氢气是什么？

氢是一种化学元素，在元素周期表中排名第一。氢的常见元素形式是氢。它是由双原子分子组成的无色、无味、极易燃烧的气体，氢是最轻的气体。

氢的最早应用是充氢气球。在飞机发明之前，人类使用热气球和氢气球作为飞行工具，这是最早实现飞行梦想的方式。氢最重要的应用是作为燃料和工业原料。氢燃料电池技术作为一种很有前途的新能源，已经引起了当今世界的关注。在医学生物学领域，氢气刚刚开始受到重视，其广泛的有效性、生物安全性、经济性和获取的便利性决定了其在生物医学领域巨大而广阔的应用前景。

不研究氢，知道这个就够了。如果研究氢，这些知识远远不够。比如初中化学会多学一些氢的知识。例如，氢最重要的化学性质是它的还原作用。如果你多学学化学，你就会知道氢也可以被氧化。

氢是由两个氢原子组成的气体。从同位素的角度来看，氢元素或氢原子有三种类型，即氘和氚。三种同位素中，最多的是氘，其次是氘。氘在所有氢元素中约占150ppm，也就是说一百万个氢原子中有150个氘，其余基本全是氘，氚的比例可以忽略不计。一般来说，除非特别说明，氢是指氢的原子核只由一个质子组成，是自然界所有元素中最特殊的。因为所有其他元素，包括氘和氚的原子核，都含有中子。

氢原子的存在方式有很多种，氢只是其中一种。自然界中的氢大部分是以化合物的形式存在的，最常见最著名的就是水含有两个氢原子。所有的有机物都含有碳和氢原子，所以所有的有机物都含有氢原子。

氢原子由一个质子氢核和一个绕核旋转的电子组成。量子力学大师玻尔认为，氢原子电子在原子核外的运动被限制在特定的电子轨道内。氢原子核质子本身有两个自旋方向，这就导致组成氢的两个氢原子核有两种可能性。两个质子自旋方向相同的氢分子是仲氢，不同的是正氢。根据规范，正常氢中两个原子核的自旋是平行的，而仲氢中两个原子核的自旋是反平行的。氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物。在室温的热平衡状态下，氢气是75%的正氢和25%的仲氢的混合物。

氢的一种常见形式是氢离子，这意味着氢原子失去电子，成为单个质子。氢离子最常见的来源是各种酸性物质，水也可以自然分解成氢离子和氢氧根离子。这两种离子在水溶液中根本不会单独存在，因为水分子是极性的，容易与带电物质结合，一个带正电的氢离子会被多层水分子包围形成团簇。氢原子失去电子，变成氢离子。在这种情况下，氢离子带正电。氢原子也可以获得电子，变成氢离子，顾名思义就是带负电的氢离子。氢负离子在氢固体存储领域具有重要意义，目前已经产生了一些固体储氢技术产品。氢负离子的一些金属化合物，如氢氧化钙、氢氧化镁等，在生物医学中也被用作氢供体，初步研究发现对多种疾病有潜在的治疗作用。

氢气的物理性质

氢的应用是基于它的物理和化学性质。随着对氢研究的深入，氢的物理化学性质逐渐被发现。

氢的常见元素形式是氢，是一种无色、无味、无嗅的双原子气体分子。氢气的密度很小，是自然界中分子量最小的气体，比空气的密度小很多。在标准条件下(温度0，压力101.325千帕)，1升氢气的质量是0.089克.与同体积的空气相比，氢气的质量约为空气的1/14。利用这一特性，人们曾经使用氢气球作为交通工具。因为氢的密度太低，地球上的氢在大气中逐渐上升，最后逐渐挥发到宇宙中。

氢气是一种很难液化的气体。在101.325 kPa下，氢在-252.8下可以变成无色液体，液氢具有超导性质。在-259.2时，液氢可以变成雪花状的固体氢。很多年前就有学者推测固态氢可以表现出金属的特性，近年来的一些研究也证明了这一推测。

氢气在一般液体中的溶解度相对较小。在一定的温度和压力下，气体在一定量的溶剂中溶解的最高量称为气体的溶解度。气体的溶解度不仅与气体和溶剂的性质有关，还与温度和压力有关。一般来说，它的溶解度随着温度的升高而降低。因为气体溶解时体积变化很大，所以随着压力的增加，溶解度显著增加。溶解度通常用一定温度下溶解在一体积溶剂中的最大体积数来表示。比如在1个大气压(纯氢环境)的条件下，1.82毫升氢气可以溶解在20的100毫升水中，也就是1.82%。如果按照摩尔浓度计算，20时溶解在水中的纯氢的浓度为0.92 mm，有人提出，与许多气体不同，氢的溶解度可能随着温度的升高而增加。

关于气体在液体中的溶解度，1803年，英国化学家亨利在研究气体稀溶液的基础上，总结出一个经验定律，叫做亨利定律。根据亨利定律，在一定的温度和压力下，气体在液体中的溶解度与气体的平衡压力成正比。也就是说，气体在液体中的溶解度随着气体分压的增加而成比例增加。相同条件下100%氢气在液体中的溶解度是2%氢气的50倍。氢气在水中的溶解度(0.017%)略大于氮气的溶解度(0.013%)。氢在脂肪中的溶解度(0.036%)小于氮的溶解度(0.067%)，约为氮的1/2；25时，氢气在乙醇中的溶解度为0.089%，是在水中的4倍。虽然氢在水和脂肪中的溶解度很小，但在镍、钯、钼等金属中的溶解度很大。一体积的钯可以溶解数百体积的氢。

由于氢气的分子量小，所以氢气具有很强的渗透性，在常温下可以穿透橡胶和乳胶管，但在高温下可以穿透钯、镍、钢等金属薄膜。充好气的氢气球往往会过夜，第二天就会因为漏气而飞不起来。

氢气的扩散能力还体现在能进入钢材结构内。在高温、高压下，氢气甚至可以穿过很厚的钢板。当钢材暴露于一定温度和压力的氢气一段时间，渗透于钢晶格中的原子氢会重新结合成氢分子，在缓慢变形中引起裂纹和脆化作用，这种现象的专有名词叫氢脆现象。氢气的这种性质给氢气的储存和运输带来很大困难。

根据气体扩散定律，气体在均匀液体内的扩散速度和该气体的分子量的平方根成反比。在液体中，氢的扩散速度为氮的3.74倍，氦（0.138）的1.41倍。在人体组织内，氢气的扩散能力非常大，不仅是因为氢气的体积小，还决定于氢气没有极性，没有极性的气体更容易跨过脂类组成的细胞膜结构。氢气在身体内扩散能力大有利有弊，有利是氢气能扩散到身体任何部位，包括细胞内，甚至各种生物分子如蛋白质核酸结构内部，这是保证氢气可发挥作用的重要前提。有弊是因为氢气非常容易从身体组织内释放出来，这不利于氢气保持更长时间的作用。

氢气的比热大、导热性能好。氢气导热率比空气大7倍。在相同的压力下，氢气的比热是氮的13.6倍，氦的2.72倍。因此，相对于其他气体，氢的吸热和导热性能都比较强。热导分析仪就是基于导热系数差异原理分析气体浓度，常用于分析氢气的浓度。

氢的传音速度快。在标准状态下，空气的传音速度是331m/s，氦的传音速度是972m/s，而氢的传音速度是1286m/s。因此，人如果呼吸氢气，则语音会发生明显的改变，潜水员呼吸氢气氧气混合气体也可以发生语音改变。

氢气的化学性质

氢气在常温下化学性质稳定，稳定的化学性质主要决定于组成氢气的两个氢原子之间较强的共价键。

氢气具有可燃性。在点燃或加热的条件下，氢气很容易和多种物质发生化学反应。纯净的氢气在点燃时，可安静燃烧，发出淡蓝色火焰，放出热量，有水生成。若在火焰上罩一干冷的烧杯，可以烧杯壁上见到水珠。氢气在发生燃烧的浓度范围为4-74%，低于或超过这个浓度，即使在高压下也不会燃烧或爆炸。在氧气环境中，氢气的燃烧浓度范围4-94%。当氧气浓度低于4%时，即使在非常高的压力条件下，氢气和氧气的混合气都不会燃烧。人们利用氢气的这个特点把氢气用于潜水作业，也可以利用氢气这些特点设计安全呼吸氢气的设备。

氢气具有还原性。氢气的化学性质活泼，与氧发生化合反应生成水，容易发生燃烧和爆炸。可燃性也是氢气具有还原性的体现，是氢气还原氧气的性质所决定的。氢气不但能跟氧单质反应，也能跟某些化合物里的氧发生反应。例如：将氢气通过灼热的氧化铜，可得到红色的金属铜，同时有水生成。在这个反应里，氢气夺取了氧化铜中的氧，生成了水；氧化铜失去了氧，被还原成红色的铜，证明，氢气具有还原性，是很好的还原剂，氢气还可以还原其它一些金属氧化物，如三氧化钨、四氧化三铁、氧化铅和氧化锌等。

尽管氢气具有还原性，不等于氢气在溶液中或生物体内也具有同样的性质，例如氢气和氧气发生燃烧需要氢气的浓度为4%以上，燃点为400℃。在人体环境下，氢气即使在纯氢的环境下，溶解浓度也只有1.8%，而由于机体温度只有37℃，这种条件距离氢气和氧气发生反应的条件非常远，因此氢气和氧气在人体内无法发生反应。这正是长期以来人们把氢气作为生理学惰性气体的重要原因。

氢气不仅具有还原性，也具有氧化性。氢气是由氢原子共价形成的双原子分子，而每个氢原子可以分别获得一个电子形成负氢离子，这种情况见于和强还原性金属发生反应，其作用类似于氯气，在这类反应中氢气属于氧化剂，可以氧化金属为金属离子。严格意义上讲，氢气和金属反应的产物为氢化物，这种物质的特点是具有强还原性，非常容易与水发生反应释放大量氢气。