氢

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[外文]：hydrogen一种化学元素，化学符号H，原子序数1，原子量1.00794，属周期系ⅠA族。元素英文名来源于希腊文hydro-和genēs，原意是“水素”。发现1766年由英国化学家H.卡文迪什发现，他称之为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。1787年法国化学家A.-L.拉瓦锡证明氢是一种单质并命名。存在氢在地壳中的丰度很高，按原子组成占15.4%，但由于它最轻，重量组成仅占1％。在宇宙中，氢是一种最丰富的元素，星球内氢核聚变是辐射能量的来源。在地球上化合态氢主要存在于水和有机物，如石油、煤炭、天然气和生命体中，在火山气和矿泉水中也有少量氢与氮、硫、卤素的化合物。氢有三种同位素:氢1(氕)、氢2(氘)和氢3(氚)，在普通氢中，氢1的同位素丰度为99.985％，氢2的为0.0148％，每1017个氢原子中只有不到1个氢3。物理性质氢在通常条件下为无色、无臭、无味的气体；气体分子由双原子组成；熔点－259.14℃，沸点－252.8℃，临界温度33.19K，临界压力12.98大气压，气体密度0.0899克/升；水中溶解度21.4厘米3／1000克水(0℃)，稍溶于有机溶剂。化学性质在常温下，氢比较不活泼，但可用合适的催化剂使之活化。在高温下，氢是高度活泼的。它在2000K时的分解百分数仅为0.08，5000K时则为95.5。氢的氧化态为＋1、-1。氢气的主要反应如下(R为烷基)：化合物有机化合物一般均含氢。无机化合物中含氢化合物也很多，例如酸类HX（X为卤族元素）或含氧酸，碱类MOH（M为金属），酸式盐NaHCO3、KHSO4等。水是最重要的二元氢化物。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都与氢生成整比的或非整比的化合物。非金属的氢化合物常称为某化氢，如卤化氢、硫化氢；金属元素的氢化物称为金属氢化物，如氢化锂、氢化钙等。氢化物分以下几类：（1）离子型氢化物MH、MH2包括周期系ⅠA、ⅡA（不包括铍）的金属氢化物；（2）过渡型非整比间充氢化物MHx(x常为非整数)，包括周期系ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ等各族元素的氢化物；（3）中间型氢化物MHx，包括周期系ⅠB、ⅡB族和铟、铊、铅等元素的氢化物；（4）共价型氢化物(R′H3)x、R′H4、H3R′、H2R′、R′H，包括周期系ⅢA族的硼、铝、镓，ⅣA族的碳、硅、锗、锡和ⅤA、ⅥA、ⅦA等族元素的氢化物（R′为以上各族元素）。还有一类重要的配合氢化物MⅠMⅢH4，其中MⅠ为Li、Na、K、Rb、Cs等一价金属；MⅢ为B、Al、Ga、In等三价金属；并以氢化铝锂LiAlH4和硼氢化钠NaBH4为最重要。制法氢气的实验室制法包括：（1）活泼金属如钠汞齐或钙与水的反应；（2）锌与盐酸或稀硫酸的反应；（3）铝或硅（硅铁）与氢氧化钠溶液的反应；（4）金属氢化物如LiH、CaH2、LiAlH4与水的反应，野外制备氢常用氢化钙。氢气的工业制法主要有：（1）水的电解，用镀镍的铁电极电解15％的氢氧化钾水溶液，可生产出纯净氢气。氯碱工业中，在电解食盐水时可副产氢气。近年来又发展了高温电解水蒸气工艺，可节省20％电力。（2）从天然气或裂解石油气制氢气，这是现在制氢的主要方法，反应如下：（3）从焦煤或白煤制氢气，又称水煤气法，这是中国小型合成氨生产装置采用的方法，反应如下：副产的二氧化碳经分离可用于制纯碱和尿素。（4）用热化学循环法分解水制氢气，本法是使用各种不同循环试剂，使水在热化学循环过程中分解为氢气和氧气。现已研究出数百种热循环法，如硫－碘法利用如下反应循环（反应式中g为气体，l为液体，s为固体，aq为水溶液）：SO2和I2在反应循环中反复化合和再生，使水在循环中分解，先后生成氢气和氧气。反应最高温度约为1000℃。此反应循环时热能消耗仍过高，最近研究使用氧化镁作循环试剂，使硫－碘热化学循环的水分解温度降至995℃，总转化率达到29.5％。应用氢气是重要的工业原料，又是未来的能源(见氢能源)。