氢（元素周期表中第一位化学元素）
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更新时间：2023-05-23
氢
元素周期表中第一位化学元素
氢原子（氕）结构图
氢(Hydrgen)，最轻的化学元素，原子序数1。它的原子由一个质子(原子核)和一个电子组成，同位素氘和氚分别有一个和两个额外的中子。它是十分重要的且基础的元素，组成了宇宙中75%的物质。单质以双原子分子H2的形式存在，是一种无色、无臭、无味、易燃的气态物质，能够作为燃料使用。含氢的重要物质有氢气、水、有机化合物、氨及其衍生物等。大多数酸的性质，特别是在水溶液中，是由氢离子(H+)产生的。氢气广泛应用于化学、冶金、电子等工业部门。液氢则应用于宇航、火箭事业上。新能源的开发中,氢能是十分有前景的领域。医疗上根据氢的特性设计出检测手段核磁共振，工业上因为其特殊的化学性质用作原料、保护气及还原气，能源上氢能是未来极具潜力的绿色能源，受到众多学者的研究。
基本信息
中文名
氢
英文名
Hydrogen
拼音
qīng
元素符号
H
原子序数
1
原子质量
1.008
元素类别
非金属
族
IA 族
周期
第一周期
区
s区
电子排布
[H]1s¹
CAS编号
1333-74-0（H2）
物理性质
外观
无色（H2）
气味
无味（H2）
物态
气态（H2）
密度
0.082 g/L（H2）
熔点
-259 °C（H2）
沸点
-253 °C（H2）
临界点
−240.0 ℃（H2）
汽化热
216 cal/mol（H2）
水溶性
0.00162 mg/mL（ 21 °C，H2）
原子性质
氧化态
-1，+1
电负性
2.20
原子半径
0.528 Å（玻尔半径）
历史
十六世纪，瑞士医生兼炼金术士帕拉塞尔斯（英语：Paracelsus，1493年11月11日-1541年9月24日），发现把铁片放入稀硫酸中会产生大量气泡，并且承装硫酸的容器变得滚烫。但是他并没有做出深入的研究，其他人则是把这个现象用作戏法之中。
十七世纪，比利时科学家简·巴普蒂斯塔·范·赫尔蒙特（法语：Jan Baptista van Helmont，1577-1644）证明了金属不会因溶解在酸中而被破坏。他称了银的重量，把它溶解在酸里，然后把溶液和铜反应，把原来的银都找回来。这个实验为后世认识氢离子与金属单质的置换反应奠定了基础。英国物理学家、化学家罗伯特•波义尔（英语：Robert Boyle，1627年1月25日—1691年12月30日）发现紫色石蕊溶液在酸碱环境下会变换为红色和蓝色，并将其用为酸碱指示剂，这为溶液中氢离子的检测提供了启发。
十八世纪，瑞典药剂师卡尔·威尔海姆·舍勒（瑞典语：Carl Wilhelm Scheele，1742年12月19日——1786年5月21日）收集了铁屑与稀硫酸混合后产生的气体。他将气体用玻璃管导出，把带有火苗的蜡烛放在试管口,发现管口产生了蓝色的火焰具有可燃的特性,并把它叫做可燃空气。
在同一个世纪，英国化学家和物理学家亨利·卡文迪许（英语：Henry Cavendish，1731年10月10日—1810年2月24日）用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸反应制得这种气体并用排水集气法收集了起来，对该气体展开了各类研究。他得出该气体与同体积的空气相比，质量之比是0.09：1；该气体与空气混合后点燃会发生爆炸；且与氧气化合生成水。
1787年，法国科学家安托万-洛朗·德·拉瓦錫（法语：Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年8月26日－1794年5月8日）用可燃空气与氧气反应得到了纯水，认为水不是一种元素，而是氧和可燃空气的化合物。他将水分解成氧气和可燃空气论证了这一观点，并给可燃空气起名为 Hydrogen。
1898年，苏格兰物理学家，化学家，发明家詹姆斯·杜瓦爵士（英文：Sir James Dewar，1842年9月20日－1923年3月27日）用他在皇家研究所建造的大型再生冷却机，成功地液化了氢气。他不断改进他的方法，最终成功地将温度降低到绝对零度以上13度，在这个温度下，除了氦以外的所有气体都会液化。
1931年，美国宇宙化学家、物理学家哈罗德·克莱顿·尤里(Harold Clayton Urey，1893年4月29日-1981年1月5日)获得了氘富集的氢样本和一个他对氘的预测的光谱。1934年，尤里因这一发现获得了诺贝尔奖，以及美国化学学会芝加哥分会颁发的威拉德·吉布斯奖章。
1900年，费迪南德·格拉夫·冯·齐柏林（德文：Ferdinand, Graf von Zeppelin，1838年7月8日-1917年3月8日）设计的氢气飞艇LZ-1的首次飞行在德国的康斯坦茨湖上。这收到德国政府的关注和支持，他被委托为飞艇舰队设计生产，使得第一次世界大战中德国使用了超过100艘齐柏林飞艇。
分布情况
宇宙中
氢存在于星际空间，是丰度最高的元素。宇宙中的氢主要以单原子形态和等离子态存在，幼年星体几乎100%是氢，太阳中氢也占质量的99%。 其他元素均是由氢在宇宙大爆发中的核聚变产生的。太阳内部存在巨大的压力和极高的温度，能将四个氢原子聚合为一个氦，并释放出巨大的能量，这个过程叫做核聚变（热核反应）。因此，氢为太阳的发光发热提供能量，是太阳的燃料。
太阳表面示意图
地球中
地壳中氢的丰度也很高，在地壳中它的含量仅次于氧和硅，排名第三，主要以化合态的形式存在。化合态氢的重量组成占地壳1km范围内1%的重量和15.4%的原子组成。氢能同大部分元素结合,而且其中有许多重要的化合物。水（氧和氢的化合物）在地球表面以液体的形式存在，构成海洋河流；有机物（碳元素和氢元素为主）构成了地球上生命体的重要部分。氢在地球上很少以气体的形式存在，约占大气中的10分之一。因为游离氢的密度非常小,因而平均扩散速度很高(1.84km/s),足以使它脱离地球的重力场,很快地从大气圈逃逸到外层空间。游离态氢气大多由机物质腐烂分解产生，和石油、天然气一样深埋在地下。
人体中
氢元素在人体内占全体原子的三分之二，在生命体中起着极其重要的作用。氢和碳组成的碳链作为生命体中重要的化合物如蛋白质、核酸，糖类，脂类等的骨架，是组成生物体的基础元素。与氧元素一起组成与生命密不可分的水，保证人体的个物质的输送；以氢离子和氢氧根离子的形态，维持和保障了人体中的酸碱平衡,并构成了人体中的消化液。最重要的是它在人体中的生化反应中扮演了不可缺少的角色,很多生化反应实际上就是传递氢离子以及电子的过程。
原子特点
原子结构
氢元素的的原子核内有1个质子，在核外有一个电子，是电子数和原子数最少的元素。当处于基态时，氢原子核外只有一个轨道，即1s轨道， 核外的这个电子就位于这个轨道上。因此，H原子非常容易失去其核外的这1 个电子而成为正价氢离子H，这种特征与ⅠA族的元素比较类似；氢原子也能够得到 1个电子，使1s轨道达到全充满的状态，而成为负价氢离子H，这一特征又与Ⅶ A族元素较为接近。除此之外，氢的电子在1s轨道上的占据还表明可以被看作是轨道半充满状态的原子，这种特征又与lV A族元素相似
同位素
氕
氕（H），质量数为1，原子核内有一个质子。氕是氢的主要稳定同位素，其天然丰度为99.985%。氕现在仅用于极小的范围，主要是用它来配制氕水。氕水被小量地生产出来作为化学实验室的标准液，以及在生物实验室用来作为硏究氘对有机体影响的实验用。
氕、氘、氚（按从左至右顺序）
氘
氘（H或D），质量数为2，原子核内有一个质子和一个中子。氕是氢的另一稳定同位素，其天然丰度为0.015 %。 氘被称为重氢，适宜于作为示踪原子。将氘替代到含有氢元素的化合物中，再放入研究目标中，可以对光合过程等复杂的化学反应过程进行研究。氘作为示踪原子的优点是它沒有放射性。另外，氘还是是热核聚合反应的原料，作为反应堆的中子减速剂。氘的化合物较氕的化合物惰性为大，普通的过氧化氢可以用作氧化剂时有易爆的危险，而用过氧化氘来代替就能避免风险。
氚
氚（H或T），质量数为3，原子核内有一个质子和两个中子，被称为超重氢。氚是氢的放射性同位素，半衰期1为2.5年。它在天然水中仅痕量存在，其含量为天然氢的10倍，可能是宇宙射线对大气氮的作用产生的。根据化学方程D + D→H + T，用高能氘(氘原子的原子核)轰击氘可以得到氚。根据方程Li + n→He + T，Li与核裂变反应堆的中子之间的核反应最有效地产生氚。
其他同位素
氢在自然界有最大的同位素丰度变异，如地球样品的变异范围达 700‰，宇宙样品的变异达 150‰。目前氢共有7个已知同位素，质量数范围从1到7，其中有2个是稳定的，其他都具有放射性。天然存在的氢同位素有3个，分别是氕氘氚，另外四个同位素（H到H）都不出现在自然界中，只有在实验室制造出来过，且半衰期都少于10秒，极为不稳定。
同素异构体
由于两个氢原子的核自旋有两种可能的耦合方式，分子氢存在自旋异构现象，有两种同素异构体，正氢(反转氢分子)和仲氢(并转氢分子)。目前的科学理论认为,氢分子中的两个氢原子核在同一轴的垂直的平面上迅速旋转。两个原子核的自旋方向相同(↑↑)的是正氢原子，对应于自旋量子数J的奇数值;而两个原子核的自旋方向相反(↑↓)的则是仲氢，对应于J的偶数值。在其原子核具有自旋动量的其他分子中也发现自旋异构现象。正常的氢气是正氢和仲氢的互变异构混合物。而混合物的组成服从化学平衡定律。在某一温度下,混合物的平衡组成为固定比例,在273K及273K以上时,正氢和仲氢的统计比为3:1,而且,正氢的百分比不超过 75%。
氢键
原子吸引电子倾向(即电负性)很强的氮原子(N) 及氧原子(O)与氢结合而产生的X—H型氢原子(X为N或O或其他)，通过X—H…Y型氢原子结合(氢键)，可与其他原 子Y形成松散结合。 水中的水分子也非单独存在。因为有O—H…O这种氢键，大量水分子之间连成一种网状。而相对分子质量与水 (H2O，沸点100℃)极其相似的甲烷(CH4 ，沸点为−164 ℃)， 其沸点要比水低264 ℃。蛋白质分子内的氨基酸之类就是氢键所形成，其蛋白质 分子分布并不是无序线状延伸，而是一种非常密集的构造。作为遗传物质的脱氧核糖核酸(DNA)，其核酸碱基呈一 列锁状分子，两列这样的分子螺旋缠绕呈细长状。在 双螺旋构造的稳定化上，氢键起了很大的作用。氢键很容易切断。正因为如此，DNA的双螺旋结构的分解很容易，这给遗传因子的复制制造了机会。
水分子之间的氢键
性质
理化性质
氢(H2)由两个氢原子组成，常温常压下是无色、无味、几乎不溶于水、易燃的气态物质，是已知的最轻气体，具有很大的扩散速度和很高的导热性。氢气极低的熔点和沸点是由于分子之间的吸引力很弱。当氢气在室温下从高压膨胀到低压时，其温度会升高，而大多数其他气体的温度会下降，这一事实也揭示了这种弱分子间作用力的存在。根据热力学原理，这意味着在室温下，氢分子之间的斥力大于吸引力，否则，膨胀会使氢冷却。事实上，在- 68.6°C时，引力起主导作用，因此，氢在被允许膨胀到低于该温度时就会冷却。当温度低于液氮(- 196°C)时，冷却效果变得非常明显，以至于该效果被用来达到氢气本身的液化温度。
氢原子（氘）结构图
化学性质
可燃性
氢气同卤素或氧的混合物经引燃或光照都会猛烈地互相化合：
2H2+O2=H2O（条件：点燃）
H2+F2=2HF（条件：暗处混合）
H2+Cl2=2HCl（条件：点燃或燃烧）
还原性
当锰的氧化物(Mno)以及在活泼性顺序中在锰之后的金属的氧化物,在适当温度加热下同分子氢反应时，它们能被还原成金属：
3H₂+Fe₂O₃=2Fe+3H₂O（条件：加热）
3H₂+WO₃=W+3H₂O（条件：加热）
化合物
水
水(H2O)由氢和氧化学元素组成，以气态、液态和固态存在，是一种无味无味的液体，具有良好的溶解性，作为溶剂对生物体来说是必不可少的。生命被认为起源于地球上的海洋，体依赖于水溶液（如血液和消化液）进行生物过程。同时，水也存在于太阳系内外的其他行星和卫星上。
酸
氯化氢溶液
酸是由一个或多个氢原子与其他元素组成的化合物。在溶液中酸会释放带正电的氢离子，改变某些指示剂的颜色，与某些金属反应释放氢，与碱反应生成盐，并促进某些化学反应(酸催化)。酸的种类包括无机酸，如硫酸、硝酸、盐酸和磷酸，以及包括羧酸、磺酸和苯酚族在内的化合物。
有机物
有机化合物是含有碳(C)的物质，碳链为骨架提供了产生多种有机化合物的关键结构框架。氢则在有机物中是与碳链相伴存在，是有机化合物的另一种要有元素。有机化合物对地球上的生物有着至关重要的作用。脂肪、蛋白质和碳水化合物等都可作为食物保证生命的摄入；血红蛋白、叶绿素、酶、激素和维生素等物质维持生命体正常运行；常见的燃料如木材、煤、石油和天然气为人类发张与生存提供能量。
氨
氨分子
氨(NH3)，无色刺激性气体，由氮和氢组成。它是这些元素中最简单的稳定化合物，是生产许多商业上重要的氮化合物的起始材料。氨可以用作肥料,变成铵盐的形式，如硝酸铵、硫酸铵和各种磷酸铵，其中尿素是世界上最常用的肥料。氨还被用作合成纤维的的原料、染色剂、清洁剂、催化剂、纯碱原料和石油精炼的酸性副产品中和剂等。
制备方法
活泼金属与水反应
金属与酸反应
在金属中锌是最方便的一种,在历史上则常用铁来同酸反应在酸中用盐酸最好，但也常用稀硫酸(由于价廉)。如果在反应的金属中含有杂质，则会同时产生磷化氢、砷化氢或硫化氢，它们有毒性，应予注意，金属纯度越高，同酸的反应越慢，所以用纯锌同酸反应时，可在酸中加入少许铜盐,生成的锌铜偶有利于加速释放氢气的反应速度。
金属与强碱反应
金属氢化物与水反应
可以用氢化锂LiH、氢化钙CaH2或氢化铝锂LiAlH4与水作用来产生氢气。这个方法产生的氢气则比较纯净但是成本高，另外在这类反应中发生的氢气有一半是从水里来的，所以从单位重量的氢化物可以得到较大量的氢气。这在野外工作中是有其优点的，例如在野外充填气象观测气球。氢化物同水的反应表示如下式:
LiH +H2O=LiOH +H2↑
CaH2+2H2O=Ca(OH)2+ 2H2↑
LiAlH4+4H2O=LiOH+Al(OH)3+4H2↑
电解水
2H2O=2H2↑+O2↑（条件：电解）
热分解天然气或裂解石油气
CH4+H2O=CO+3H2
水煤气法
H2O(g)+C(s)=CO(g)+ H2(g)
CO(g)+H2O(g)=H2(g)+ CO2(g)
应用领域
核磁共振
人体主要组织和器官中都有水和蛋白质,这些物质的重要组成元素都是氢原子。人体内大量的氢原子核自旋产生磁场而具有方向，磁场的变化会使氢核发生弛豫现象。弛豫时，氢核就会由于释放能量而发出微弱的核磁共振信号。由于人体各部位含水量不同,含氢核的量也不同,因此产生的核磁共振信号也就大小不同,将微弱的能量信号经过计算机处理转换成影像,就能得到核磁共振成像。因此，人们研究发明了核磁共振扫描成像系统。将人体放入大型圆筒状电磁室内，根据体内水分的分布不同，可对脏器和人骨进行扫描。磁共振成像(MRI)的方法已经得到广泛利用，无任何伤害即可对人体进行断层拍照，用于医疗诊断。
低温研究
液态氢的温度在 -253°C以下，因此当液态氢气化为氢气时需要吸收大量的热，能够为提供及低温的环境。
浮力填充气
Utah飞艇
氢气是已知最轻的气体，因此具有很大的升力最早德国的科学家费迪南德便利用这一原理制造了氢气飞艇。
示踪气体
氢气示踪法是将5％氢气和95％氮气混合气，即所谓的“示踪气体”，代换或溶入试压介质(压缩空气)。氢气的可燃极限为5.7％，因此，5％氢气和95％氮气混合气是绝对安全 的气体。这种示踪气体无毒、无味、无腐蚀性、不可燃，是工业焊接作业中用来保护不锈钢避免氧化的常用气体。而且，这种气体非常便宜，容易获得。
石化领域
在石油化学工业的生产中，应用不同组份的含氢气体作为合成氨、甲醇、石油炼制生产的原料气、加氢气体等，其用量大约占氢气总产量的93%左右。在尼龙、塑料、农药和油脂化学工业中，都需加入一定纯度的氢气，生产相应的产品。
冶金工业
在有色金属（钨、钼、钛）、硬质合金、粉末冶金材料、硅钢片、磁性材料、磁性合金等的生产和加工中，高纯氢气可以作为还原气和保护气；薄板、带钢的轧制中氮气和氢气混合气可作为保护气。在精密合金的光亮淬火和退火时，高纯氢气可以提高产品质量，简化工序。
半导体
微电子T3000板-国家半导体LM386N-0694
在电子工业中，高纯氢气主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电路以及电真空器件的生产，作为还原气、携带气和保护气。如在多晶硅制取、硅、砷化镓外延生长时，都需用纯度很高的氢气作为还原气。半导体的发展有赖于氢气为其提供的良好环境。在电子管生产中，也需用高纯氢气作为另件退火等的保护气。
轻工业
能源
氢电池汽车
氢气作为能源在来源丰富、使用干净，适应性强，储运方便等方面，是很有前途的。氢能的主要利用方式有三种：直接燃烧、燃料电池和核聚变。氢气作为燃料时，直接燃烧的唯一产物是水，具有绿色环保的优点。氢在燃料电池方面的应用对于可再生能源研究十分重要，包括太阳能、风能、潮汐能、波浪能、地热能和水力能等在内，这些可再生能源都需要具有“可储存”特性的氢作为能源载体。最后，氢的核聚变是目前仍是一种理想化的产能方式。要想将核聚变作为能源使用，一定要在严格的条件下缓缓释放能量，即称为受控核聚变。利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。受控核聚变比受控核裂变（现核电站主要产能方式）要困难得多，必须同时具备以下3个条件，极高的点火温度、极低的气体密度和超过 1s能量的约束时间。
安全事宜
如果不慎吸入氢气可能会引起头晕或窒息。气态氢气易燃，与皮肤接触可能会导致皮肤被烧伤；液态的氢气极低温，与皮肤接触时，会快速吸热导致冻伤。另外，氢气着火可能与其他物质产生刺激性或有毒气体。
如遇事故请拨打120或紧急医疗服务。确保医务人员了解所涉及的材料，并采取预防措施保护自己。如果安全的话，将病人转移到空气新鲜的地方。如果病人停止呼吸，给予人工呼吸。如果呼吸困难，应该及时供氧。脱掉并隔离被污染的衣服和鞋子。冻在皮肤上的衣服在脱下之前应该先解冻。接触液化气时，用温水解冻磨砂部位。如果发生烧伤，立即用冷水尽可能长时间地冷却受影响的皮肤。如果衣服粘在皮肤上，不要脱掉。保持受害者冷静和温暖。
