氢

氢是一种化学元素，其化学符号为H，原子序为1。氢的原子量为，是元素周期表中最轻的元素。单原子氢（H）是宇宙中最常见的化学物质，占重子总质量的75%。等离子态的氢是主序星的主要成份。氢的最常见同位素是「氕」（此名称甚少使用，符号为<chem>^1H</chem>），含1个质子，不含中子；天然氢还含极少量的同位素「氘」（<chem>^2H</chem>），含1个质子和1个中子。

氢原子最早在宇宙复合阶段出现并遍布全宇宙。在标准温度和压力之下，氢形成双原子分子（分子式为<chem>H2</chem>），呈无色、无臭、无味非金属气体，不具毒性，高度易燃。氢很容易和大部份非金属元素形成共价键，所以地球上大部份的氢都以分子的形态存在，比如水和有机化合物等。氢在酸碱反应中尤其重要，因为在这类反应中各种分子须互相交换质子。在离子化合物中，氢原子可以获得一个电子成为氢阴离子（<chem>H-</chem>），或失去一个电子成为氢阳离子（<chem>H+</chem>）。虽然在一般写法中，氢阳离子就是质子，但在实际化合物中，氢阳离子的实际结构是更为复杂的。氢原子是唯一一个有薛定谔方程式解析解的原子，所以对氢原子模型的研究在量子力学的发展过程中起到了关键的作用。

16世纪，人们通过混合金属和强酸，首次制备出氢气。1766至1781年，亨利·卡文迪什第一次发现氢气是一种独立的物质，燃烧后会产生水。安东万-罗伦·德·拉瓦节根据这一性质，将其命名为「Hydrogen」，在希腊文中意为「生成水的物质」。19世纪50年代，英国医生合信编写《博物新编》（1855年）时，把元素名翻译为“轻气”，成为今天中文「氢」字的来源。

氢气的工业生产主要使用天然气的蒸汽重整过程，或通过能源消耗更高的水电解反应。大部份的氢气都在生产地点直接使用，主要应用包括化石燃料处理（如裂化反应）和氨生产（一般用于化肥工业）。在冶金学上，氢气会对许多金属造成氢脆现象，使运输管和储存罐的设计更加复杂。

氢气（单原子或双原子氢气）是一种高度易燃的物质，只要在空气中体积比例在4%和75%之间就可燃烧。氢的燃烧热为−286kJ/mol：

氢气与空气混合浓度处于4%至74%时，或与氯气混合浓度处于5%至95%时，会形成爆炸性混合物，可经火花、高温或阳光点燃。氢气在空气中的自燃温度为500 °C。纯氢氧混合气在燃烧时发出紫外光，且在氧气比例较高时，火焰是无色的──例如，太空穿梭机主引擎的火焰呈淡蓝色，但穿梭机固体助推器的火焰则颜色鲜艳。正在燃烧的氢气泄漏点需要才能发现，所以非常危险。在其他情况下，氢气的燃烧火焰呈蓝色，与天然气的火焰颜色相似。

H可以和所有氧化性元素发生反应。氢气可以在室温下与氯气和氟气自发产生剧烈反应，分别形成氯化氢和氟化氢两种酸。

氢原子的电子基态能级为−13.6eV，对应于波长约为91纳米的紫外线光子。

用玻尔原子模型可以很准确地计算出氢原子的各个能级，该模型假设电子围绕著中心质子「公转」，就像地球绕太阳公转一样。不同的是，电子和质子通过电磁力互相吸引，行星和恒星则通过重力相吸。早期量子力学假定角动量分立原理，电子和质子的距离只能取特殊的数值，因此电子在原子中也只能拥有特殊的能量值。

要更准确地描述氢原子，须用到纯量子力学理论中的薛定谔方程式、狄拉克方程式，甚至是费曼路径积分表述，来计算电子在质子周围的机率密度。最复杂的计算可考虑到狭义相对论和真空极化效应。在量子力学的氢原子模型中，位于基态的电子不含任何角动量，可见「行星轨道」模型与事实情况有著根本性的分别。

双原子氢分子有两个原子核相对自旋不同的自旋异构体。其中正氢的两个质子自旋平行，形成三重态，分子自旋量子数为1；仲氢的两个质子自旋反平行，形成单重态，分子自旋量子数为0。在标准温度和压力下，氢气含74.87%正氢和25.13%仲氢。正氢和仲氢的平衡比例受温度影响，但由于正氢属于激发态，而非稳定态，所以无法纯化分离出来。在极低温度下，处于平衡状态的氢几乎完全由仲氢组成，如在25K下仲氢的含量为99.01%；随著温度的升高，正氢和仲氢的平衡比例趋向于3:1。纯正氢在液态和气态时的热力属性与混合态截然不同，这是因为两者在旋转热容上有很大的差异。其他含氢分子和官能基也有正、仲之分，例如水和亚甲基，但它们在热力属性上的差别极小。

在没有催化剂的情况下，正氢和仲氢之间的转换速率随著温度的升高而增加，所以急速冷却的氢会含有高比例的仲氢，且这一仲氢会非常缓慢地转变为正氢。氢在冷却后的正、仲比例对液氢的制备和储存十分重要：仲氢向正氢的转化是一个放热过程，其产生的热量足以使一部份液氢蒸发并流失出去。在氢冷却过程中协助正、仲氢转化的催化剂有：三氧化二铁、活性炭、铂石棉、稀土金属、铀化合物、
三氧化二铬及某些镍化合物等等。


虽然<chem>H2</chem>在标准条件下的反应性不高，但它却可以和大部份元素形成化合物。氢可以和电负性更高元素结合，如卤素（氟、氯、溴、碘）和氧，这些化合物中的氢带有部份正电荷。氢与氟、氧和氮结合而成的分子之间可以形成氢键。这种中等强度的非共价化学键，正是许多生物分子能够稳定存在的原因。氢也可以和电负性更低的元素结合，如各种金属和类金属，这些化合物称为氢化物，其中氢带有部份负电荷。

氢和碳可形成名目繁多的化合物，称为碳氢化合物，又称烃；再加上各种杂原子，所能形成的化合物数量则更大。由于这些物质和生物息息相关，所以统称有机化合物。有机化学是对此类化学物属性的研究，而对有机化合物在生物体中的作用之研究，则称为生物化学。根据某些定义，有机化合物囊括所有含有碳的化合物。然而，大部份有机化合物同时也含有氢，而且是其中的碳-氢键赋予了它们独特的化学性质，因此在另一些定义中，有机化合物必须含有碳-氢键。现在已知的碳氢化合物以数百万计，它们的合成途径一般都十分复杂，而且很少会直接使用单质氢。

含氢的化合物有时会称为氢化物，但这一用词并没有严格的定义。氢化物一般是氢和电负性更低的元素结合而成，当中的氢呈负价，记作<chem>H-</chem>。吉尔伯特·路易斯在1916年提出，1族和2族的氢盐中存在氢阴离子。1920年，K. Moers通过电解氢化锂（<chem>LiH</chem>），在阳极提取出氢气，证明了氢阴离子的存在。由于氢的电负性较低，所以「氢化物」一词对于1、2族以外元素的氢化物并不完全准确。2族元素氢化物中有一个例外，即高聚物氢化铍（<chem>BeH2</chem>）。在氢化铝锂的<chem>AlH4-</chem>离子中，四个氢阴离子紧靠著铝(III)。

几乎所有主族元素都可以形成氢化物，不过化种类数量却有著巨大的差异。例如，已知的硼氢二元化合物共有100多种，但铝氢二元化合物却只有一种。二元氢化铟还未被发现，但它存在于更大的铟氢配合物中。

在无机化学中，氢化物还可用作桥接配体，连接配合物中的两个金属中心。这一用途在13族元素配合物中最为常见，特别是硼烷、铝配合物和碳硼烷簇。

氢在氧化后会失去它的电子，形成氢阳离子（<chem>H+</chem>）。氢阳离子不含电子，其原子核通常只含一个质子，所以<chem>H+</chem>经常被直接称为质子。氢阳离子是酸碱理论中不可或缺的化学物质。酸碱质子理论把酸、碱分别定义为质子供体和质子受体。

质子<chem>H+</chem>不能在溶液或离子晶体中裸露存在，因为它不可避免地会靠近其他含有电子的原子或分子。除非在高温等离子状态，原子和分子的电子云会一直附在质子的周围，质子是无法脱离开来的。然而，人们常以「质子」来不严谨地表示与其他原子或离子键合的氢阳离子和带正电荷的氢原子，并记作。此时写「<chem>H+</chem>」，并不意味著质子自由存在。

为了避免认为溶液中存在裸露的质子，人们有时会把酸性水溶液中的阳离子记作<chem>H3O+</chem>，称为水合氢离子。这其实是一种假想的情况，现实中水分子和氢离子会结合组成更接近<chem>H3O4+</chem>的化学物质。当酸溶液同时含有水和其他溶剂时，会形成其他的𨦡盐。

尽管在地球上十分罕见，但<chem>H3+</chem>离子（三氢阳离子，又称质子化分子氢）却是宇宙中最常见的离子之一。

氢有三种天然同位素，分别为氕、氘、氚，记作<chem>^1H</chem>、<chem>^2H</chem>和<chem>^3H</chem>。其他不稳定同位素原子核（<chem>^4H</chem>至<chem>^7H</chem>）可在实验室中合成，但不存在于自然界中。

氢是唯一一个同位素各自拥有不同名称的元素。在放射性研究的早期，其他更重的同位素都有自己的名称，但至今仍在广泛使用的就只剩下氘和氚。<chem>^2H</chem>和<chem>^3H</chem>有时会记作<chem>D</chem>和<chem>T</chem>，但本来对应于氕（Protium）的符号<chem>P</chem>，已经是磷的元素符号，所以不再通用。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的命名指引，<chem>D</chem>、<chem>T</chem>、<chem>^2H</chem>和<chem>^3H</chem>均可使用，其<chem>^2H</chem>和<chem>^3H</chem>较为适宜。

1671年，罗拔·波义耳发现铁屑和稀释酸之间会发生反应，并产生气体──就是氢气。1766年，亨利·卡文迪什同样利用金属和酸之间的反应，首次发现氢气是一种独立的物质，并将其命名为「易燃气」。他猜想，「易燃气」就是当时假想的燃素。1781年，他又发现该气体在燃烧后会生成水。故此，卡文迪什一般被后世尊为氢元素的发现者。1783年，安东万-罗伦·德·拉瓦节和皮耶尔-西蒙·拉普拉斯重复并证实了卡文迪什的实验。拉瓦节为这一元素命名为「Hydrogen」，词源为希腊文中的「水」（ὑδρο）和「创造者」（-γενής）。

在拉瓦节的实验中，蒸汽在一支用火烧热的铁管内流通，高温下水分子中的质子会对铁金属进行无氧性氧化反应，产生氢气。此反应的方程式如下：

不少金属都可以代替铁，进行以上的化学反应而产生氢气，例如锆。

1898年，詹姆斯·杜瓦用及他所发明的真空保温瓶，首次制成液氢。翌年，他又制成固体氢。哈罗德·尤里于1931年12月发现氘，而欧内斯特·卢瑟福、和则在1934年首次制备出氚。尤里的研究小组在1932年发现重水，即含有氘的水。1806年，制造了第一部以氢氧混合物作为燃料的内燃机──。在1819年发明了氢气吹管。和聚光灯则在1823年被发明。

1783年，发明了首个氢气球。1852年，发明了首个以氢气提供升力的载人飞艇。德国的斐迪南·冯·齐柏林伯爵大力推广了这一运输工具，他所设计的飞船称作齐柏林飞船，于1900年首飞。飞船的常规航班从1910年开始，到了1914年8月第一次世界大战之始已搭载3万5千多人，并无重大事故。氢气飞船在战时被用于观测及轰炸。

1919年，首次不停站横跨大西洋。常规客运航班在1920年代陆续恢复。虽然当时在美国发现了氦气储备，但美国政府不愿售卖氦气作运输之用。因此兴登堡号飞船所使用的仍然是氢气，飞船于1937年5月6日准备降落于新泽西州时，在半空中起火焚烧并坠毁。整个事故经电视直播，且全程被拍摄下来。人们最早认为是泄漏的氢气爆炸造成了这场事故，但之后的调查却指出，是飞船镀铝的表面布料被静电点燃引致起火。

1937年，第一部氢冷汽轮发电机在俄亥俄州代顿投入使用，这种发电机以氢气作为转子和定子的冷却剂。由于氢气的导热性极佳，所以至今仍是最常用的发电机冷却剂。

1977年，美国海军的导航科技2号卫星（NTS-2）搭载了首个镍氢电池。国际太空站、2001火星奥德赛号及火星全球探勘者号都配备了镍氢电池。处于地球阴影部份的时候，哈勃太空望远镜也是由镍氢电池供电的。这个电池在运作19年后（超过设计年期13年），终于在2009年5月被更换下来。

氢是原子结构最为简单的元素，只含一个质子和一个电子。在原子结构模型的发展过程中，氢原子和它的发射、吸收光谱都有著特殊的理论价值。物理学家在1925年前后发展出氢原子的量子力学描述，此后氢分子以及<chem>H2+</chem>阳离子又因为结构简单，而成为科学家在研究化学键本质时所用的重要对象。

早在量子力学发展成熟整整半个世纪以前，詹姆斯·克拉克·马克士威就观察到了氢的量子效应。他注意到，<chem>H2</chem>的热容量在低于室温的温度下，开始偏离双原子气体的性质，在极低温下更像单原子气体。根据量子理论，这一现象源自于分子旋转能级之间的间距。在质量尤其低的<chem>H2</chem>分子中，能级之间的间距特别大。在低温下，较大的能级间距使得热量无法均分到分子的旋转运动上。由更重的原子所组成的双原子气体会有较小的能级间距，所以在低温下不呈现这种现象。

反氢（formula_1）是对应于氢的反物质，含一个反质子和一个正子。截至2015年，反氢是唯一被合成过的反物质原子。

氢是宇宙中丰度最高的化学元素，占重子总质量的75%，原子总数的90%以上。（不过，宇宙的大部份质量并不是由化学元素物质所组成的，而是有待进一步了解的暗物质和暗能量。）氢是恒星和巨行星的主要成份之一，并通过质子﹣质子链反应和碳氮氧循环核聚变反应为恒星提供能量。H分子云是恒星形成的地点。

宇宙中的氢主要以单原子形态和等离子态存在，此两者的性质和双原子氢分子颇为不同。氢等离子体中，电子和质子各自独立，所以电导率和发射率都很高，这是太阳等恒星发光的原因。这些带电粒子受电磁场的影响，例如，太阳风会和地球磁层相互作用，产生白克兰电流和极光。星际物质含有中性单原子氢。直到红移formula_2为止，宇宙重子密度都以阻尼莱曼α系统中的大量中性氢原子为主。

在地球上的常规条件下，氢的单质以双原子气体存在，即<chem>H2</chem>。但由于质量低，氢气比其他较重的气体更容易逃逸地球重力，所以在地球大气中的含量极低，只占大气总体积的百万分之1。另一方面，氢却是地球表面丰度排第三的元素，主要存在于碳氢化合物和水等化合物当中。某些细菌和藻类会释放氢气，胃肠气中也含有氢气。

星际物质中的氢分子经宇宙射线的电离之后，会形成三氢阳离子（<chem>H3+</chem>）。这种离子也存在于木星的大气上层。在太空的低温低密度环境下，三氢阳离子可以较稳定地存在，所以它是宇宙中最常见的离子之一，对星际物质的化学研究也起到了重要的作用。中性三原子氢（<chem>H3</chem>）是一种不稳定分子，只能在激发状态下存在。氢分子阳离子（<chem>H2+</chem>）是宇宙中罕见的分子。

在实验室中，不少化学反应都会释放氢气作为副产品。工业生产出的氢可以用来氢化各种不饱和物质。在自然界中，生物体的还原反应也会释放出氢气。

在实验室中制备氢气，一般用非氧化酸与反应性较高的金属（如锌）在启普发生器中发生反应：

铝经过碱的处理后，也会产生氢气：

对水进行电解，可以很容易地制成氢气。当低电压的电流通过水的时候，氧气会在阳极积累，而氢气则在阴极积累。在制备氢气作储存之用时，阴极的材料一般选用铂等惰性金属，以避免与氢气发生反应。如果制成的氢气须要当场用来燃烧，则氧气可助燃，所以阳极也应该用惰性金属作为材料。理论上的最大能源效率，即产出的氢气所含潜在能量占投入电能的比例，为80%至94%。

用铝镓合金制成的颗粒，加入水中，会产生氢气。这一反应也会产生氧化铝，但用于防止颗粒表面形成氧化层、成本较高的镓在反应之后可以回收再用。这一反应有潜力成为氢能经济的基础，因为氢气可以在现场生成，无须运输。

在众多氢气制备方法中，经济效益最高的是从碳氢化合物中提取出氢气。商业上，一般是对天然气进行蒸汽重整来大规模生产氢气。在高温下（1000–1400K，700–1100°C，1300–2000°F），水蒸汽和甲烷会发生反应，产生一氧化碳和氢气：

以上的反应在低压进行时效率更高，但却通常在高压下进行（2.0MPa，20atm，600inHg），因为高压氢气是市场上最为普及，且纯化系统更适合在高压下工作。由于反应所产生的一氧化碳-氢气混合物经常直接用于生产甲醇及其他相关的化合物，所以也称为合成气。甲烷以外的碳氢化合物也可以用来制造合成气，但产物比例可能会有所不同。在缺水的情况下，焦炭就会形成，影响合成气的产量：

因此，在进行蒸汽重整过程时，通常应注入过量的蒸汽。利用，并以氧化铁作为催化剂，可从蒸汽中提取出更多的氢气。蒸汽重整也是二氧化碳的一大工业来源：

氢气的其他生产方法还包括，碳氢化合物的部份氧化反应：

以及对煤炭反应的碳产物进行以上的转移反应：

氢气在生产后，有时会在同一道工业程序中直接被使用，期间不经分离。在用于生产氨的哈柏法中，氢气是从天然气中提取出来的。对盐水进行电解，在产生氯气的同时，也会生成氢气作为副产品。

能分离水的热化学循环过程共有200多种，其中可以从水和热量直接产生氢气和氧气的过程包括：氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫碘循环、铜氯循环、混合硫循环等等，都有待进一步研究。多个国家都有实验室著力研究可以从太阳能和水生成氢气的热化学方法。

在无氧条件下，铁和合成钢会被水分子中的质子缓慢氧化，而水则会还原成分子氢。在铁的无氧腐蚀过程中，首先形成的是氢氧化亚铁（<chem>Fe(OH)2</chem>，又称绿锈）：

水分子中的质子再对氢氧化亚铁进行无氧性氧化反应，产生磁铁矿（<chem>Fe3O4</chem>）和分子氢，是为：

磁铁矿晶体的热力学稳定性比氢氧化亚铁高。

在缺氧地下水和位于地下水台以下具还原性的土壤中，铁和钢就是经过这一反应受无氧侵蚀的。

在地底深处缺乏大气氧气的环境下，铁橄榄石晶格中的矽酸铁会受到水分子中的质子的无氧性氧化，产生氢气，这叫蛇纹石化作用。除了氢气以外，反应还会产生磁铁矿（<chem>Fe3O4</chem>）和石英（<chem>SiO2</chem>）：

以上反应和氢氧化二铁的无氧腐蚀过程（西科尔反应）十分相似。

在变压器会产生的各种故障气体中，氢气是最常见的一种，在大部份故障情况下都会形成。所以，探测到氢气，意味著变压器可能出现了严重的问题。

石油和化学工业都需要大量的氢气，其中以化石燃料加工及经哈伯法生产氨为主要应用。在石油化工厂中须消耗氢气的过程有：加氢脱烷基反应、加氢脱硫反应和裂化反应等。氢气可以用来对非饱和脂肪和油类进行氢化，增加饱和程度（如固体植物牛油），也可以用于生产甲醇和氢氯酸。氢气可以对金属矿物进行还原。

氢气极易溶于许多稀土金属和过渡金属之中，同时也可溶于纳米晶态和非晶态金属。氢气在金属中的可溶性受到了晶格局部变形和杂质的影响。利用这一属性，可将氢气在高温钯圆盘上通过，提高氢气的纯度。不过，氢气在金属中的溶解会导致氢脆现象，使运输管和储存罐的设计更为复杂。

除了用在化学反应中以外，氢气在物理学和工程学上也有广泛的应用。它在一些焊接方法中可用作保护气体，例如原子氢焊接法。氢气的分子质量很低，因此它密度低，热容量和热导率亦为所有气体中最高，很适合用作发电机的转子冷却剂。液氢可用于低温物理学中，例如对超导现象的研究。氢气的质量密度很低，稍高于空气密度的四分之一，所以气球和飞艇都曾经用氢气来提供升力。但1937年的兴登堡号空难造成36人死亡后，氢气在载人飞般及气球填充上的应用已被较稳定的氦气所完全取代。

氢气和氮气混合后称为合成气体，可以作为示踪气体，用于探测微小的漏气点，在汽车、化学、发电、航空航天和电信等工业中都有应用的空间。氢气在许多国家属于合法的食物添加剂（E 949），可以用来探测包装有无泄漏，以及防止食物氧化。

氢可以用来饱和无定形碳和无定性矽的断键（悬键），使物质属性变得更加稳定。氢在各种氧化物材料中可以作为电子供体，包括：ZnO、SnO、CdO、MgO、ZrO、HfO、LaO、YO、TiO、SrTiO、LaAlO、SiO、AlO、ZrSiO、HfSiO和SrZrO等。

氘和氚同位素也有其各自的特殊应用。氘可用于核聚变反应中，也可用作核裂变反应的中子减速剂。化学和生物学都会利用氘化合物来研究各种化学反应的动力学同位素效应。核反应炉所产生的氚可以用来制造氢弹，在生物科学中用作同位素标识，以及在发光颜料中作为辐射源。

1990年国际实用温标（ITS-90）把氢在平衡态下的三相点温度定义为13.8033 K，从而为开尔文温标定下了国际标准。

氢本身并不是一种能源资源。利用氘或氚同位素来进行核聚变发电的技术，目前还远没有达到发展成熟的阶段。虽然太阳的能量来自于氢的核聚变反应，但要在地球上稳定控制这一过程却是极为困难的。用太阳能、电能或生物过程产生单质氢所需要的能量，比氢燃烧后所得的能量要高，所以氢只能是一种能量载体，就像电池一样。氢可以取自甲烷等化石燃料，但这些燃料都属于不可再生资源。

液氮和压缩氢气的单位体积所含能量密度比传统燃料低得多，但单位质量所含能量密度却更加高。氢气被认为有潜力成为一种常用的能源载体，作为新的经济基础。举例来说，在从化石燃料提取氢气的同时，可以对二氧化碳进行收集及封存。汽车在燃烧氢气时的污染较低，除一些氮氧化物以外，不会排放任何的碳。燃料电池将氢气和氧气转化为电力，效率比内燃机更高。然而，要从现状完全转变到氢经济，则需要庞大的基建成本。

某些类型的无氧代谢反应会产生氢气。会释出氢气的微生物一般以含铁或含镍的氢化酶作为催化剂，进行以下的可逆氧化还原反应：

在丙酮酸盐发酵成水的过程中，还原当量（任何在氧化还原反应中可转移单个电子的化学物）转移时会产生氢气。生物体内氢的自然产生和消耗称为。

所有光和生物所进行的光反应都会把水分解成质子、电子和氧气。在某些生物中，如和蓝绿藻等，演化出了「暗反应」的第二阶段：质子和电子通过叶绿体的特殊氢化酶还原成氢气。一些科学家正在研究用基因改造方法，使水藻和蓝绿藻的氢化酶在有氧环境下也能高效合成氢气。

氢在不同情况下都会对人体造成危险。与空气混合时，氢气会轻易燃烧和爆炸，而纯氢气则会使人窒息。泄漏到空气中的氢气无色无味，且可以自燃，产生高温但无色的火焰，因此有意外灼伤的可能性。液氢的温度极低，所以和其他低温液体一样有一定的危险性，比如会引致冻伤。氢气可以溶解在多种金属之中，除了可能的泄漏以外，氢气还会造成金属的氢脆现象，引致材料爆裂。

氢的许多性质都受到了其自旋异构体（正氢和仲氢）比例的影响。不少数据所描述的是处于平衡态的氢气，但氢气有时需要几天乃至几周的时间才会达致平衡，所以它的安全数据可能和现实中的氢气有所差别。另外，容器的形状，也会大大影响氢气的爆炸临界温度和压力。