氢--中文百科全书

基本信息

元素名：氢（Qīng）Hydrogen（英）

氢的面板氢在元素周期表中的位置

元素符号：H

原子序数：1

原子量：1.00794

族丨周期丨区：1丨1丨s

元素类别：双原子非金属

电子构型：1s¹丨1

氧化态：1 -1

半衰期：无

电负性：2.2

命名：由安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）命名

发现：1766年由亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）于英国伦敦发现

CAS号：1333-74-0

基本简介

氢是原子序数为1的化学元素，化学符号为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，大约佔据宇宙质量的75%[1]。主星序上恆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氕（piē，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，存在于水和几乎所有的有机物中。它在酸硷化学中尤为重要，酸硷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。

原子属性

【外围电子排布】：1s¹

【核外电子排布】：1

【电子层】：K

【原子量】:1.00794

【原子半径】：（计算值）25（53）pm

【共价半径】：37 pm

【範德华半径】：120 pm

基本性质

【颜色】：常温下为无色气体

【熔点】：14.025 K （-259.125 °C）

【沸点】：20.268 K （-252.882 °C）

【摩尔体积】：22.4L/mol

【汽化热】：0.44936 kJ/mol

【熔化热】：0.05868 kJ/mol

【蒸气压】：209 帕斯卡（23K）

【声在其中传播的速度】：1270 m/s（293.15K）

【电离能】：（kJ /mol）M - M+ 1312

【密度、硬度】：0.0899 kg/m3（273K）、NA

【热导率】： W/（m·K）180．5

【化学键能】：（kJ /mol）

历史简介

在16世纪早期，炼金术士Paracelsus注意到，把铁屑加到硫酸中产生的气泡是可燃的。在1671年Robert Boyle做了同样的观察。他们两个都没有继续氢的发现工作，之后Henry Cavendish获得了这个荣誉。在1766年，他收集了这些气泡并证明了它们不同于其它气体。他后来证明了当氢气燃烧后形成水，从而结束了水是一种元素的信仰。这种气体被Antoine Lavoisier命名为hydrogen（氢），意思是形成水的。

在1931年，Harold Urey和他的同事在美国的哥伦比亚大学检测到了一秒的，稀有的，由氢组成的物质。它的质量是普通氢的两倍，他们命名其为deuterium（氘）。

发现历程

早在十六世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到硫酸裏，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位着名的医生，病人很多，没有时间去做进一步的研究。

十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙弊，认为不管什麽气体都不能单独存在，既不能收集，也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什麽不同，很快就放弃了研究。

最先把氢气收集起来并进行认真研究的是在1766年英国的一位化学家卡文迪什。

卡文迪什非常喜欢化学实验，有一次实验中，他不小心把一个铁片掉进了盐酸中，他正在为自己的粗心而懊恼时，却发现盐酸溶液中有气泡产生，这个情景一下子吸引了他，刚才的气恼心情全没了。他在努力地思考：这种气泡是从哪儿来的呢？它原本是铁片中的呢，还是存在于盐酸中呢？他又做了几次实验，把一定量的锌和铁投到充足的盐酸和稀硫酸中（每次用的硫酸和盐酸的质量是不同的），发现所产生的气体量是固定不变的。这说明这种新的气体的产生与所用酸的种类没有关系，与酸的浓度也没有关系。

卡文迪什用排水法收集了新气体，他发现这种气体不能帮助蜡烛的燃烧，也不能帮助动物的呼吸，如果把它和空气混合在一起，一遇火星就会爆炸。卡文迪什是一位十分认真的化学家，他经过多次实验终于发现了这种新气体与普遍空气混合后发生爆炸的极限。他在论文中写道：如果这种可燃性气体的含量在9.5%以下或65%以上，点火时虽然会燃烧，但不会发出震耳的爆炸声。

随后不久他测出了这种气体的比重，接着又发现这种气体燃烧后的产物是水，无疑这种气体就是氢气了。卡文迪什的研究已经比较细致，他只需对外界宣布他发现了一种氢元素并给它起一个名称就行了，真理的大门就要向他敞开了，幸运之神就要向他微笑了。

但卡文迪什受了虚假的“燃素说”的欺骗，坚持认为水是一种元素，不承认自己无意中发现了一种新元素，真是非常可惜。

后来拉瓦锡听到了这件事，他重复了卡文迪什的实验，认为水不是一种元素而是氢和氧的化合物。在1787年，他正式提出“氢”是一种元素，因为氢燃烧后的产物是水，便用拉丁文把它命名为“水的生成者”。

分布特点

在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳裏，如果按质量计算，氢只佔总质量的1%，而如果按原子百分数计算，则佔17%。氢在自然界中分布很广，水便是氢的“仓库”——氢在水中的质量分数为11%；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，约佔整体积的一千万分之五。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，氢佔81.75%。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。

製备方法

工业製法

水煤气法：C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g）

CO（g）+H2O（g）=（催化剂）=CO2（g）+H2（g）

除此之外，还有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法等。

实验室製法

锌与稀硫酸反应 Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

若用盐酸，製得的氢气中可能会混有HCl气体，因为稀盐酸也有一定的挥发性。

其他製法

Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑（反应速度较慢）

Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑（反应速度太快）

2Al+3H2SO4=Al2（SO4）3+3H2↑

Fe+2HCl=FeCl2+H2↑

Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑

Mg+2HCl=MgCl2+H2↑

Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑

Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al（OH）4]+3H2↑

工业用途

天然气

用气电共生改良后需要15.9百万立方米的瓦斯，如果每天生产500公斤由改装的加油站就地生产（例如高科技加气站），相当于改装777,000座加油站成本$1兆美金；可产每年1亿5000万吨氢气。先假设不需额外氢气分配系统的投资成本下；等于每GGE单位$3.00美元（Gallons of Gasoline Equivalent 相当一加侖汽油的能量简称GGE，方便和目前油价作比较）。

核能

用以提供电解水的氢气电能来源。需要240,000吨铀矿—提供2,000座600兆瓦发电厂等于$8400亿美金，等于每GGE单位$2.50美元。

太阳能

用以提供电解水的氢气电能来源。需要每平方公尺达2,500千瓦（每小时）效率的太阳能版科技共1亿1300万座40千瓦的机组，成本推估约$22兆等于每GGE单位$9.50美元。

风力

用以提供电解水的氢气电能来源。每秒7公尺的平均风速计算，需要1百万座2百万瓦风力机组成本约$3兆美金等于每GGE单位$3.00美元。

生物燃油

气化厂用气电共生改良后.。需要15亿吨干燥生物材料，3,300座厂房需要113.4百万英亩（460,000 平方千米）农场提供生物材料。约$5650亿美元等于每GGE单位$1.90美元（假设土地不匮乏且地价最便宜状态）

煤矿

火力发电用气电共生改良后提供电解水的氢气电能来源。需要10亿吨煤将近1,000座275兆瓦发电厂成本$5000亿美金，等于每GGE单位1美元。

氢气检测仪

1、泵吸式氢气检测仪

CY-H2泵吸式氢气检测仪採用内置吸气泵，可快速检测工作环境中氢气浓度。泵吸式氢气检测仪採用进口电化学感测器，具有非常清晰的大液晶显示屏，声光报警提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危险气体并及时提示操作人员预防。

2、携带型氢气检测仪

HFPCY-H2携带型氢气泄漏检测仪可连续检测作业环境中氢气浓度。氢气泄漏检测仪为自然扩散方式检测气体浓度，採用进口电化学感测器，具有极好的灵敏度和出色的重复性；氢气检测仪採用嵌入式微控製技术，选单操作简单，功能齐全，可靠性高，整机性能居国内领先水準。检测仪外壳採用高强度工程材料、复合弹性橡胶材料精製而成，强度高、手感好。

3、线上式氢气检测报警器

HFTCY-H2线上式氢气检测报警器由气体检测报警控製器和固定式氢气检测器组成，气体检测报警控製器可放置于值班室内，对各监测点进行监测控製，氢气检测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为气体感测器。氢气检测器将感测器检测到的氢气浓度转换成电信号，通过线缆传输到气体检测报警控製器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控製器设定的报警点时，气体检测报警控製器发出报警信号，并可啓动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。线上式氢气检测报警器广泛套用于石油、化工、冶金、电力、煤矿、水厂等环境，有效防止爆炸事故的发生。