一種化學元素,化學符號 H,原子序數1,原子量1.00794,屬週期系ⅠA 族。元素英文名來源於希臘文hydro-和genēs,原意是“水素”。

  發現 1766年由英國化學傢H.卡文迪什發現,他稱之為可燃空氣,並證明它在空氣中燃燒生成水。1787年法國化學傢A.-L.拉瓦錫證明氫是一種單質並命名。

  存在> 氫在地殼中的豐度很高,按原子組成占15.4%,但由於它最輕,重量組成僅占1%。在宇宙中,氫是一種最豐富的元素,星球內氫核聚變是輻射能量的來源。在地球上化合態氫主要存在於水和有機物,如石油、煤炭、天然氣和生命體中,在火山氣和礦泉水中也有少量氫與氮、硫、鹵素的化合物。

  氫有三種同位素:氫1(氕)、氫2(氘)和氫3(氚),在普通氫中,氫1的同位素豐度為99.985%,氫2的為0.0148%,每1017個氫原子中隻有不到1個氫3。

  物理性質 氫在通常條件下為無色、無臭、無味的氣體;氣體分子由雙原子組成;熔點-259.14℃,沸點-252.8℃,臨界溫度33.19K,臨界壓力12.98大氣壓,氣體密度0.0899克/升;水中溶解度21.4厘米3/1000克水(0℃),稍溶於有機溶劑。

  化學性質 在常溫下,氫比較不活潑,但可用合適的催化劑使之活化。在高溫下,氫是高度活潑的。它在2000K時的分解百分數僅為0.08,5000K時則為95.5。氫的氧化態為+1、-1。氫氣的主要反應如下(R為烷基):

 

  化合物 有機化合物一般均含氫。無機化合物中含氫化合物也很多,例如酸類HX(X為鹵族元素)或含氧酸,堿類MOH(M為金屬),酸式鹽NaHCO3KHSO4等。水是最重要的二元氫化物。除稀有氣體元素外,幾乎所有的元素都與氫生成整比的或非整比的化合物。非金屬的氫化合物常稱為某化氫,如鹵化氫、硫化氫;金屬元素的氫化物稱為金屬氫化物,如氫化鋰、氫化鈣等。氫化物分以下幾類:①離子型氫化物MH、MH2包括周期系ⅠA、ⅡA(不包括鈹)的金屬氫化物;②過渡型非整比間充氫化物MHx(x常為非整數),包括周期系ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ等各族元素的氫化物;③中間型氫化物MHx,包括周期系ⅠB、ⅡB族和銦、鉈、鉛等元素的氫化物;④共價型氫化物(R′H3)x、R′H4H3R′、H2R′、R′H,包括周期系ⅢA族的硼、鋁、鎵,ⅣA族的碳、矽、鍺、錫和ⅤA、ⅥA、ⅦA等族元素的氫化物(R′為以上各族元素)。

  還有一類重要的配合氫化物MMⅢH4,其中M為Li、Na、K、Rb、Cs等一價金屬;MⅢ為B、Al、Ga、In等三價金屬;並以氫化鋁鋰LiAlH4和硼氫化鈉NaBH4為最重要。

  制法 氫氣的實驗室制法包括:①活潑金屬如鈉汞齊或鈣與水的反應;②鋅與鹽酸或稀硫酸的反應;③鋁或矽(矽鐵)與氫氧化鈉溶液的反應;④金屬氫化物如LiH、CaH2LiAlH4與水的反應,野外制備氫常用氫化鈣。

  氫氣的工業制法主要有:①水的電解,用鍍鎳的鐵電極電解15%的氫氧化鉀水溶液,可生產出純凈氫氣。氯堿工業中,在電解食鹽水時可副產氫氣。近年來又發展瞭高溫電解水蒸氣工藝,可節省20%電力。②從天然氣或裂解石油氣制氫氣,這是現在制氫的主要方法,反應如下:

③從焦煤或白煤制氫氣,又稱水煤氣法,這是中國小型合成氨生產裝置采用的方法,反應如下:

副產的二氧化碳經分離可用於制純堿和尿素。④用熱化學循環法分解水制氫氣,本法是使用各種不同循環試劑,使水在熱化學循環過程中分解為氫氣和氧氣。現已研究出數百種熱循環法,如硫-碘法利用如下反應循環(反應式中g為氣體,l為液體,s為固體,aq為水溶液):

SO2I2在反應循環中反復化合和再生,使水在循環中分解,先後生成氫氣和氧氣。反應最高溫度約為1000℃。此反應循環時熱能消耗仍過高,最近研究使用氧化鎂作循環試劑,使硫-碘熱化學循環的水分解溫度降至995℃,總轉化率達到29.5%。

  應用 氫氣是重要的工業原料,又是未來的能源(見氫能源)。