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1H
n



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外观
无色气体

等离子态的氢发出的紫色光

氢的原子光谱
概况
名称·符号·序数 氢(hydrogen)·H·1
元素类别 非金属
·周期· 1·1·s
标准原子质量 1.00794(7)
电子排布

1s1
1

氢的电子层(1)
物理性质
颜色 无色
物态 气体
密度 (0 °C, 101.325 kPa
0.08988 g/L
熔点 14.01 K,-259.14 °C,-434.45 °F
沸点 20.28 K,-252.87 °C,-423.17 °F
三相点 13.8033 K(-259 °C),7.042 kPa
临界点 32.97 K,1.293 MPa
熔化热 (H2) 0.117 kJ·mol−1
汽化热 (H2) 0.904 kJ·mol−1
比热容 (H2) 28.836 J·mol−1·K−1

蒸汽压

压(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温(K) 15 20
原子性质
氧化态 1, -1
(两性)
电负性 2.20(鲍林标度)
电离能 第一:1312.0 kJ·mol−1
共价半径 31±5 pm
范德华半径 120 pm
杂项
晶体结构

六方晶系

磁序 抗磁性
热导率 0.1805 W·m−1·K−1
声速 (gas, 27 °C) 1310 m·s−1
CAS号 1333-74-0
最稳定同位素

主条目:氢的同位素

同位素 丰度 半衰期 方式 能量MeV 产物
1H 99.985% 稳定,带0个中子
2H 0.015% 稳定,带1个中子
3H 痕量 12.32 年 β衰变 0.01861 3He

原子序数为1的化学元素化学符号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,也是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙非暗物质质量的75%[1]主星序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(这个名称并不常用),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) 最早与16世纪初被人工合成,当时使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[2] ,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。[3]

氢气可以置换出多种金属,[4]使得氢气的存储罐和管道之设计更加复杂。[5]

性质

单质可燃性

氢气与氧气混合而燃烧,放出接近无色的火焰

氢气是一种极易燃的气体,在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。[6][7]氢气燃烧的焓变为−286 kJ/mol:[8]

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol [注 1]

氢气占4%至74%的浓度时与空气混合,或占5%至95%的浓度时与氯气混合时是极易爆炸的气体,在热、日光或火花的刺激下易引爆。氢气的着火点为500 °C[9]。纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线

因为氢气比空气轻,所以氢气的火焰倾向于快速上升,故其造成的危害小于碳氢化合物燃烧的危害。氢气与所有的氧化性元素单质反应。氢气在常温下可自发的和氯气(需要光照)和氟气发生剧烈的燃烧反应,生成具有潜在危险性的酸氯化氢氟化氢[10]

电子能级

氢原子示意图

氢原子的电子能级基态是 −13.6 eV,大概约等于一个波长 92 nm 的紫外线光子[11]

氢原子的能级可由玻尔模型较为准确的计算出。玻尔模型将电子和质子的关系理想化为地球太阳的关系,只不过电子的向心力由质子和电子的电磁力产生。在量子力学早期,玻尔提出了角动量离散化的假设,故玻尔模型中的电子只能占据离质子特定距离的轨道,也只能具有特定的能量。[12]

由量子力学中的薛定谔方程或与之等价的费曼路径积分表述来计算质子周围位置电子出现的概率密度,可以更准确的刻画氢原子的结构。[13]

化合物

共价及有机化合物

虽然氢气在通常状态下不是非常活泼,但氢气与绝大多数元素会组成化合物。碳氢化合物已知有数以百万种,但它们不会由氢气和碳直接化合形成。氢气与电负性较强的元素(如卤素)反应,在这些化合物中氢的氧化态为+1。[14]氢与成键时,可生成一种较强的非共价的键,称为氢键。氢键对许多生物分子具有重要意义。[15][16] 氢也与电负性较低的元素(如金属)生成化合物,这时氢的氧化态通常为 -1,这样的化合物称为氢化物[17]

氢气与形成的化合物,由于其与生物的关系,通常被称为有机物[18]研究有机物的学科称为有机化学[19]而研究有机物在生物中所起的作用的科学称为生物化学[20]按某些定义,“有机”只要求含有碳。但大多数含碳的化合物通常都含有氢。这些化合物的独特性质主要是由碳氢键决定的。故有时有机物的定义要求物质含有碳氢键[18]

无机化学中,H- 可以作为桥接配体,连接配合物中的两个金属原子。这样的特性通常在13族元素中体现,尤以硼烷配合物和碳硼烷中。[21]

氢化物

含有氢元素的二元化合物称为氢化物。“氢化物”一词暗含氢显负价,且其氧化态为-1的意思。氢负离子记做H-,其存在是1916年吉尔伯特·路易斯预言的。1920年Moers用电解氢化锂,在阳极产生氢气,从而证明了氢化物的存在。[22]对于非IA或IIA族的元素形成的氢化物,“氢化物”一词并不准确,因为氢的电负性并不高。IA族碱金属的氢化物中有一个例外,即高聚物氢化锂氢化铝锂中4个氢原子紧靠铝原子。虽然氢可与几乎所有的主族元素形成氢化物,但这些氢化物的原子配比却并不单一,例如二元的硼烷已发现100多种,但氢化铝只有一种。[23]二元氢化铟还未被发现,但它存在于更大的配合物中。[24]

质子与酸

对氢原子的氧化,也即让氢原子失去其电子,即可得到 H+ (氢离子)。氢离子不含电子,由于氢原子通常不含中子,故氢离子通常只含1个质子。这也就是为什么常将 H+ 直接称为质子的原因。 H+ 是酸碱理论的重要离子。

裸露的质子 H+ 不能直接在溶液或离子晶体中存在,这是由氢离子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。除非在等离子态物质中,氢离子不会脱离分子或原子的电子云。但是,“质子”或“氢离子”这个概念有时也指带有一个质子的其他粒子,通常也记做 "H+" 。

为了避免认为溶液中存在孤立的氢离子,一般在水溶液中将水和氢离子构成的离子称为水合氢离子(H3O+)。但这也只是一种理想化的情形。氢离子在水溶液中事实上以类似于 H9O4+ 的形式存在。[25]

尽管在地球上少见,H3+ 离子(质子化分子氢)却是宇宙中最常见的离子之一。[26]

同位素

氕放电管
氘放电管
氚气萤光管(利用氚的β衰变使萤光物质发出可见光)
氕乃氢之最常见同位素,含有1个质子和1个电子,它是所有核素中唯一不含中子的。

氢有三种天然同位素,分别为。这三种同位素分别记作 1H、2H、3H或H、 D、 T。其他极不稳定的同位素(4H 至 7H)已在实验室中制得,但未在自然环境中被发现。[27][28]

  • 1H 是氢最常见的同位素,名为“氕”。其丰度大于 99.98%。不含中子,只含一个质子和一个电子。[29]
  • 2H 是氢另外一种稳定的同位素,称为“氘”。氘核含有一个质子和一个中子。本质上宇宙中所有的氘原子都被认为是大爆炸过程中产生的,并直至现在没有发生变化。氘不具放射性,也没有显著的毒性。中的氕原子被氘原子取代后形成的水分子构成的水称为重水。氘及其化合物在化学实验中可作为无放射性的标志,也作为1H-NMR光谱分析所用的溶剂。[30] 重水是一种中子减速剂核反应的冷却剂。氘也是一种潜在的核聚变燃料。[31]
  • 3H 称为“氚”,含有一个质子和两个中子。氚有放射性,通过β衰变变为氦-3,其半衰期为 12.32 年。[21] 自然界存在少量氚,是由宇宙射线大气层中的气体作用得到的。核武器试验中也会释放氚。[32] 氚用于核聚变反应,[33] 也在地球化学领域中用于测年,[34]并可用于自我照明设备。[35] 氚在化学及生物学实验中可作为同位素示踪法的标志。[36]

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[来源请求]现已不再使用[来源请求]。)D 和 T 也可以用作氘(deuterium)和氚(tritium)的符号,但 P 已作为的符号,故不再作为氕(protium)的符号。[37] 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 3H 。[38]

发现

16世纪末期,瑞士化学家巴拉采尔斯放在硫酸中,铁片和硫酸发生反应,放出许多气泡——氢气。但直到1766年,氢才被英国科学家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)确定为化学元素,当时称为可燃空气,并证明它在空气中与氧气燃烧生成水。因此氢气被认为是最理想的燃料,放热量多,无污染。(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。

化学家 拉瓦锡 (Antoine-Laurent de Lavoisier)命名氢

名称由来

  • 希腊语hydro(水)+genes(造成),意即“产生水”的物质。
  • 中文原称“氢气”为“轻气”,“氢”属以后新造的形声字。
  • 日语朝鲜语循希腊语原义,称为“水素”(日语:水素すいそ,朝鲜语:수소)。

分布

A white-green cotton-like clog on black background.
三角座星系NGC 604是一个巨大质量的电离氢区

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”——以重量百分比计算,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,约占总体积的两百万分之一。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93%。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。

单质制备

工业制法

工业上的制造方法有:电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法、炼厂气提取法。

蒸气重组法

蒸气重组法是工业上最广为应用的。它使用了低碳素的碳氢化合物。

过程为:

CnHm + n H2O → n CO + (m/2 + n) H2
CO + H2O → CO2 + H2(水煤气变换反应)

这是放热过程。

其中蒸气甲烷重组(SMR)是最常用也最便宜的生产方法。它使用天然气为原料。在700–1100 °C,以金属为催化剂,水蒸气与甲烷反应产生一氧化碳和氢气:CH4+H2O→ CO + 3 H2

电解

加入少量碱到纯使水导,再进行电解,可得氢气和氧气

烃裂解法

石油的裂解、煤炭的干馏都可以得到氢气。

离子型氢化物与水反应

在军事、气象方面供探空气球使用。[39]

新方法

以色列车用制氢装置的化学方程式:2B+6H2O→2B(OH)3+3H2

高温

由美国Nevada Reno大学的科研人员开发,可以由水借助于太阳光生产氢气(二氧化钛纳米管装置)美国科学家研制出用二氧化钛作催化剂生产氢气

催化剂法

以过渡金属络合物为催化剂,利用太阳能分解水制取氢气,是利用太阳能制取氢气的一个发展方向。[40]

实验室制法

利用稀酸与金属反应

实验室常用锌粒与稀硫酸或盐酸反应制取氢气。

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

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),六种方法。

氢气的纯化方法:

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
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
低温分离法 低温下使气体冷凝 任何含氢气体 90~98
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

同位素

在众多元素中,只有氢的同位素拥有不同名称。

在自然界中存在的同位素有: 1H)、2H,D,重氢)、3H,T,超重氢)

以人工方法合成的同位素有: 4H5H6H7H

用途

氢是重要工业原料,如生产合成甲醇,也用来提炼石油,氢化有机物质作为收缩气体,用在氢氧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。广泛用于等金属粉末和的生产。

由于氢气很轻,人们利用它来制作氢气球。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。

处理消耗

在石油和化工行业都需要大量的H2。H2的最大应用是化石燃料的处理(“提升”),并生产

冷却剂

氢通常用于电站发电机由于一些良好的性能,直接导致其光双原子分子中的冷却剂。这些包括低密度,低粘度,和最高的比热热导率的所有气体。

能源载体

氢不是一种能源资源[41],除了在假设的背景下,用目前的还未开发出来的技术发展使用氘或氚的商业核聚变发电厂[42]。太阳的能量来自核聚变的氢,但这一过程是地球上难以实现可控。从太阳能,生物,或电源的元素氢,需要更多的能量,要比以使其燃烧获得能量更多,所以在这些情况下,通过以上方式获得氢是作为能量载体的功能,类似的电池。氢可从化石来源(如甲烷)的方式获得,但这些来源是不可持续的[41]

在任何可行的压力下的液态氢和压缩氢气的每单位体积的能量密度显着低于传统的燃料来源,虽然每单位燃料质量的能量密度较高[41]。然而,在能源的背景下,氢元素作为一个可能的对整个经济的规模的未来能源载体而被广泛讨论[43]。例如,在化石燃料中的H2生产点进行碳捕获和储存二氧化碳封存。应用于交通运输氢燃烧比较干净,虽有一些氮氧化物排放量,但没有碳排放。然而,为氢经济基础设施相关的转换成本将是巨大的。

半导体工业

生物反应

H2是某些类型的无氧代谢的产物,,并由几种微生物产生的,通常是通过由铁或含镍的酶称为氢化酶催化反应。这些酶催化H2和它的组件的两个质子和两个电子之间的可逆的氧化还原反应。产生的氢气发生在丙酮酸发酵过程中产生的水的还原当量的转移。[44]

安全和预防

氢气无毒、易燃,其燃点为536°C,与空气混合后具有潜在的爆炸可能性,特别当遇到火星时。氢可溶解在许多金属中,当发生泄漏时,对它们可能有不利的副作用,如氢脆,[45] 会导致金属容器产生裂纹与爆炸。此外,氢的火焰除了温度非常高,淡蓝色火焰也几乎看不见,可能导致意外烧伤。

即使解释氢有关的数据(包括安全性数据),氢的一些现象仍然令人感到困惑。氢的许多物理和化学性质,取决于成分中的仲氢/正氢比(氢的自旋异构体) ,而这个特定比例通常需要数天或数周,在一个指定的温度下达到平衡比。氢气的爆炸参数,如临界起爆压力和温度,在很大程度上依赖于容器的几何形状。

注释

  1. ^ 286 kJ/mol为氢气的燃烧热,也叫热值。

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