一个质子和五个中子，半衰期为3×10-22秒。 氢-7 氢-7是不稳定的氢同位素之一，它包含了一个质子和六个中子，

图表

符号质子数中子数原子质量单位(u)半衰期原子核自旋 丰度丰度的变化率1H 1 0 1.007,825,032,07(10) 稳定 [>2.8×1023 年] 1/2+ 0.999885(70) 0.999816～0.999974 2H 1 1 2.0141017778(4) 稳定 1+ 0.000115(70) 0.000026～0.000184 3H 1 2 3.0160492777(25) 12.32(2) 年 1/2+ 　　　　4H 1 3 4.02781(11) 1.39(10)×10-22 s [4.6(9) MeV] 2- 　　　　5H 1 4 5.03531(11) >9.1×10-22 s (1/2+) 　　　　6H 1 5 6.04494(28) 2.90(70)×10-22 s [1.6(4) MeV] 2-# 　　　　7H 1 6 7.05275(108)# 2.3(6)×10-23# s [20(5)# MeV] 1/2+# 　　　　备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。

氢气生物学效应

早在1975年就有人开展了氢气治疗肿瘤的研究，后来2001年才有法国学者将高压氢用于治疗肝脏寄生虫感染的研究。早期的研究只能简单地观察氢气被动物呼吸后的反应，显然观察结果证明氢气对动物没有产生显著的影响。关于氢气的生物学效应，最热闹地当然属于潜水医学，因为氢气作为人类潜水呼吸的气体被国际许多重要的潜水医学研究单位深入研究，作为呼吸气体的最重要前提是该气体的安全性，就是不能对人体产生明显的影响，包括在极端高压下呼吸这种气体。许多年的潜水医学研究证明呼吸氢气是非常安全的，但也同时给人们一种深刻印象，呼吸氢气对人体是没有明显生物学效应的。2007年日本学者报道，动物呼吸2%的氢可有效清除强毒性自由基，显著改善脑缺血再灌注损伤，采用化学反应、细胞学手段证明，氢溶解在液体中可选择性中和羟自由基和亚硝酸阴离子。而后两者是氧化损伤的最重要介质，体内缺乏他们的清除机制，是多种疾病发生的重要基础。随后他们又用肝缺血和心肌缺血动物模型，证明呼吸2%的氢可以治疗肝和心肌缺血再灌注损伤。采用饮用饱和氢水可治疗应激引起的神经损伤和基因缺陷氧化应激动物的慢性氧化损伤。美国匹兹堡大学器官移植中心学者Nakao等随后证明，呼吸2%的氢可以治疗小肠移植引起的炎症损伤，饮用饱和氢水可治疗心脏移植后心肌损伤、肾脏移植后慢性肾病。国内第四军医大学谢克亮等的研究证明，呼吸氢气能治疗动物系统炎症、多器官功能衰竭和急性颅脑损伤。孙学军等的研究也证明，呼吸2%的氢可以治疗新生儿脑缺血缺氧损伤。随后，孙学军等成功制备了饱和氢注射液，并与国内40多家实验室开展合作，先后发现该注射液对疼痛、关节炎、急性胰腺炎、老年性痴呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒迟发性脑病、肝硬化、脂肪肝、脊髓创伤、慢性低氧、腹膜炎、结肠炎、新生儿脑缺血缺氧损伤、心肌缺血再灌注损伤、肾缺血再灌注损伤和小肠缺血再灌注损伤等具有良好的治疗作用。这些研究说明，氢是一种理想的自由基、特别是毒性自由基的良好清除剂，具有潜在的临床应用前景。

制取方法

工业制法

水煤气法：C（s）+ H?O（g）= CO（g）+ H?（g）【高温】　　CO（g）+H?O（g）=催化剂=CO?（g）+H?（g）　　除此之外，还有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法等。实验室制法锌与稀硫酸反应（中学课本标准实验室制法）　　Zn+H?SO?=ZnSO?+H?↑　　若用盐酸，制得的氢气中可能会混有氯化氢气体（HCl），因为稀盐酸也有一定的挥发性。　　金属若用铁或镁，反应速率会影响实验观察效果。其他制法2Al + 3H?SO?=Al?(SO?)?+ H?↑Fe+2HCl=FeCl?+H?↑Fe+H?SO?=FeSO?+H?↑　　Mg+2HCl=MgCl?+H?↑Mg+H?SO?=MgSO?+H?↑　　Zn+2HCl=ZnCl?+H?↑　　Zn+H?SO? = ZnSO?+H?↑　　2Al+6HCl=2AlCl?+3H?↑　　2Al+2NaOH+2H?O=2NaAlO?+3H?↑（注：NaAlO?为简化形式，实际存在的是四羟基合铝酸钠Na[Al(OH)?]）　　2H?O=通直流电=2H?↑+O?↑　　6CH?COOH+2Al=2Al(CH?COO)?+3H?↑ 铝与乙酸反应生成氢气 Fe+2HCl==FeCl2+H2↑

元素纯化

随着半导体工业、精细化工和光电纤维工业的发展，产生了对高纯氢的需求。例如，半导体生产工艺需要使用99.999%以上的高纯氢。但是工业上各种制氢方法所得到的氢气纯度不高，为满足工业上对各种高纯氢的需求，必须对氢气进行进一步的纯化。氢气的纯化方法大致可分为两类（物理法和化学法）， 氢气提纯方法主要有低温吸附法，低温液化法，金属氢化物氢净化法；此外还有钯膜扩散法，中空纤维膜扩散法和变压吸附法等六种方法。 方法基本原理适用原料气制得氢气浓度（%）适用规格高压催化法 氢与氧发生反应而去除氧 含氧的氢气，主要是电解法制得的氢气 99.999 小 金属氢化物分离法 先使氢与金属形成金属氢化物之后，加热或减压使其分解 氢含量较低的气体 >99.9999 中小 高压吸附法 吸附剂选择吸附杂质 任何含氢气体 99.999 大 低温分离法 低温下使气体冷凝 任何含氢气体 90～98 大 钯合金薄膜扩散法 钯合金薄膜对氢有选择渗透性，其他气体不能透过 氢含量较低的气体 >99.9999 中小 聚合物薄膜扩散法 气体透过薄膜的扩散速率不同 炼油厂废气 92～98 小