商品介绍

氢气H2

氢气H2

氢气H2,气态,无色无味,可燃性。

氢气的由来

氢是原子序数为1的化学元素,化学符号为H,在元素周期表中位於第一位。其原子质量为1.00794u,是最轻的,也是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙质量的75%[1]。恒星通常由电浆态的氢构成。在地球上,游离态的氢单质罕见。

氢最常见的同位素是氕,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 H− 构成氢化物,也可以失去一个电子成为 H+。H+阳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,存在於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。

氢气 (H2) 最早与16世纪初被人工合成,当使用的方法是将金属置於强酸中。1766–81年,亨利·卡文迪许发现氢气是一种与以往所发现气体不同的另一种气体 ,在燃烧时产生水,这一性质也决定了拉丁语 「hydrogenium」 这个名字(「生成水的物质」之意)。常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。

氢气可以置换出多种金属,使得氢气的存储罐和管道之设计更加复杂。


性质

燃烧

氢气与氧气混合而燃烧,放出接近无色的火焰氢气是一种极易燃的气体,在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。氢气燃烧的焓变为−286 kJ/mol:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
氢气占4%至74%的浓度时与空气混合,或占5%至95%的浓度时与氯气混合时是极易爆炸的气体,在热、日光或火花的刺激下易引爆。氢气的著火点为500 °C[8]纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线。

因为氢气比空气轻,所以氢气的火焰倾向於快速上升,故其造成的危害小於碳氢化合物燃烧的危害。氢气与所有的氧化性元素单质反应。氢气在常温下可自发的和氯气(需要光照)和氟气发生剧烈的燃烧反应,生成据有潜在危险性的酸氯化氢或氟化氢。


电子能级

主条目:氢原子

氢原子示意图氢原子的电子能级的基态是 −13.6 eV,大概约等於一个波长 92 nm 的紫外线光子。

氢原子的能级可由玻尔模型较为准确的计算出。玻尔模型将电子和质子的关系理想化为地球和太阳的关系,只不过电子的向心力由质子和电子的电磁力产生。在量子力学早期,玻尔提出了角动量离散化的假设,故玻尔模型中的电子只能占据离质子特定距离的轨道,也只能具有特定的能量。

由量子力学中的薛丁格方程或与之等价的费曼路径积分表述来计算质子周围位置电子出现的机率密度,可以更准确的刻画氢原子的结构。


化合物

共价及有机化合物

虽然氢气在通常状态下不是非常活泼,但氢气与绝大多数元素会组成化合物。碳氢化合物已知有数以百万种,但它们不会由氢气和碳直接化合形成。氢气与电负性较强的元素(如卤素)反应,在这些化合物中氢的氧化态为+1。氢与氟、氧、氮成键时,可生成一种较强的非共价的键,称为氢键。氢键对许多生物分子具有重要意义。氢也与电负性较低的元素(如金属)生成化合物,这时氢的氧化态通常为 -1,这样的化合物称为氢化物。

氢气与碳形成的化合物,由於其与生物的关系,通常被称为有机物,研究有机物的学科称为有机化学,而研究有机物在生物中所起的作用的科学称为生物化学。按某些定义,「有机」只要求含有碳。但大多数含碳的化合物通常都含有氢。这些化合物的独特性质主要是由碳氢键决定的。故有时有机物的定义要求物质含有碳氢键。

无机化学中,H- 可以作为桥接配体,连接配合物中的两个金属原子。这样的特性通常在13族元素中体现,尤以硼烷、铝配合物和碳硼烷中。

氢化物

含有氢元素的二元化合物称为氢化物。「氢化物」一词暗含氢显负价,且其氧化态为-1的意思。氢负离子记做H-,其存在是1916年由吉尔伯特·路易斯预言的。1920年Moers用电解氢化锂,在阴极产生氢气,从而证明了氢化物的存在。对於非IA或IIA族的元素形成的氢化物,「氢化物」一词并不准确,因为氢的电负性并不高。IIA族硷土金属的氢化物中有一个例外,即高聚物氢化锂。氢化铝锂中4个氢原子紧靠铝原子。虽然氢可与几乎所有的主族元素形成氢化物,但这些氢化物的原子配比却并不单一,例如二元的硼烷已发现100多种,但氢化铝只有一种。二元氢化铟还未被发现,但它存在於更大的配合物中。

质子与酸

另见:酸硷反应
对氢院子的氧化,也即让氢原子失去其电子,即可得到 H+ (氢离子)。氢离子不含电子,由於氢原子通常不含中子,故氢离子通常只含1个质子。这也就是为什么常将 H+ 直接称为质子的原因。 H+ 是酸硷理论的重要离子。

裸露的质子 H+ 不能直接在溶液或离子晶体中存在,这是由氢离子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。除非在电浆态物质中,氢离子不会脱离分子或原子的电子云。但是,「质子」或「氢离子」这个概念有时也指带有一个质子的其他粒子,通常也记做 "H+" 。

为了避免认为溶液中存在孤立的氢离子,一般在水溶液中将水和氢离子构成的离子称为水合氢离子(H3O+)。但这也只是一种理想化的情形。氢离子在水溶液中事实上以类似於 H9O4+ 的形式存在。

发现

16世纪末期,瑞士化学家巴拉采尔斯把铁放在硫酸中,铁片和硫酸发生反应,放出许多气泡——氢气。但直到1766年,氢才被英国科学家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)确定为化学元素,当时称为可燃空气,并证明它在空气中与氧气燃烧生成水。因此氢气被认为是最理想的燃料,放热量多,无污染。(一说:1783年)1787年法国化学家拉瓦锡(Antoine Lavoisier)证明氢是一种单质并给它命名。

名称由来

希腊语hydro(水)+genes(造成),意即「产生水」的物质。
中文原称「氢气」为「轻气」,「氢」属以后新造的形声字。
日语及朝鲜语循希腊语原义,称为「水素」。

分布

在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里,如果按质量计算,氢只占总质量的1%,而如果按原子百分数计算,则占17%。氢在自然界中分布很广,水便是氢的「仓库」——以重量百分比计算,水中含11%的氢;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,约占总体积的两百万分之一。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,氢占93%。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。

制备

工业法有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法、炼厂气提取法。

蒸气重组法

蒸气重组法是工业上最广为应用的。它使用了低碳素的碳氢化合物。

过程为:

CnHm + n H2O → n CO + (m/2 + n) H2
CO + H2O → CO2 + H2(水煤气变换反应)
这是放热过程。

其中蒸气甲烷重组(SMR)是最常用也最便宜的生产方法。它使用天然气为原料。在700–1100 °C,以金属为催化剂,水蒸气与甲烷反应产生一氧化碳和氢气:CH4+H2O→ CO + 3 H2。

电解

加入少量酸到纯水令水导电,再进行电解,可得氢气和氧气。

利用稀酸与金属反应

例如:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑

纯化

随著半导体工业、精细化工和光电纤维工业的发展,产生了对高纯氢的需求。例如,半导体生产工艺需要使用99.999%以上的高纯氢。但是目前工业上各种制氢方法所得到的氢气纯度不高,为满足工业上对各种高纯氢的需求,必须对氢气进行进一步的纯化。氢气的纯化方法大致可分为两类(物理法和化学法),六种方法。

同位素

主条目:氢的同位素
在众多元素中,只有氢的同位素拥有不同名称。

在自然界中存在的同位素有: 氕(1H)、氘(2H,D,重氢)、氚(3H,T,超重氢)

以人工方法合成的同位素有: 4H、5H、6H、7H。

用途

氢是重要工业原料,如生产合成氨和甲醇,也用来提炼石油,氢化有机物质作为收缩气体,用在氢氧焰熔接器和火箭燃料中。在高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他方法,产品的性质更易控制,同时金属的纯度也高。广泛用於钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、矽的生产。

由於氢气很轻,人们利用它来制作氢气球。氢气与氧气化合时,放出大量的热,被利用来进行切割金属。

利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量能生产杀伤和破坏性极强的氢弹,其威力比原子弹大得多。

现在,氢气还作为一种可替代性的未来的清洁能源,用於汽车等的燃料。为此,美国於2002年还提出了「国家氢动力计划」。但是由於技术还不成熟,还没有进行大批的工业化应用。2003年科学家发现,使用氢燃料会使大气层中的氢增加约4~8倍。认为可能会让同温层的上端更冷、云层更多,还会加剧臭氧洞的扩大。但是一些因素也可抵销这种影响,如使用氯氟甲烷的减少、土壤的吸收、以及燃料电池的新技术的开发等。

(1)氢气可以用於合成甲醇。

(2)氢气引擎 。

(3)合成氨、燃料电池。

(4)化石工业之应用等。