氢气 （最轻的气体）

发现历史

16世纪，瑞士医生帕拉赛斯·菲利普斯·奥利奥卢斯（Paracelsus Philippus Aureolus）发现当铁屑投入到硫酸会生成一种气体，这个气体就是氢气。17世纪，比利时科学家范·海尔蒙特（van Helmont）说过“干馏有机物会生成可燃气体”，该可燃气体就是甲烷、氢气、一氧化碳的混合物。17世纪中叶，英国化学家罗伯特·波义尔（Robert Boyle）将装满稀硫酸的长颈瓶倒置在同样盛有硫酸的液面上，将铁粒投入到大瓶里，一段时间后，长颈瓶中收集到一种气体，该气体即为氢气。这些科学家均未对氢气有进一步的研究。

英国化学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）是历史上公认的氢气发现者。1766年，卡文迪许发表的一篇研究报告《论人工空气》中描述利用一定量的铁、锌金属与足量的酸（如稀硫酸、稀盐酸）反应可制得“可燃空气”（即氢气）。他利用排水法将该气体收集起来进行了仔细研究，发现该气体与空气混合后遇火星会爆炸。然而，卡文迪许由于受到燃素说的影响，始终认为这种气体是一种燃素。直到1787年，法国化学家安托万-洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）正式提出氢是一种元素并对其命名为“hydrogenium”。

1808年，英国物理学家约翰·道尔顿（John Dalton）在前人发现的基础上，创立了新的原子学说，主张用原子来解释各种化学现象，并且首次在化学领域引用原子量的概念，认为每种元素的原子重量是不变的。1811年，意大利化学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro）提出分子假说，分子是由原子构成的，双原子分子是由两个原子构成的，而稀有气体这类单原子分子则是由单子原子构成的。1858年，意大利化学家斯塔尼斯劳·康尼查罗（Stanislao Cannizzaro）对分子假说进行了验证。至此，确定了氢气是一种双原子分子组成的单质。

化学结构

H₂是H元素的单质形态，是最轻的双原子分子。每一个H原子在1s原子轨道上有一个电子，H₂分子的成键模型可以描述为两个H原子分别提供一个电子形成共价键。当两个H原子的核间距达到一定值时，体系能量达到最小值，此时平衡距离为0.0746 nm，键能为4.52 eV。

两个H原子的1s原子轨道可以线性组合成σ₁s（成键分子轨道）和σ₁s*（反成键分子轨道）。当电子进入成键分子轨道时，系统能量降低，电子进入反键分子轨道时，系统能量升高。两个H原子提供的两个1s电子会以自旋相反的方式进入能量较低的σ₁s成键分子轨道，形成1个以σ键结合的H₂分子，其分子轨道排布式为H₂[(σ₁s)²]。

由于原子核的自旋不同，氢气会形成两种不同的自旋异构体。当两个原子核自旋方向相同时，为正氢；当两个原子核自旋方向相反时，为仲氢。氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物，室温下，氢气由75％正氢和25％仲氢构成。正氢和仲氢之间可以相互转换，当温度降低时，正氢会转换为仲氢，并释放出热量。

理化性质

物理性质

常温常压下，H₂是一种无色、无味、无毒的气体，具有体积小、分子量小、黏度低、抗磁性的特点。在100 kPa时，熔点为-259.2 ℃，沸点为-252.8 ℃，在25 ℃时的蒸气压为1.6×10⁵ kPa，在0 ℃，101.325 kPa的密度为0.08987 g/L，难溶解于水中，在21 ℃时水中溶解度仅为1.62 mg/L，爆炸极限为4.0%-75.6%。

同素异形体

由于氢元素具有多种同位素（如H、D、T），这使得氢气的原子组成也会大不相同，其中比较常见的有H₂、D₂、T₂、HD、HT、DT。

表2：氢气同素异形体的三相点与临界点

氢有H、H₂、H₃和金属氢四种同素异形体。H₃是由三个H原子构成的不稳定分子，一般化学反应中不能形成，但是可以利用H₂轰击处在基态的H原子而得到。H₃极易失去电子形成H₃⁺离子，H₃⁺是最简单的稳定多原子分子，H₃⁺广泛存在于宇宙中，已在木星、天王星、土星等行星中探测到。金属氢是氢另一种不常见的同素异形体，在高压下，固体氢可以从绝缘相转变为金属导电相。金属氢拥有良好的导电性、导热性以及高密度、高超导转变温度，并且储存着巨大的能量。有学者认为木星、土星等行星中存在着金属氢。

化学性质

氢气的可燃性

氢气具有可燃性，能在空气或氧气中燃烧，发出淡蓝色的火焰，燃烧中释放热量。氢气的爆炸极限是4.0%-75.6%（体积浓度），即氢气在空气中的体积浓度在该极限之间时，遇火源就会爆炸，因此氢气在点燃前需要验纯。

氢气可以与不饱和化合物（如含双键、三键、醛基化合物）发生加成反应，对于不饱和数目较多（n≥2）的化合物时，在不同的催化条件下可获得不同产物。

双氢配合物

双氢配合物是包含完整氢分子作为配体的配位化合物。自从1984年首次发现无解离的双氢配位以来，已报道了数百个双氢配合物，如[IrH₂(H₂)₂(PCy₃)₂]⁺、Cr(CO)₄(H₂)₂、RuH₂(H₂)₂(PCy₃)₂、W(CO)₃(PCy₃)₂(H₂)等。双氢配合物大多数都是过渡金属离子形成配合物。

制备方法

实验室制氢方法

①活泼金属（如金属Ca、Na、Mg）与水或其他质子溶剂（如醇、液氨等）反应。

除直接电解水外，电解饱和食盐水（氯碱工业）也可得到副产品氢气。

合成工业级化合物

氢气可以作为氨、盐酸、甲醇等多种工业产品的合成原料。氢气可以通过Haber-Bosch法在高温高压催化剂的条件下固定氮生成氨，氨是制作植物肥料、硝酸及硝酸盐重要原料之一。

由于氢气具有可燃性，与氯气可发生燃烧反应，生成氯化氢气体，溶于水制得盐酸。

氢气与一氧化碳可以制备粗甲醇，粗甲醇再经过精馏和化学处理提纯。

医疗领域

氢是一种尚未在医学广泛使用的物质，但经研究发现，它可以应用于多种疾病的治疗。氢拥有较强穿透性和极强的自由扩散能力，可以快速通过细胞膜并在体内扩散。再加上氢较强的还原性，使其具有选择性地抗氧化、抗炎、抗细胞凋亡等作用。氢可以通过吸入、含氢溶液静脉注射等多种手段应用于疾病的治疗。

氢气在癌症治疗中的作用

氢气不仅可以缓解常规化疗药物引起的副作用，也可以抑制癌细胞的生长。在化疗期间，体内会产生过量的活性氧（ROS），由于其高反应活性，会攻击细胞中的蛋白质、脂质等，导致细胞损伤或凋亡，氢气可以调节某些能消除ROS的抗氧化酶。前期氢气会使ROS水平下降，但由于补偿效应，后期ROS的增加反而会导致癌细胞的死亡。加上氢气的抗炎症特性，会缓解化疗后的不良反应。不仅如此，经研究，分子氢能够抑制胸腺淋巴瘤的生长速率，含氢盐水可以促进癌细胞凋亡，增加普通细胞存活率。

氢气对器官缺血再灌注损伤的保护作用

缺血再灌注（Ischemia-Reperfusion）损伤是组织或器官在缺血的基础上，由于血液和氧气重新供应所发生的不可逆性损伤。2007年，日本科学家Oshawa等人发现氢可以通过选择性地减少细胞毒性的羟基自由基（·OH），作为一种治疗性抗氧化剂保护神经元，改善脑缺血再灌注损伤。

经不断地研究可知，氢对心脏、肺、肝、肠和肾的缺血再灌注损伤均有器官保护功能，因为氢气具有抗氧化能力，可以减少体内的自由基或ROS，抑制氧化应激反应，从而保护组织免受损坏。

氢气在肾病治疗中的作用

顺铂是治疗癌症广泛使用的一种化合物，但顺铂的大量使用可能会造成肾毒性。然而吸入氢气或者饮用含氢水，可以对顺铂有保护作用，改善由顺铂引起的肾功能不全。富氢盐水对II型糖尿病也具有良好的治疗效果，不仅可以改善患者的胰岛素抵抗、促进脂类和葡萄糖的代谢，而且可以缓解糖尿病所引起的肾脏炎症反应。

安全事宜

危险性

氢气是极端易燃气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸。在铂及其它金属催化剂上，氢气和氧气在常温下即能发生爆炸反应。与氧化剂、卤素（氟、氯、溴、碘）、乙炔、氧化氮等化合物接触后，在一定条件下会剧烈反应，甚至爆炸。所以需要避免在静电、热、潮湿的环境下储存，不能与强氧化剂、卤素等物品接触。

消防相关

由氢气引发的火灾应用水雾、干粉、泡沫或二氧化碳灭火剂灭火。避免使用直流水灭火，直流水可能导致可燃性液体的飞溅，使火势扩散。当火灾发生时，应迅速切断气源。若不能立即切断气源，则不能熄灭泄漏处的火焰，应喷水冷却燃烧容器和临近容器，尽可能将容器从火场移至空旷处，防止容器受热爆炸。

急救措施

当吸入少量氢气时，应立即转移至新鲜空气处。皮肤和眼睛与液氢接触冻伤时，用大量水冲洗，冲洗后立即前往医院。当不小心误食时，立即漱口，禁止催吐，并前往医院就医。