1　氢

氢是最轻的元素。它是到目前为止宇宙中最丰富的元素，氢在宇宙中（以质量计算）的丰度是90%。

作为水的组成元素，氢元素对生命是必不可少的。氢元素还存在于所有的有机化合物中。氢气是最轻的气体。氢气在交通工具上被用作热气球的载气，但是其易燃性（如“兴登堡事件”）会造成很大的危险。氢气在空气中燃烧生成水。如果可以大量把氢气而不是化石燃料用作燃料，那么就可能拉动氢的经济。

1.1　发现史

波义耳（1627—1691，英国化学家和物理学家）在1671年发表了一篇名为《关于火焰与空气的反应的新试验》的论文。在论文中，他描述了铁屑与稀酸之间的反应，称为“火星的易挥发的硫”。这个反应生成了氢气。

然而很久以后，卡文迪许（1731—1810，英国化学家和物理学家，亦曾独立发现氮元素）才在1766年确认氢是一种元素。卡文迪许在水银液面上收集氢气，并称之为“从金属中来的可燃空气”。他精确地描述了氢的特征，但是却错误地认为这种气体来自于金属而不是酸。拉瓦锡把这种新元素命名为“氢”。

在1839年，英国科学家格罗夫爵士完成了电解实验。他用电解的方法把水分解为氢气和氧气。他认为，可以进行电解反应的逆反应，并可以在氧气和氢气的反应中产生电流。他把铂电极封装在密封容器中。两个容器中分别放入氢气和氧气。当容器浸入稀硫酸时，两个容器中间产生了持续的电流，同时在容器内产生了水。他把这样的一些装置串联起来，以便增加气体电池的输出电压。此后，化学家蒙德和兰格以“燃料电池”称呼这种装置。

在1932年，英国剑桥大学的培根博士在蒙德和查尔斯的基础上进行了进一步的研究。他用较便宜的镀镍电极取代铂电极，并且用碱性氢氧化钾替代硫酸做电解液。这是实质上的第一个碱性燃料电池（AFC），并被称作“培根碱性电池”。培根又花了27年，用以改进这套装置，以便能够提供5kW的动力，足以满足一个电焊机所需的动力。大约在同时，第一辆电力车辆也已试车。

美国国家航空和宇宙航行局（NASA）在20世纪60年代的阿波罗计划中使用了燃料电池。现在，已有超过100项NASA的宇航工程使用了燃料电池。燃料电池也可用于潜艇中。

1.2　用途

• 工业固氮。以空气中的氮气为原料和氢制作氮肥，例如哈伯的氨合成法。

• 脂肪和植物油的加氢作用。

• 甲醇生产中，用于加氢脱烷基化、氢化裂解和氢化脱硫。

• 火箭燃料。

• 焊接。

• 生产盐酸。

• 还原金属矿石。

• 用作热气球的载气。氢气比空气要轻得多，但是非常易燃、易爆。

• 液态氢单质在低温研究和超导研究中十分重要，这是因为其熔点仅仅略微高于热力学零度。

• 氢的一种同位素氚（3H）有放射性。它可通过核反应制备，可用于生产氢弹。它也被用于制造磷光漆时的放射源和用作示踪同位素。

1.3　制备方法

在实验室中，可以用氢化钙和水的反应制备少量的氢气：

CaH2+2H2OCa（OH）2+2H2

因为其中50%的氢来自水中，所以这个反应的效率很高。另一种十分方便的实验室制备方法则以早年波义耳的方法为基础，即用铁屑和稀硫酸反应：

Fe+H2SO4FeSO4+H2

在工业上也有很多制备氢气的方法，应该根据所需的量和可用的原料，因地制宜地选择具体的生产方法。其中有两种常用的方法：一种是把水蒸气通过炽热的焦炭上方进行水煤气交换反应；另一种是把诸如甲烷等碳氢化合物与水蒸气反应而产生氢气。

C（焦炭）+H2OCO+H2

CH4+H2O CO+3H2

除此之外，还可用一氧化碳与水蒸气在热（超过400℃）的氧化铁或氧化钴表面上的反应来制备氢气。

CO+H2OCO2+H2

1.4　生物作用和危险性

在地球的大气中，氢气的含量非常少，但是它以化合物［如水（H2O）］的形式大量存在。水是许多矿物的组成成分。

太阳和其他恒星的主要成分都是氢。太阳的燃烧靠的是种类繁多的核反应，但是主要的反应是通过核聚变把氢核变成为氦核。

氢是行星木星的主要成分。在这颗行星的内部，压力可能已经大得足以把固态分子氢转化为固态金属氢。

水是维持生命的必需物质，其分子的三个原子中有两个是氢原子，氢也存在于所有的有机化合物中。把水中的两个氢原子替换为氘原子，所得的产物被称作“重水”，重水对哺乳动物有毒。现在已知氢分子参与了一些细菌的代谢过程。氢气是无毒的，但是当与空气或氧气混合时有引发火灾和爆炸的危险。此外，氢气可以通过使人体与氧气相互隔离而使人窒息。

1.5　化学性质

（1）氢与空气的反应

氢气（H2）是无色、轻于空气的气体。除非有火焰或电火花引燃，空气和氢气的混和物并不会发生反应。空气与氢气的反应会导致燃烧或爆炸；火焰的颜色是独特的红色，而其产物则是水。

2H2（g）+O2（g）2H2O（l）

（2）氢与水的反应

氢气与水并不发生反应。在1个标准大气压和297K的温度下，氢气在水中的溶解度大约是1.60mg/kg。

（3）氢与卤素单质的反应

氢气与氟气的反应可在暗处发生，并生成氟化氢。

H2（g）+F2（g）2HF（g）

氢气与氯气或溴蒸气的反应可在光照处发生，其中与溴蒸气的反应需要用铂石棉催化。在氯气或溴蒸气中点燃氢气也可以发生反应，产物是氯化氢或溴化氢。

H2（g）+Cl2（g）2HCl（g）

H2（g）+Br2（l） 2HBr（g）

氢气与碘的反应需要加热、用铂进行催化。反应是可逆的，产物是碘化氢。

H2（g）+I2（g）2HI（g）

（4）其他

氢气不与稀酸和稀碱反应。