氢元素

之

氢（Hydrogen）

氢是一种化学元素，化学符号为H，原子序数为1，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中最小的。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。

简介

氢（qīng；Hydrogen）

氢是一种化学元素，化学符号为H，原子序数是1，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中最小的。

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。它是宇宙中含量最高的物质。氢原子存在于水所有有机化合物和活生物中。导热能力特别强，跟氧化合成水。在0℃和一个大气压下，每升氢气只有0.09克——仅相当于同体积空气质量的14.5分之一（实际比空气轻14.38倍）。元素在太阳中的含量：(%) 75；地壳中含量：1.5 %

在常温下，氢气比较不活泼，但可用催化剂活化。单个存在的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。

氢结构示意图氢内部示意图

名称、符号、序号：氢、H、1

氢气的化学式：H2

系列：非金属

族周期, 元素分区：1族1, s

颜色和外表：无色

声音在其中的传播速率（m/s）：1310 大气含量：0.0001 % 地壳含量：0.88 %

原子属性

原子量：1.00794 原子量单位氧化价（氧化物）：1（两性的）晶体结构：六角形

物质属性

物质状态气态

核内质子数：1

核外电子数：1

核电荷数：1

质子质量：1.673E-27 质子相对质量：1.008 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

颜色和状态：无色气体

原子半径：0.79

常见化合价：+1,-1

熔点：14.025 K （-259.125 °C）沸点：20.268 K （-252.882 °C）声速：1270 m/s（293.15K）

同位素

在自然界中存在的同位素有：氕(氢1)、氘(氢2, 重氢)、氚(氢3, 超重氢)。以人工方法合成的同位素有：氢4、氢5、氢6、氢7。

氕指同位素-氢这里是特指的

氢，可以泛指氢这种元素即原子核中只有一个质子的元素，包括氕氘氚；同时也可以指氢气。

氘的元素符号为D，氚的元素符号为T。

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9.93696x10-22秒。

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

最重的氢同位素在检测。

发现

16世纪末期，瑞士化学家巴拉采尔斯把铁放在硫酸中，铁片顿时和硫酸发生激烈的化学反应，放出许多气泡——氢气。但直到1766年，氢才被英国科学家卡文迪许(Henry Cavendish)确定为化学元素，当时称为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。(一说：1783年)1787年法国化学家拉瓦锡(Antoine Lavoisier)证明氢是一种单质并给它命名。

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，如果按重量计算，氢只占总重量的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”——水中含11%的氢；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。

制备

工业制法

C(s)+H2O(g CO(g)+H2(g)

CO(g)+H2O(g)=(催化剂)=CO2(g)+H2(g)

实验室制法

锌与稀硫酸反应Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

（若用盐酸，制得的氢气中可能会混有HCl气体，因为稀盐酸也有一定的挥发性）

其他制法

Fe+2HCl FeCl2+H2↑Fe+H2SO4 FeSO4+H2↑

（反应速度较慢）Mg+2HCl MgCl2+H2↑ Mg+H2SO4 MgSO4+H2↑

（反应速度太快）Zn+2HCl ZnCl2+H2↑Zn+H2SO4 ZnSO4+H2↑ 2Al+6HCl 2AlCl3+3H2↑ 2Al+3H2SO4 Al2(SO4)3+H2↑工业法有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法、炼厂气提取法。

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。但是目前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。

基本原理适用原料气

制得的

氢气纯度

（%）

适用

规格

高压催化法：

氢与氧发生催化反应而除去氧含氧的氢气，主要为

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，而其他气体不能透过

氢含量较低的气体>99.9999 中小

聚合物薄膜扩散法：

气体通过薄膜的扩散速率

不同

炼油厂废气92~98 小

用途

氢是重要工业原料，如生产合成氨和甲醇，也用来提炼石油，氢化有机物质作为收缩气体，用在氧氢焰熔接器和火箭燃料中。在高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他方法，产品的性质更易控制，同时金属的纯度也高。广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。

由于氢气很轻，人们利用它来制作氢气球。（注意：目前出于安全考虑，一般用氦气作为原料制造氢气球。）氢气与氧气化合时，放出大量的热，被利用来进行切割金属。

利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量能生产杀伤和破坏性极强的氢弹，其威力比原子弹大得多。现在，氢气还作为一种可替代性的未来的清洁能源，用于汽车等的燃料。为此，美国于2002年还提出了“国家氢动力计划”。但是由于技术还不成熟，还没有进行大批的工业化应用。2003年科学家发现，使用氢燃料会使大气层中的氢增加约4～8倍。认为可能会让同温层的上端更冷、云层更多，还会加剧臭氧洞的扩大。但是一些因素也可抵销这种影响，如使用氯氟甲烷的减少、土壤的吸收、以及燃料电池的新技术的开发等。

氢是元素周期表中的第一号元素，元素名来源于希腊文，原意是“水素”。氢是由英国化学家卡文迪许在1766年发现，称之为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。1787年法国化学家拉瓦锡证明氢是一种单质并命名。氢在地壳中的丰度很高，按原子组成占15.4%，但重量仅占1%。在宇宙中，氢是最丰富的元素。在地球上氢主要以化和态存在于水和有机物中。有7种同位素：氕、氘、氚等。

氢在通常条件下为无色、无味的气体；气体分子由双原子组成；熔点-259.14℃，沸点-252.8℃，临界温度33.19K，临界压力12.98大气压，气体密度0.0899克/升；水溶解度21.4cm3/（Kg水）（0℃），稍溶于有机溶剂。

在常温下，氢比较不活泼，但可用合适的催化剂使之活化。在高温下，氢是高度活泼的。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。非金属元素的氢化物通常称为某化氢，如卤化氢、硫化氢等；金属元素的氢化物称为金属氢化物，如氢化锂、氢化钙等。

氢是重要的工业原料，又是未来的能源，也是最清洁的燃料。

氢的同位素氘和氚可应用于核聚变，提供能量，因为技术原因，核聚变发电还无法大量应用。

最轻的气体——氢气

氢是元素周期表中的第一号元素，它的原子是

118(一说119)个元素中最小的一个。由于它又轻又小，

所以跑得最快，如果人们让每种元素的原子进行一场

别开生面的赛跑运动，那么冠军非氢原子莫属。

氢气是最轻的气体，它的“体重”还不到空气的十四分之一，它的这种特点，很早就引起了人们的兴趣。在1780年时，法国一名化学家便把氢气充入猪的膀胱中，制成了世界上第一个、也是最原始的氢气球，它冉冉地飞向了高空。

发现者

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认真研究的是英国的一位化学家卡文迪许。

卡文迪许非常喜欢化学实验，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，刚才的气恼心情全没了。他在努力地思考：这种气泡是从哪儿来的呢？它原本是铁片中的呢，还是存在于盐酸中呢？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。

卡文迪许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。卡文迪许是一位十分认真的化学家，他经过多次实验终于发现了这种新气体与普遍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。卡文迪许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，真理的大门就要向他敞开了，幸运之神就要向他微笑了。

但卡文迪许受了虚假的“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，真是非常可惜。后来拉瓦锡听到了这件事，他重复了卡文迪许的实验，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”。

不用汽油的汽车

你们见过不用汽油的汽车吗？也许你们会问：汽车怎么会不用汽油呢？原来，科学家们发现汽油燃烧后会放出二氧化碳，这样下去会对环境造成污染。就设想用另一种燃料来代替汽油，科学家们经过多次实验，终于发现氢气可以代替汽油。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。

气球的妙用

十月一日国庆节，举国欢庆。首都天安门前，五颜六色、大大小小的气球高高地浮在空中，迎风飘扬，翩翩起舞，十分好看，人们都说这是“白天的焰火”。

除了欢度节日，增加愉快的气氛之外，气球还有没有其他的用处呢？科学家很早就给我们做出了回答。

在人类漫长的历史中，经受了无数次的洪水、干旱、地震等自然灾害。古时候人们都十分迷信，认为这些都是因为自己做错了什么事触怒了上天，所以上天降下灾祸。随着科学的发展，人们逐渐认识到并没有什么天神，这些都是自然现象，而且可以对它们进行预测。

在东汉时我国人民就能预测地震，但对于洪水，却一直无能为力。洪水一来就要淹没村庄，毁坏农田，有时甚至会危害人类。怎么才能对付洪水呢？科学家研究发现，洪水是由长时间下暴雨造成的，暴雨又是从雨云中降下的。这样，只要能观测到云层的厚度和水分，就可以预报天气，人们在听到暴雨来临的消息后就会做好预防措施。这样就减轻了洪水带来的危害。

可是，云朵都飘浮在高空，人类又没有翅膀，飞不到那样的高度，怎么办呢？

在化学家发现了氢气后，这个问题一下子解决了。人们造了好多个氢气球，让它们带上观测设备，这样，人们不用上天，就可以知道天空中云层的变化，从而做出准确的天气预报。

最近一段时间，气球又有了一种新用途，利用它携带干冰、碘化银等药剂升上天空，在云朵中喷撒，可以进行人工降雨。

现在因为氢气容易爆炸，所以现在填充气球、飞艇等原来氢气填充的物体时就用氦4来填充，现在氢气的用处不多，用的多的是氢气的同位素——氚和氘。

比金子还要贵的水

前面介绍的是普通的氢，它的原子量是1，它还有两个“能干”的大“哥哥”氘（音刀）和氚（音川）它们的原子量分别是2和3。人们有时候也把它们称为“重氢”和“超重氢”，它们与氧结合生成的水分别叫重水和超重水。水在地球上的总重大约是140亿亿吨，其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水，这比砂里淘金花的代价要大得多，因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少，而超重水就更加少了，在宽广无际的大海里，连十亿分之一也找不到，只有靠人工的方法去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中，在中子的轰击下，使锂转变为氚，然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量，而且生产很慢，一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水，所以超重水的价格比重水还要贵上万倍，比金子要贵几十万倍。

表面看来，重水和一般的水没有什么两样。但脾气却大不一样，如果你用重水养金鱼，没多久鱼便死了，用重水浸过的种子不会发芽。重水的“个头”也比水大，一立方米重水比一立方米普通的水要重105.6公斤。普通的水在零度时结冰，在100℃时沸腾；而重水在3.8℃时就变成了冰，人们把它叫做“热冰”。

虽然重水和超重水生产起来要花费很大代价，但人们还是在不断地制造着他

们。这是什么缘故呢？原来它们对人类也有很多好处。先说起重水，它有放射性，利用它的这个特性，科学家可以研究某些生物或化学过程的进展情况。比如让病人喝一点含有极少量超重水的茶，半小时后，就可以从尿中检查出放射性，一直到14天以后，放射性才消失，这说明水分在人体中停留的时间是14天。如果要研究某种化学过程中水的来龙去脉，但又不许加入别的东西来破坏化学反应，这时就可以在普通水中加入一些超重水，超重水流到哪儿，哪儿就出现放射性。科学家很容易用探测器测量出它的藏身之处。

重水是原子能工业中的重要角色，它是原子反应堆最好的减速剂和载热剂，用了它之后，就可以大大降低原子燃料的成分。重水还是重要的国防原料，氢弹就是用它来制造的，重氢在极高温度下会产生原子核的聚合反应，发生强烈的爆炸，它的能量相当于几千万吨烈性炸药。一个普通的氢弹就能轻而易举地炸毁一座城市。如果把它爆炸时放出能量全部转换成电能，人类几十年也用不完！

飞人之死

在十八世纪八十年代初，欧洲出现了热气球，人们

用它已经把鸡、鸭、羊等动物送上了天空。可是，人们

对它还是心存恐惧，没有人愿意乘气球离开地面。

1783年，法国国王在科学界的一致要求下批准了用

气球送人上天的计划，但要送的却是两个死刑犯。这个

消息被一个勇敢的青年知道后，他想第一次上天是一项

流芳百世的壮举，怎么能把这个千载难逢的机遇让给死刑犯呢？氢气艇爆炸于是他找了一个跟他一样不怕死的青年，向国王请求让他们替下死刑犯，国王被他们的勇敢打动了，准许了他们的要求。在1783年11月21日，这两个青年乘上热气球，成功地进行了第一次用气球载人飞行，他俩顿时成了新闻人物，人们在街头巷议中纷纷把他俩称作“飞人”。第二年，他们又计划乘气球飞越英吉利海峡。这时人们已经制出了氢气球，他们决定、把氢气球和热气球组合在一起，同时乘坐两只气球飞向英国。

这一天，他们把两只气球绑在一起，然后升上了天空。不久之后，悲剧发生了，气球发生了爆炸，他们都在事故中遇难身亡。气球为什么会爆炸呢？这是因为热气球下面有一个火盆，是用来给空气加热，但氢气是一种易燃易爆的气体，它一见火星就会发生爆炸，因为缺乏对氢气的了解，导致了这场灾难的发生。

氢是元素周期表中的第一号元素，元素名来源于希腊文，原意是“水素”。氢气是由英国化学家卡文迪许在1766年发现，称之为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。1787年法国化学家拉瓦锡证明氢是一种单质并命名。氢在地壳中的丰度很高，按原子组成占15.4%，但重量仅占1%。在宇宙中，氢是最丰富的元素。在地球上氢主要以化和态存在于水和有机物中。有三种同位素：氕、氘、氚。

氢在通常条件下为无色、无味的气体；气体分子由双原子组成；熔点-259.14℃，沸点-252.8℃，临界温度33.19K，临界压力12.98大气压，气体密度0.0899克/升；水溶解度21.4厘米³/千克水（0℃），稍溶于有机溶剂。

在常温下，氢比较不活泼，但可用合适的催化剂使之活化。在高温下，氢是高度活泼的。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。非金属元素的氢化物通常称为某化氢，如卤化氢、硫化氢等；金属元素的氢化物称为金属氢化物，如氢化锂、氢化钙等。

氢是重要的工业原料，又是未来的能源。

元素名称氢

元素符号H

原子序数 1

英文名称Hydrogen

来源在宇宙中最丰富的元

素，主要和氧结合，以水

的形式存在与自然界也存

在于矿井、油和汽井之中。发现1766年在英国伦敦,

由H. Cavendish 发现。用途用于生产氨、乙醇、

氯化氢、溴化氢、植物油

和不饱和烃的氢化，火箭

燃料，低温学研究等。颜色状态无色、无味、无臭(xiù)

极易燃烧的气体。

熔点(℃)-258.975

沸点(℃)-252.732

相对原子质量 1.00797 (1.008)

密度(g/L/273K,1atm)0.0899

化合价

氢的最外层有1个电子，所以有两个化合价+1价（在离子化合物中）-1价（在共价化合物中、由于H的原子核束缚电子能力弱，看成+1价，实际上是-1价。得到电子是最外层有2个电子的稳定结构）

生物数据

人体器官中含量肝/p.p.m.：93 000

肌肉/p.p.m.：93 000

血/mg·dm-3：以水存在于血液中

骨/p.p.m.：52 000

人(70Kg)均体内总量：7 kg

【注：p.p.m.，百万分率，百万分之 ... (parts per million)】

制氢电力来源

不同的氢气生产方法有不同的固定投资额和边际成本。制氢的能源和

燃料可以来自多种来源例如天然气、核能、太阳能、风力、生物燃料、煤矿、其他化石燃油、地热。(以下以全美国汽车都改为氢气的假设为计算单位)

天然气

用气电共生改良后.需要15.9百万立方呎的瓦斯,如果每天生产500公

斤由改装的加油站就地生产(例如高科技加气站), 相当于改装777,000座

加油站成本$1兆美金；可产每年1亿5000万吨氢气。先假设不需额外氢气

分配系统的投资成本下；等于每GGE单位$3.00美元(Gallons of Gasoline Equivalent 相当一加仑汽油的能量简称GGE，方便和目前油价作比较)

核能

用以提供电解水的氢气电能来源。需要240,000吨铀矿—提供2,000座600兆瓦发电厂等于$8400亿美金，等于每GGE单位$2.50美元。

太阳能

用以提供电解水的氢气电能来源。需要每平方公尺达2,500千瓦(每小时)效率的太阳能版科技共1亿1300万座40千瓦的机组，成本推估约$22兆

等于每GGE单位$9.50美元。

风力

用以提供电解水的氢气电能来源. 每秒7公尺的平均风速计算,需要1百万座2百万瓦风力机组成本约$3兆美金等于每GGE单位$3.00美元。

生物燃油

气化厂用气电共生改良后. 需要15亿吨干燥生物材料, 3,300座厂房需

要113.4百万英亩(460,000 平方千米)农场提供生物材料。约$5650亿美元

等于每GGE单位$1.90美元(假设土地不匮乏且地价最便宜状态)

煤矿

火力发电用气电共生改良后提供电解水的氢气电能来源。需要10亿吨

煤将近1,000座275兆瓦发电厂成本$5000亿美金，等于每GGE单位1美元. 以上看出由煤矿的制氢最便宜，但是除非二氧化碳封存技术普及化及实用化，否则产生的高污染会使氢气科技的环保性荡然无存。