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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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(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。 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。卡文迪什經(jīng)過多次實驗終于發(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(chǎn)物是水，無疑這種氣體就是氫氣了�？ㄎ牡鲜驳难芯恳呀�(jīng)比較細致，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(chǎn)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(zhì)量計算，氫只占總質(zhì)量的`1%，而如果按原子百分數(shù)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(zhì)量分數(shù)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(shù)來說，氫卻是最多的元素。據(jù)研究，在太陽的大氣中，按原子百分數(shù)計算，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。
物化屬性元素簡介
氫是原子序數(shù)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(zhì)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(jù)宇宙質(zhì)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(zhì)相對罕見。 氫最常見的同位素是氕（piē），含1個質(zhì)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(gòu)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(guān)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(chǎn)生水，這一性質(zhì)也決定了拉丁語 “hydrogenium” 這個名字（“生成水的物質(zhì)”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�；顫姟３∮袣怏w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(zhì)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(zhì)子質(zhì)量 1.673×-27 質(zhì)子相對質(zhì)量 1.00794 所屬周期 1 所屬族數(shù) IA 摩爾質(zhì)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(zhì)
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(zhì)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(zhì)子，豐度達99.98% ，是構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量為4.0279121U，半衰期為9.93696×10-22秒。 氫-4.1 氫-4.1結(jié)構(gòu)上類似氦，它包含了2個質(zhì)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(nèi)側(cè)的電子軌道與渺子的軌道相較之下在很外側(cè)，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(zhì)子和2個中子組成、外側(cè)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)子和六個中子，
圖表
符號質(zhì)子數(shù)中子數(shù)原子質(zhì)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(shù)據(jù)代表沒有經(jīng)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(shù)據(jù)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(jié)果證明氫氣對動物沒有產(chǎn)生顯著的影響。關(guān)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(chǎn)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(zhì)，體內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(nèi)40多家實驗室開展合作，先后發(fā)現(xiàn)該注射液對疼痛、關(guān)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(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)生了對高純氫的需求。例如，半導體生產(chǎn)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(zhì) 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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