氢：历史，结构，性质和用途 - 化学 - 2025

的氢是由符号H的原子是最小的所有的，并且是所表示的化学元素一个启动周期表，无论在哪里被定位。它由双原子H ₂分子（不是孤立的H原子）组成的无色气体组成。像氦，氖，氩等稀有气体

在所有元素中，它可能是最具标志性和最杰出的元素，不仅因为其在陆地或激烈条件下的特性，而且还因为其丰富而多样的化合物。氢气是一种气体，尽管在没有火的情况下是惰性的，但易燃且危险；而水H ₂ O是通用的生命溶剂。

红色的气瓶用来储存氢。资料来源：法马汀

氢气本身并没有表现出任何值得赞赏的视觉特性，它们只是储存在钢瓶或红瓶中的一种气体。但是，正是由于它的特性和与所有元素结合的能力，氢才变得特别。所有这一切，尽管事实上它只有一个价电子。

如果氢气没有存储在其各自的钢瓶中，它将在许多上升反应时逃逸到太空中。尽管它在我们呼吸的空气中，在地球外部以及在宇宙的其余部分中的浓度很低，但它是最丰富的元素，存在于恒星中，被认为是其构造单位。

另一方面，在地球上，它约占其总质量的10％。为了可视化这意味着什么，必须考虑到行星表面实际上被海洋覆盖，并且除所有生物之外，还存在于矿物，原油和任何有机化合物中。

像碳一样，所有生物分子（碳水化合物，蛋白质，酶，DNA等）都具有氢原子。因此，有很多来源可以提取或生产它。但是，很少有代表真正盈利的生产方法。

历史

标识和名称

尽管在1671年罗伯特·博伊尔（Robert Boyle）首次目睹了铁屑与酸反应时形成的气体，但英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）于1766年将其鉴定为新物质。“易燃空气”。

卡文迪许发现，当这种可燃的空气燃烧时，就会产生水。根据他的工作和结果，法国化学家Antoine Lavoisier在1783年将这种气体命名为氢气。从词源上讲，其含义源自希腊语“水”和“基因”：形成水。

电解和燃料

1800年后不久，美国科学家威廉·尼科尔森（William Nicholson）和安东尼·卡莱尔（Anthony Carlisle）爵士发现水可以分解为氢和氧。他们发现了水的电解。后来，在1838年，瑞士化学家克里斯蒂安·弗里德里希·舍恩贝因（Christian Friedrich Schoenbein）提出了利用氢气燃烧来发电的想法。

氢的普及使得甚至作家朱尔斯·凡尔纳（Jules Verne）在他的《神秘岛》（The Mysterious Island，1874年）一书中也将氢作为未来的燃料。

隔离

1899年，苏格兰化学家詹姆斯·杜瓦（James Dewar）率先将氢分离为液化气，他本人能够将其冷却到足以使其固相化。

两个通道

从这一点开始，氢的历史呈现出两个通道。一方面，它在燃料和电池领域的发展；另一方面，了解其原子的结构以及它如何表示为量子物理学打开大门的元素。

结构和电子配置

双原子氢分子。资料来源：Benjah-bmm27

氢原子很小，只有一个电子形成共价键。当这些原子中的两个原子结合时，它们会生成一个双原子分子H ₂。这是分子氢气（上图）。每个白色球体对应一个单独的H原子，全局球体对应于分子轨道。

因此，氢实际上由通过伦敦散射力相互作用的很小的H ₂分子组成，因为它们是同核的，因此缺少偶极矩。因此，由于没有足够强大的分子间力来减慢它们的速度，它们非常“躁动”并在空间中迅速扩散。

氢的电子构型仅为1s ¹。这个1s的轨道是求解著名的氢原子Schrödinger方程的产物。在H _2中，根据分子轨道理论（TOM）_，两个1s轨道重叠以形成两个分子轨道：一个键合而另一个反键合。

这些轨道允许或解释的离子的存在ħ ₂ ⁺或H ₂ ^-; 然而，氢化学用H正常条件下所定义₂或H ⁺或H ^-离子。

氧化数

从氢的电子构型1s ¹，很容易预测其可能的氧化数。当然，请记住，高能2s轨道不可用于化学键。因此，在基础状态下，氢的氧化数为0，H ⁰。

如果它失去了它只有电子的1s轨道保持为空和氢阳离子或离子，H ⁺，用在几乎任何液体介质流动性大而形成; 尤其是水。在这种情况下，其氧化数为+1。

而当相反的情况发生时，即获得一个电子，该轨道现在将具有两个电子，并将变为1s ²。然后氧化数变为-1，和对应于氢化物阴离子，H ^- 。值得注意的是，满足h ^-是等电子的惰性气体氦，他; 也就是说，这两个物种具有相同数量的电子。

总之，氢的氧化数为：+1、0和-1，并且H ₂的分子具有两个氢原子H ⁰。

相数

由于先前暴露的原因，至少在陆地条件下，氢的优选相是气态相。但是，当温度下降到-200°C左右时，或者压力增加到大气压力的数十万倍时，氢会分别凝结或结晶成液相或固相。

在这些条件下，H ₂分子可以以不同方式排列以定义结构模式。伦敦散射力现在变成高度定向的，因此出现了H ₂对采用的几何形状或对称性。

例如，两对H ₂等于写（H ₂）₂定义对称或不对称的正方形。同时，三对H ₂或（H ₂）₃对定义了一个六边形，与石墨晶体中的碳非常相似。实际上，该六方相是固体氢的主要或最稳定的相。

但是，如果固体不是由分子而是由H原子组成的，该怎么办？然后，我们将处理金属氢。回忆起白色球体，这些H原子可以定义液相和金属固体。

物产

外观

氢是一种无色，无味和无味的气体。因此，泄漏会导致爆炸的危险。

沸点

-253摄氏度

熔点

-259摄氏度

闪点和稳定性

如果在气体附近有火花或热源，它几乎在任何温度下都会爆炸，甚至阳光也可以点燃氢气。但是，只要储存良好，它就是反应性差的气体。

密度

0.082克/升 它比空气轻14倍。

溶解度

在21ºC水中为1.62 mg /L。一般来说，它不溶于大多数液体。

蒸汽压力

在25°C下为1.24·10 ⁶ mmHg。该值给出了氢气瓶必须关闭以防止气体逸出的想法。

自燃温度

560v°C。

电负性

鲍林规模为2.20。

燃烧热

-285.8 kJ / mol。

汽化热

0.90 kJ /摩尔

熔化热

0.117 kJ /摩尔

同位素

“正常的”氢原子是¹ H的pro，约占氢的99.985％。其他两个同位素此元素是氘，² H，和氚，³ H.这些不同之处的中子数; 氘有一个中子，而tri有两个。

自旋异构体

分子氢有两种类型，H ₂：邻氢和对氢。在第一个中，H原子的两个自旋（质子）朝向相同的方向（它们平行）。而在第二个中，两个自旋方向相反（它们是反平行的）。

对氢是两种异构体中更稳定的一种。但是随着温度的升高，邻：对比例变为3：1，这意味着氢-邻位异构体占主导地位。在非常低的温度（远接近绝对零值20K）下，可以获得纯净的对氢样品。

命名法

氢的命名法是最简单的命名法之一。尽管无机或有机化合物的使用方法不同。除“氢”外，H ₂还可以用以下名称称呼：

-分子氢

-二氢

-双原子氢分子。

H ⁺离子的名称是质子或氢离子；如果在水性介质H ₃ O ⁺中，则为水合氢阳离子。而H ^-离子是氢化物阴离子。

氢原子

玻尔行星模型代表的氢原子。资料来源：

氢原子是所有原子中最简单的一个，通常如上图所示：带有单个质子（¹ H）的核，被一个吸引电子的轨道包围。元素周期表中其他元素的所有原子轨道均已在该原子上构建并估算。

对于当前对原子的理解，更忠实的表示形式是球形，其外围由电子和电子的概率云（其1s轨道）定义。

在哪里找到和生产

恒星领域：取之不尽的用之不竭的氢之源。资料来源：

氢虽然比碳的程度要小，但毫无疑问可以说是无处不在的化学元素。在空气中，形成了填充海洋，海洋和我们身体的水的一部分，其中包含原油，矿物质以及被组装以产生生命的有机化合物。

只需浏览任何化合物库即可在其中找到氢原子。

问题不是多少，而是多少。例如，分子H ₂在太阳光的入射下非常易挥发，并具有反应性，而太阳光在大气中非常低。因此，它会做出反应以加入其他元素，从而获得稳定性。

在宇宙中更高的位置，氢主要被发现为中性原子H。

实际上，氢在金属和凝聚相中被认为是恒星的构建单元。由于它们的数量不可估量，并且由于其坚固性和巨大的尺寸，它们使该元素在整个宇宙中含量最高。据估计，已知物质的75％对应于氢原子。

自然

收集散布在太空中的氢原子听起来是不切实际的，并且无法将它们从太阳或星云的外围中提取出来。在地球上，其条件迫使该元素以H _2的形式存在，可以通过自然或地质过程生产。

例如，氢具有其自身的自然循环，其中某些细菌，微生物和藻类可以通过光化学反应产生氢。自然过程的扩展以及与此平行的过程包括使用生物反应器，其中细菌以碳氢化合物为食，释放其中所含的氢。

生物也是氢的产生者，但程度较小。如果不是这种情况，就不可能解释它如何构成肠胃气胀的气体成分之一。过度证明是易燃的。

最后，应该提到的是，在厌氧条件下（没有氧气），例如在地下层，矿物质可以与水缓慢反应生成氢。Fayelita的反应证明了这一点：

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O→2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

产业

尽管生物氢是工业规模生产这种气体的替代方法，但最常用的方法实际上是从含有氢的化合物中“除去”氢，从而使氢原子结合并形成H ₂。

生产它的最不环保的方法是使焦炭（或木炭）与过热蒸汽反应：

C（s）+ H ₂ O（g）→CO（g）+ H ₂（g）

同样，天然气已用于此目的：

CH ₄（克）+ H ₂ O（克）→CO（克）+ 3H ₂（克）

而且由于焦炭或天然气的数量巨大，因此通过这两个反应中的任何一个生产氢气都是有利的。

另一种获得氢气的方法是对水施加放电，以将其分解成元素（电解）：

2 H ₂ O（l）→2 H ₂（g）+ O ₂（g）

在实验室

分子氢可以在任何实验室中少量制备。为此，必须在烧杯或试管中使活性金属与强酸反应。可观察到的鼓泡是氢形成的明显标志，由以下一般方程式表示：

M（s）+ nH ⁺（aq）→M ^{n +}（aq）+ H ₂（g）

其中，n是金属的化合价。例如，镁与H ⁺反应生成H ₂：

镁+ 2H ⁺（水溶液）→镁²⁺（水溶液）+ H ₂（克）

反应

氧化还原

氧化数本身提供了氢如何参与化学反应的第一印象。为H ₂反应时，可以保持不变，或者分裂成H ⁺或H ^-离子，这取决于物种它与结合; 如果它们比它具有更大的负电性。

由于H ₂的共价键HH的强度，它的反应性不是很高。但是，这绝不是它与几乎所有元素周期表中的元素反应并形成化合物的绝对障碍。

其最著名的反应是与氧气反应生成水蒸气：

H ₂（克）+ O ₂（克）→2H ₂ O（克）

这就是它与氧气形成稳定的水分子的亲和力，甚至可以与某些金属氧化物中的O ^2-阴离子发生反应：

H ₂（g）+ CuO（s）→Cu（s）+ H ₂ O（l）

氧化银也会发生反应或被相同的反应“还原”：

H ₂（g）+ AgO（s）→Ag（s）+ H ₂ O（l）

这些氢反应对应于氧化还原类型。即，还原氧化。氢在氧气和反应性比其低的金属的金属氧化物中均被氧化；例如，铜，银，钨，汞和金。

吸收性

一些金属可以吸收氢气以形成金属氢化物，这些金属氢化物被认为是合金。例如，过渡金属（例如钯）吸收大量的H _2，类似于金属海绵。

对于更复杂的金属合金也是如此。以此方式，氢气可以通过其气瓶以外的方式存储。

加成

有机分子还可以通过不同的分子机制和/或相互作用来“吸收”氢。

对于金属，H ₂分子在其晶体内被金属原子包围；而在有机分子中，HH键断裂形成其他共价键。从更正式的意义上说：氢不被吸收，而是被添加到结构中。

最典型的例子是在烯烃或炔烃的双键或三键上分别添加H ₂：

C = C + H ₂ →HCCH

C≡C+ H ₂ →HC = CH

这些反应也称为氢化。

氢化物形成

氢与元素直接反应形成称为氢化物的一族化合物。它们主要有两种类型：盐水和分子。

同样，也有金属氢化物，它们由当这些金属吸收氢气时已经提到的金属合金组成。以及具有键EH的网络或链的聚合物基，其中E表示化学元素。

盐水

在盐水中的氢化物，在离子键合的氢化物阴离子，H氢参与^- 。为了形成这种结构，元素必须具有较低的负电性。否则，它不会将电子释放给氢。

因此，只有当氢与高度正电的金属（例如碱金属和碱土金属）反应时，才会形成氢化钠。

例如，氢与金属钠反应生成氢化钠：

2Na（s）+ H ₂（g）→2NaH（s）

或与钡产生氢化钡：

Ba（s）+ H ₂（g）→BaH ₂（s）

分子

分子氢化物比离子氢化物更好。当氢与卤素反应时，它们也称为卤化氢HX：

Cl ₂（g）+ H ₂（g）→2HCl（g）

氢以H ⁺参与共价键; 因为，两个原子之间的电负性之间的差异不是很大。

水本身可以被视为氢化氧（或氧化氢），其形成反应已被讨论。与硫的反应非常类似，会产生有臭气体硫化氢：

S（s）+ H ₂（g）→H ₂ S（g）

但是在所有的分子氢化物中，最著名的（也许是最难合成的）是氨：

N ₂（克）+ 3H ₂（克）→2NH ₃（克）

应用领域

在上一节中，已经解决了氢的主要用途之一：作为发展合成的原料，无机或有机。控制这种气体通常没有其他目的，只能使其反应生成除从中提取的化合物以外的其他化合物。

原材料

-它是合成氨的试剂之一，从制造化肥开始，甚至作为将药物硝化的原料，氨又有无数的工业应用。

-它旨在与一氧化碳反应，从而大量产生甲醇，这是一种对生物燃料非常重要的试剂。

还原剂

-它是某些金属氧化物的还原剂，这就是为什么将其用于冶金还原的原因（已经在铜和其他金属的情况下进行了解释）。

-减少油脂以生产人造黄油。

石油工业

在石油工业中，氢气用于在炼油工艺中“加氢处理”原油。

例如，它试图将大分子和重分子分成市场需求更大的小分子（加氢裂化）；释放捕获在卟啉笼中的金属（加氢脱金属）；除去作为H ₂ S的硫原子（加氢脱硫）；或还原双键以产生富含石蜡的混合物。

汽油

氢本身是火箭或航天器的极好燃料，因为少量的氢与氧气反应时会释放出大量的热量或能量。

在较小规模上，该反应用于设计氢电池或电池。但是，这些电池面临着无法正确存储这种气体的困难。以及完全摆脱燃烧化石燃料的挑战。

从积极的一面来看，用作燃料的氢气仅释放水；而不是代表对大气和生态系统污染的气体。

参考文献

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