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2021-02-26 12:09:51

资料专题:氢基本信息汇总表

是一种化学元素,其化学符号为H,原子序为1。氢的原子量7000100794000000000♠1.00794u,是元素周期表中最轻的元素。单原子氢(H)是宇宙中最常见的化学物质,占重子总质量的75%。等离子态的氢是主序星的主要成分。氢的最常见同位素是“氕”(此名称甚少使用,符号为H1{\displaystyle{\ce{^1H}}}),含1个质子,不含中子;天然氢还含极少量的同位素“”(H2{\displaystyle{\ce{^2H}}}D{\displaystyle{\ce{D}}}),含1个质子和1个中子。

氢原子最早在宇宙复合阶段出现并遍布全宇宙。在标准温度和压力之下,氢形成双原子分子(俗称氢气,分子式为H2),呈无色、无臭、无味非金属气体,不具毒性,高度易燃。氢很容易和大部分非金属元素形成共价键,所以地球上大部分的氢都以分子的形态存在,比如和有机化合物等。氢在酸碱反应中尤其重要,因为在这类反应中各种分子须互相交换质子。在离子化合物中,氢原子可以获得一个电子成为氢阴离子(H−{\displaystyle{\ce{H-}}}),或失去一个电子成为氢阳离子(H+{\displaystyle{\ce{H+}}})。虽然在一般写法中,氢阳离子就是质子,但在实际化合物中,氢阳离子的实际结构是更为复杂的。氢原子是唯一一个有薛定谔方程解析解的原子,所以对氢原子模型的研究在量子力学的发展过程中起到了关键的作用。

16世纪,人们通过混合金属和强酸,首次制备出氢气。1766至1781年,亨利·卡文迪什第一次发现氢气是一种独立的物质,燃烧后会产生水。安东万-罗伦·德·拉瓦锡根据这一性质,将其命名为“Hydrogen”,在希腊文中意为“生成水的物质”,日文也翻译为“水素”,即“生成水的元素”。19世纪50年代,英国医生合信编写《博物新编》(1855年)时,把元素名翻译为“轻气”,意旨“最轻的气体”,成为今天中文“氢”字的来源。

氢气的工业生产主要使用天然气的蒸汽重整过程,或通过能源消耗更高的水电解反应。大部分的氢气都在生产地点直接使用,主要应用包括化石燃料处理(如裂化反应)和生产(一般用于化肥工业)。在冶金学上,氢气会对许多金属造成氢脆现象,使运输管和储存罐的设计更加复杂。

性质

资料专题:氢性质

历史

发现及使用

资料专题:氢历史发现及使用

量子理论

氢是原子结构最为简单的元素,只含一个质子和一个电子。在原子结构模型的发展过程中,氢原子和它的发射、吸收光谱都有着特殊的理论价值。物理学家在1925年前后发展出氢原子的量子力学描述,此后氢分子以及H2+{\displaystyle{\ce{H2+}}}阳离子又因为结构简单,而成为科学家在研究化学键本质时所用的重要对象。


反物质

反氢(H¯{\displaystyle{\overline{\mathrm{H}}}})是对应于氢的反物质,含一个反质子和一个正子。截至2015年,反氢是唯一被合成过的反物质原子。

分布

资料专题:氢分布

自然形成与实验制备

在实验室中,不少化学反应都会释放氢气,如活泼金属和酸的反应。工业生产出的氢可以用来氢化各种不饱和物质。在自然界中,生物体的还原反应也会释放出氢气。

蒸汽重整

工业上,氢气可由蒸汽转化得到,但在转化之前,需要先经过脱硫步骤:

CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2CO + H2O ⇌ CO2 + H2

热化学反应

能分离水的热化学循环过程共有200多种,其中可以从水和热量直接产生氢气和氧气的过程包括:氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫碘循环、铜氯循环、混合硫循环等等,都有待进一步研究。多个国家都有实验室着力研究可以从太阳能和水生成氢气的热化学方法。

无氧腐蚀作用

在无氧条件下,铁和合成钢会被水分子中的质子缓慢氧化,而水则会还原成分子氢。在铁的无氧腐蚀过程中,首先形成的是氢氧化亚铁Fe(OH)2{\displaystyle{\ce{Fe(OH)2}}},又称绿锈):

Fe+2H2O⟶Fe(OH)2+H2{\displaystyle{\ce{Fe + 2H2O -> Fe(OH)2 + H2}}}

水分子中的质子再对氢氧化亚铁进行无氧性氧化反应,产生磁铁矿(Fe3O4{\displaystyle{\ce{Fe3O4}}})和分子氢,是为西科尔反应英语Schikorr reaction

3Fe(OH)2⟶Fe3O4+2H2O+H2{\displaystyle{\ce{3Fe(OH)2 -> Fe3O4 + 2H2O + H2}}}

磁铁矿晶体的热力学稳定性比氢氧化亚铁高。

在缺氧地下水和位于地下水台以下具还原性的土壤中,铁和钢就是经过这一反应受无氧侵蚀的。

蛇纹石化反应

在地底深处缺乏大气氧气的环境下,铁橄榄石晶格中的硅酸铁会受到水分子中的质子的无氧性氧化,产生氢气,这叫蛇纹石化作用。除了氢气以外,反应还会产生磁铁矿(Fe3O4{\displaystyle{\ce{Fe3O4}}})和石英SiO2{\displaystyle{\ce{SiO2}}}):

3Fe2SiO4+2H2O⟶2Fe3O4+3SiO2+3H2{\displaystyle{\ce{3Fe2SiO4 + 2H2O -> 2Fe3O4 + 3SiO2 +3H2}}}

以上反应和氢氧化二铁的无氧腐蚀过程(西科尔反应)十分相似。

变压器

在变压器会产生的各种故障气体中,氢气是最常见的一种,在大部分故障情况下都会形成。所以,探测到氢气,意味着变压器可能出现了严重的问题。

应用

氢气可用于石化或矿物加工,如加氢脱烷基反应、加氢脱硫反应和裂化反应等。它也可以用作工业辅助物质及能量载体。氢作为能量载体目前已经有了初期应用,如氢动力汽车、核聚变发电技术等。

生物过程

某些类型的无氧代谢反应会产生氢气。会释出氢气的微生物一般以含铁或含镍的氢化酶作为催化剂,进行以下的可逆氧化还原反应:

H2↽−−⇀2H++2e−{\displaystyle{\ce{H2 <=> 2H+ +2e-}}}

丙酮酸盐发酵成水的过程中,还原当量(任何在氧化还原反应中可转移单个电子的化学物)转移时会产生氢气。生物体内氢的自然产生和消耗称为氢循环。

所有光和生物所进行的光反应都会把水分解成质子、电子和氧气。在某些生物中,如莱茵衣藻英语Chlamydomonas reinhardtii和蓝绿藻等,演化出了“暗反应”的第二阶段:质子和电子通过叶绿体的特殊氢化酶还原成氢气。一些科学家正在研究用基因改造方法,使水藻和蓝绿藻的氢化酶在有氧环境下也能高效合成氢气。

安全

氢在不同情况下都会对人体造成危险。与空气混合时,氢气会轻易燃烧和爆炸,而纯氢气则会使人窒息。泄漏到空气中的氢气无色无味,且可以自燃,产生高温但无色的火焰,因此有意外灼伤的可能性。液氢的温度极低,所以和其他低温液体一样有一定的危险性,比如会引致冻伤。氢气可以溶解在多种金属之中,除了可能的泄漏以外,氢气还会造成金属的氢脆现象,引致材料爆裂。

氢的许多性质都受到了其自旋异构体(正氢和仲氢)比例的影响。不少数据所描述的是处于平衡态的氢气,但氢气有时需要几天乃至几周的时间才会达致平衡,所以它的安全数据可能和现实中的氢气有所差别。另外,容器的形状,也会大大影响氢气的爆炸临界温度和压力。

注释

  1. 宇宙中绝大部分的质量并不是由重子或化学元素组成。参见:暗物质和暗能量。
  2. 286kJ/mol:每摩尔可燃烧物质(氢分子)所产生的能量

参见

  • 反氢
  • 氢的同位素
  • 氢气

参考文献

资料专题:氢参考文献

延伸阅读

关于Hydrogen
的图书馆资源
  • Chart of the Nuclides17th. Knolls Atomic Power Laboratory. 2010[2016-01-08].ISBN978-0-9843653-0-2. (原始内容存档于2016-01-10).
  • Ferreira-Aparicio, P; Benito, M. J.; Sanz, J. L. New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers. Catalysis Reviews. 2005,47(4): 491–588.doi:10.1080/01614940500364958.
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外部链接