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氫
氫
氫(氫)
氫是一種化學元素，在元素周期表中位于第一位。氫通常的單質形態(tài)是氫氣。它是無色無味無臭，極易燃燒的由雙原子分子組成的氣體，氫氣是最輕的氣體。醫(yī)學上用氫氣來治療疾病。氫氣的爆炸極限：4.0~74.2%（氫氣的體積占混合氣總體積比）。
目錄 歷史發(fā)展 含量分布 物化屬性 制取方法 歷史發(fā)展早在十六世紀，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，就會產生氣泡，像旋風一樣騰空而起�！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，沒有時間去做進一步的研究。 十七世紀時又有一位醫(yī)生發(fā)現(xiàn)了氫氣。那時人們的智慧被一種虛假的理論所蒙弊，認為不管什么氣體都不能單獨存在，既不能收集，也不能進行測量。這位醫(yī)生認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行認真研究的是在1766年英國的一位化學家卡文迪什。 卡文迪什非常喜歡化學實驗，有一次實驗中，他不小心把一個鐵片掉進了鹽酸中，他正在為自己的粗心而懊惱時，卻發(fā)現(xiàn)鹽酸溶液中有氣泡產生，這個情景一下子吸引了他。他又做了幾次實驗，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量是不同的），發(fā)現(xiàn)所產生的氣體量是固定不變的。這說明這種新的氣體的產生與所用酸的種類沒有關系，與酸的濃度也沒有關系。 卡文迪什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，也不能幫助動物的呼吸，如果把它和空氣混合在一起，一遇火星就會爆炸�？ㄎ牡鲜步涍^多次實驗終于發(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，點火時雖然會燃燒，但不會發(fā)出震耳的爆炸聲。 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物是水，無疑這種氣體就是氫氣了�？ㄎ牡鲜驳难芯恳呀洷容^細致，他只需對外界宣布他發(fā)現(xiàn)了一種氫元素并給它起一個名稱就行了。但卡文迪什受了虛假的“燃素說”的欺騙，堅持認為水是一種元素，不承認自己無意中發(fā)現(xiàn)了一種新元素。 后來拉瓦錫聽說了這件事，他重復了卡文迪什的實驗，認為水不是一種元素而是氫和氧的化合物。在1787年，他正式提出“氫”是一種元素，因為氫燃燒后的產物是水，便用拉丁文把它命名為“水的生成者”。
含量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，如果按質量計算，氫只占總質量的`1%，而如果按原子百分數計算，則占17%。氫在自然界中分布很廣，水便是氫的“倉庫”——氫在水中的質量分數為11%；泥土中約有1.5%的氫；石油、天然氣、動植物體也含氫。在空氣中，氫氣倒不多，約占總體積的一千萬分之五。在整個宇宙中，按原子百分數來說，氫卻是最多的元素。據研究，在太陽的大氣中，按原子百分數計算，氫占81.75%。在宇宙空間中，氫原子的數目比其他所有元素原子的總和約大100倍。
物化屬性元素簡介
氫是原子序數為1的化學元素，化學符號為H，在元素周期表中位于第一位。其原子質量為1.00794u，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大約占據宇宙質量的75%。主星序上恒星的主要成分都是等離子態(tài)的氫。而在地球上，自然條件形成的游離態(tài)的氫單質相對罕見。 氫最常見的同位素是氕（piē），含1個質子，不含中子。在離子化合物中，氫原子可以得一個電子成為氫陰離子(以 H表示） 構成氫化物，也可以失去一個電子成為氫陽離子（以 H表示，簡稱氫離子），但氫離子實際上以更為復雜的形式存在。氫與除稀有氣體外的幾乎所有元素都可形成化合物，存在于水和幾乎所有的有機物中。它在酸堿化學中尤為重要，酸堿反應中常存在氫離子的交換。氫作為最簡單的原子，在原子物理中有特別的理論價值。對氫原子的能級、成鍵等的研究在量子力學的發(fā)展中起了關鍵作用。 氫氣（H2）最早于16世紀初被人工合成，當時用的方法是將金屬置于強酸中。1766～81年，亨利·卡文迪許發(fā)現(xiàn)氫氣是一種與以往所發(fā)現(xiàn)氣體不同的另一種氣體，在燃燒時產生水，這一性質也決定了拉丁語 “hydrogenium” 這個名字（“生成水的物質”之意）。常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體。 氫原子則有極強的還原性。在高溫下氫非�；顫�。除稀有氣體元素外，幾乎所有的元素都能與氫生成化合物。
基本屬性
物質狀態(tài) 氣態(tài) 元素在太陽中的含量 75% 地殼中含量 1.5% 大氣含量 0.0001 % 質子質量 1.673×-27 質子相對質量 1.00794 所屬周期 1 所屬族數 IA 摩爾質量 1g/mol 氫化物 無 氧化物 H2O 最高價氧化物 H2O
原子屬性
外圍電子排布 1s1 核外電子排布 1 電子層 K 原子量 1.00794 原子半徑 （計算值）25（53）pm 共價半徑 37 pm 范德華半徑 120 pm
具體性質
顏色 常溫下為無色氣體 熔點 14.025 K （-259.125 ℃） 沸點 20.268 K （-252.882 ℃） 三相點 13.8033 K （-259 ℃）7.042kPa 臨界點 32.97 K (-240 ℃) 1.293MPa 摩爾體積 22.4L/mol 汽化熱 0.44936 kJ/mol 熔化熱 0.05868 kJ/mol 蒸氣壓 209 帕斯卡（23K） 比熱容量 14000J/(kg·℃） 聲在其中傳播的速度 1270 m/s（293.15K） 電離能（kJ /mol） M - M+ 1312 密度、硬度 0.0899 kg/m?（273K）、NA 熱導率 W/（m·K）180.5
同位素
氫是唯一的其同位素有不同的名稱的元素。（歷史上每種元素的不同同位素都有不同的名稱，現(xiàn)已不再使用。）D 和 T 也可以用作氘（deuterium）和氚（tritium）的符號，但 P 已作為磷的符號，故不再作為氕（protium）的符號。 按照IUPAC的指引，D 或 2H 和 T 或 3H 都可以使用，但推薦使用 2H 和3 H(同位素相對原子質量不同），生活中通常使用氕。 氫在自然界中存在的同位素有： 氕（piē）（氫1，H） 氘（dāo）（氫2，重氫，D） 氚（chuān）（氫3，超重氫，T） 以人工方法合成的同位素有： 氫4、氫5、氫6、氫7 氕（氫-1） 氕的原子核只有一個質子，豐度達99.98% ，是構造第二簡單的的原子。 氘（氫-2） 氘為氫的一種穩(wěn)定形態(tài)同位素，也被稱為重氫，元素符號一般為2H或D。它的原子核由一顆質子和一顆中子組成。在大自然的含量約為一般氫的7000分之一。氫（H）的同位素,其相對原子質量為普通輕氫的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反應,并在化學和生物學的研究工作中作示蹤原子（deuterium）——亦稱“重氫”,元素符號D。 氚（氫-3） 氚，亦稱超重氫，是氫的同位素之一，元素符號為T或3H。它的原子核由一顆質子和兩顆中子所組成，并帶有放射性，會發(fā)生β衰變，其半衰期為12.43年。自然界中存在極微，從核反應制得。主要用于熱核反應。 氫-4 氫-4是氫的同位素之一，它包含了質子和三個中子。在實驗室里，是用氘的原子核來轟炸氚的原子核，來合成一個氫4的原子核。在這過程中，氚的原子核會從氘的原子核上吸收一個中子。氫4的質量為4.0279121U，半衰期為9.93696×10-22秒。 氫-4.1 氫-4.1結構上類似氦，它包含了2個質子和2個中子，但因其中一個電子是渺子，但由于渺子的軌道特殊，軌道非常接近原子核，而最內側的電子軌道與渺子的軌道相較之下在很外側，因此，該渺子可視為原子核的一部份，所以整個原子可視為：原子核由1個渺子、2個質子和2個中子組成、外側只有一個電子，因此可以視為一種氫的同位素，也是一種奇異原子。一個渺子重約0.1U，故名氫- 4.1（4.1H）。氫-4.1原子可以與其他元素反應，和行為更像一個氫原子不是像惰性的氦原子。 氫-5 氫-5是氫的同位素之一，它的原子核包含了四個中子和一個質子，在實驗室里用一個氚的原子核來轟炸氚，這讓氚吸收兩個氚原子核的質子而形成了氫5。氫5的半衰期非常短，只有8.01930×10-22秒。 氫-6 氫-6是不穩(wěn)定的氫同位素之一，它包含了一個質子和五個中子，半衰期為3×10-22秒。 氫-7 氫-7是不穩(wěn)定的氫同位素之一，它包含了一個質子和六個中子，
圖表
符號質子數中子數原子質量單位(u)半衰期原子核自旋 豐度豐度的變化率1H 1 0 1.007,825,032,07(10) 穩(wěn)定 [>2.8×1023 年] 1/2+ 0.999885(70) 0.999816～0.999974 2H 1 1 2.0141017778(4) 穩(wěn)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+# 備注：畫上#號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括號括起來的代表數據不確定性。
氫氣生物學效應
早在1975年就有人開展了氫氣治療腫瘤的研究，后來2001年才有法國學者將高壓氫用于治療肝臟寄生蟲感染的研究。早期的研究只能簡單地觀察氫氣被動物呼吸后的反應，顯然觀察結果證明氫氣對動物沒有產生顯著的影響。關于氫氣的生物學效應，最熱鬧地當然屬于潛水醫(yī)學，因為氫氣作為人類潛水呼吸的氣體被國際許多重要的潛水醫(yī)學研究單位深入研究，作為呼吸氣體的最重要前提是該氣體的安全性，就是不能對人體產生明顯的影響，包括在極端高壓下呼吸這種氣體。許多年的潛水醫(yī)學研究證明呼吸氫氣是非常安全的，但也同時給人們一種深刻印象，呼吸氫氣對人體是沒有明顯生物學效應的。2007年日本學者報道，動物呼吸2%的氫可有效清除強毒性自由基，顯著改善腦缺血再灌注損傷，采用化學反應、細胞學手段證明，氫溶解在液體中可選擇性中和羥自由基和亞硝酸陰離子。而后兩者是氧化損傷的最重要介質，體內缺乏他們的清除機制，是多種疾病發(fā)生的重要基礎。隨后他們又用肝缺血和心肌缺血動物模型，證明呼吸2%的氫可以治療肝和心肌缺血再灌注損傷。采用飲用飽和氫水可治療應激引起的神經損傷和基因缺陷氧化應激動物的慢性氧化損傷。美國匹茲堡大學器官移植中心學者Nakao等隨后證明，呼吸2%的氫可以治療小腸移植引起的炎癥損傷，飲用飽和氫水可治療心臟移植后心肌損傷、腎臟移植后慢性腎病。國內第四軍醫(yī)大學謝克亮等的研究證明，呼吸氫氣能治療動物系統(tǒng)炎癥、多器官功能衰竭和急性顱腦損傷。孫學軍等的研究也證明，呼吸2%的氫可以治療新生兒腦缺血缺氧損傷。隨后，孫學軍等成功制備了飽和氫注射液，并與國內40多家實驗室開展合作，先后發(fā)現(xiàn)該注射液對疼痛、關節(jié)炎、急性胰腺炎、老年性癡呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒遲發(fā)性腦病、肝硬化、脂肪肝、脊髓創(chuàng)傷、慢性低氧、腹膜炎、結腸炎、新生兒腦缺血缺氧損傷、心肌缺血再灌注損傷、腎缺血再灌注損傷和小腸缺血再灌注損傷等具有良好的治療作用。這些研究說明，氫是一種理想的自由基、特別是毒性自由基的良好清除劑，具有潛在的臨床應用前景。
制取方法工業(yè)制法
水煤氣法：C（s）+ H?O（g）= CO（g）+ H?（g）【高溫】 CO（g）+H?O（g）=催化劑=CO?（g）+H?（g） 除此之外，還有電解法、烴裂解法、烴蒸氣轉化法等。實驗室制法鋅與稀硫酸反應（中學課本標準實驗室制法） Zn+H?SO?=ZnSO?+H?↑ 若用鹽酸，制得的氫氣中可能會混有氯化氫氣體（HCl），因為稀鹽酸也有一定的揮發(fā)性�！ 〗饘偃粲描F或鎂，反應速率會影響實驗觀察效果。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?為簡化形式，實際存在的是四羥基合鋁酸鈉Na[Al(OH)?]） 2H?O=通直流電=2H?↑+O?↑ 6CH?COOH+2Al=2Al(CH?COO)?+3H?↑ 鋁與乙酸反應生成氫氣 Fe+2HCl==FeCl2+H2↑
元素純化
隨著半導體工業(yè)、精細化工和光電纖維工業(yè)的發(fā)展，產生了對高純氫的需求。例如，半導體生產工藝需要使用99.999%以上的高純氫。但是工業(yè)上各種制氫方法所得到的氫氣純度不高，為滿足工業(yè)上對各種高純氫的需求，必須對氫氣進行進一步的純化。氫氣的純化方法大致可分為兩類（物理法和化學法）， 氫氣提純方法主要有低溫吸附法，低溫液化法，金屬氫化物氫凈化法；此外還有鈀膜擴散法，中空纖維膜擴散法和變壓吸附法等六種方法。 方法基本原理適用原料氣制得氫氣濃度（%）適用規(guī)格高壓催化法 氫與氧發(fā)生反應而去除氧 含氧的氫氣，主要是電解法制得的氫氣 99.999 小 金屬氫化物分離法 先使氫與金屬形成金屬氫化物之后，加熱或減壓使其分解 氫含量較低的氣體 >99.9999 中小 高壓吸附法 吸附劑選擇吸附雜質 任何含氫氣體 99.999 大 低溫分離法 低溫下使氣體冷凝 任何含氫氣體 90～98 大 鈀合金薄膜擴散法 鈀合金薄膜對氫有選擇滲透性，其他氣體不能透過 氫含量較低的氣體 >99.9999 中小 聚合物薄膜擴散法 氣體透過薄膜的擴散速率不同 煉油廠廢氣 92～98 小
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