氢元素

**氫**（拼音：qīnɡ，注音：ㄑ一ㄥ，音同「輕」，英語：Hydrogen），是一種化學元素，化學符號為 **H**，原子序數為 1，原子量為 1.00794 u 是元素週期表中最輕的元素。單原子氫（H）是宇宙中最常見的化學物質，佔重子總質量的 75%。電漿態的氫是主序星的主要成份。氫的最常見同位素是「氕」（此名稱甚少使用，符號為 ${\ce {^1H}}$ ），含 1 個質子，不含中子；天然氫還含極少量的同位素「氘」（ ${\ce {^2H}}$ 或 ${\ce {D}}$ ），其含 1 個質子和 1 個中子。

氫原子最早在宇宙復合階段出現並遍佈全宇宙。在標準溫度和壓力之下，氫形成雙原子分子（俗稱氫氣，分子式為 H2），呈無色、無臭、無味非金屬氣體，不具毒性，高度易燃。氫很容易和大部份非金屬元素形成共價鍵，所以地球上大部份的氫都以分子的形態存在，比如水和有機化合物等。氫在酸鹼反應中尤其重要，因為在這類反應中各種分子須互相交換質子。在離子化合物中，氫原子可以獲得一個電子成為氫陰離子（ ${\ce {H-}}$ ），或失去一個電子成為氫陽離子（ ${\ce {H+}}$ ）。雖然在一般寫法中，氫陽離子就是質子，但在實際化合物中，氫陽離子的實際結構是更為複雜的。氫原子是唯一一個有薛丁格方程式解析解的原子，所以對氫原子模型的研究在量子力學的發展過程中起到了關鍵的作用。

16 世紀，人們通過混合金屬和強酸，首次製備出氫氣。1766 至 1781 年，亨利・卡文迪什第一次發現氫氣是一種獨立的物質，燃燒後會產生水。安東萬 - 羅倫・德・拉瓦節根據這一性質，將其命名為「Hydrogen」，在希臘文中意為「生成水的物質」，日文也翻譯為「水素」，即「生成水的元素」。19 世紀 50 年代，英國醫生合信編寫《博物新編》（1855 年）時，把元素名翻譯為「輕氣」，意旨「最輕的氣體」，成為今天中文「氫」字的來源。

氫氣的工業生產主要使用天然氣的蒸汽重整過程，或通過能源消耗更高的水電解反應。大部份的氫氣都在生產地點直接使用，主要應用包括化石燃料處理（如裂化反應）和氨生產（一般用於化肥工業）。在冶金學上，氫氣會對許多金屬造成氫脆現象，使運輸管和儲存罐的設計更加複雜。

## 性質

氫在自然界中較常以氫氣（雙原子氫氣分子）的形式存在，少數情況下會出現單原子的氫。

### 燃燒

氫氣是一種高度易燃的物質，只要在空氣中體積比例在 4% 和 75% 之間就可燃燒。氫的燃燒熱為−286kJ/mol：

　
: ${\ce {2H2 + O2 -> 2H2O + 572}}$ kJ (286 kJ/mol)

氫氣與空氣混合濃度處於 4% 至 74% 時，或與氯氣混合濃度處於 5% 至 95% 時，會形成爆炸性混合物，可經火花、高溫或陽光點燃。氫氣在空氣中的自燃溫度為 500 °C。純氫氧混合氣在燃燒時發出紫外光，且在氧氣比例較高時，火焰是無色的──例如，太空太空梭主引擎的火焰呈淡藍色，但太空梭固體助推器的火焰則顏色鮮豔。正在燃燒的氫氣洩漏點需要火焰探測器才能發現，所以非常危險。在其他情況下，氫氣的燃燒火焰呈藍色，與天然氣的火焰顏色相似。

H2 可以和所有氧化性元素發生反應。氫氣可以在室溫下與氯氣和氟氣自發產生劇烈反應，分別形成氯化氫和氟化氫兩種酸。

### 電子能級

氫原子的電子基態能級為−13.6eV，對應於波長約為 91 奈米的紫外線光子。

用波耳原子模型可以很準確地計算出氫原子的各個能級，該模型假設電子圍繞著中心質子「公轉」，就像地球繞太陽公轉一樣。不同的是，電子和質子通過電磁力互相吸引，行星和恆星則通過重力相吸。早期量子力學假定角動量分立原理，電子和質子的距離只能取特殊的數值，因此電子在原子中也只能擁有特殊的能量值。

要更準確地描述氫原子，須用到純量子力學理論中的薛丁格方程式、狄拉克方程式，甚至是費曼路徑積分表述，來計算電子在質子周圍的機率密度。最複雜的計算可考慮到狹義相對論和真空極化效應。在量子力學的氫原子模型中，位於基態的電子不含任何角動量，可見「行星軌道」模型與事實情況有著根本性的分別。

### 形態

* 氣態氫
* 液態氫
* 三相點上的氫
* 固態氫
* 金屬氫

### 化合物

#### 共價及有機化合物

雖然 ${\ce {H2}}$ 在標準條件下的反應性不高，但它卻可以和大部份元素形成化合物。氫可以和電負度更高元素結合，如鹵素（氟、氯、溴、碘）和氧，這些化合物中的氫帶有部份正電荷。氫與氟、氧和氮結合而成的分子之間可以形成氫鍵。這種中等強度的非共價化學鍵，正是許多生物分子能夠穩定存在的原因。氫也可以和電負度更低的元素結合，如各種金屬和類金屬，這些化合物稱為氫化物，其中氫帶有部份負電荷。

氫和碳可形成名目繁多的化合物，稱為碳氫化合物，又稱烴；再加上各種雜原子，所能形成的化合物數量則更大。由於這些物質和生物息息相關，所以統稱有機化合物。有機化學是對此類化學物屬性的研究，而對有機化合物在生物體中的作用之研究，則稱為生物化學。根據某些定義，有機化合物囊括所有含有碳的化合物。然而，大部份有機化合物同時也含有氫，而且是其中的碳 - 氫鍵賦予了它們獨特的化學性質，因此在另一些定義中，有機化合物必須含有碳 - 氫鍵。現在已知的碳氫化合物以數百萬計，它們的合成途徑一般都十分複雜，而且很少會直接使用單質氫。

#### 氫化物

含氫的化合物有時會稱為氫化物，但這一用詞並沒有嚴格的定義。氫化物一般是氫和電負度更低的元素結合而成，當中的氫呈負價，記作 ${\ce {H-}}$ 。吉爾伯特・路易斯在 1916 年提出，1 族和 2 族的氫鹽中存在氫陰離子。1920 年，K. Moers 通過電解氫化鋰（ ${\ce {LiH}}$ ），在陽極提取出氫氣，證明了氫陰離子的存在。由於氫的電負度較低，所以「氫化物」一詞對於 1、2 族以外元素的氫化物並不完全準確。2 族元素氫化物中有一個例外，即高聚物氫化鈹（ ${\ce {BeH2}}$ ）。在氫化鋁鋰的 ${\ce {AlH4-}}$ 離子中，四個氫陰離子緊靠著鋁 (III)。

幾乎所有主族元素都可以形成氫化物，不過化種類數量卻有著巨大的差異。例如，已知的硼氫二元化合物共有 100 多種，但鋁氫二元化合物卻只有一種。二元氫化銦還未被發現，但它存在於更大的銦氫錯合物中。

在無機化學中，氫化物還可用作橋接配位基，連接錯合物中的兩個金屬中心。這一用途在 13 族元素錯合物中最為常見，特別是硼烷、鋁錯合物和碳硼烷簇。

#### 質子與酸

氫在氧化後會失去它的電子，形成氫陽離子（ ${\ce {H+}}$ ）。氫陽離子不含電子，其原子核通常只含一個質子，所以 ${\ce {H+}}$ 經常被直接稱為質子。氫陽離子是酸鹼理論中不可或缺的化學物質。酸鹼質子理論把酸、鹼分別定義為質子供體和質子受體。

質子 ${\ce {H+}}$ 不能在溶液或離子晶體中裸露存在，因為它不可避免地會靠近其他含有電子的原子或分子。除非在高溫電漿狀態，原子和分子的電子雲會一直附在質子的周圍，質子是無法脫離開來的。然而，人們常以「質子」來不嚴謹地表示與其他原子或離子鍵合的氫陽離子和帶正電荷的氫原子，並記作 H+ 
。此時寫「 ${\ce {H+}}$ 」，並不意味著質子自由存在。

為了避免認為溶液中存在裸露的質子，人們有時會把酸性水溶液中的陽離子記作 ${\ce {H3O+}}$ ，稱為水合氫離子。這其實是一種假想的情況，現實中水分子和氫離子會結合組成更接近 ${\ce {H9O4+}}$ 的化學物質。當酸溶液同時含有水和其他溶劑時，會形成其他的𨦡鹽。

儘管在地球上十分罕見，但 ${\ce {H3+}}$ 離子（三氫陽離子，又稱質子化分子氫）卻是宇宙中最常見的離子之一。

### 同位素

氫有三種天然同位素，分別為氕、氘、氚，記作 ${\ce {^1H}}$ 、 ${\ce {^2H}}$ 和 ${\ce {^3H}}$ 。其他不穩定同位素原子核（ ${\ce {^4H}}$ 至 ${\ce {^7H}}$ ）可在實驗室中合成，但不存在於自然界中。

* **氕**（ **${\ce {^1H}}$** ）是最常見的氫同位素，豐度高於 99.98%。氕原子不含中子，只含一個質子和一個電子。
* **氘**（ **${\ce {^2H}}$** ，符號為 ${\ce {D}}$ ）是氫的另一種穩定同位素，其原子核含有一個質子和一個中子。宇宙中幾乎所有的氘都是在大爆炸中形成的，殘留至今。氘不具放射性，亦無毒性。含氘的水分子稱為重水。氘以及含氘的化合物可以在化學實驗及氕核磁共振波譜法溶劑中，作為非放射性標識。在核反應爐中，重水是一種中子減速劑和冷卻劑。氘也有潛力成為商業核融合反應的燃料。
* **氚**（ ${\ce {^3H}}$ ，符號為 ${\ce {T}}$ ) 的原子核含有一個質子和兩個中子。氚具有放射性，會 β 衰變成氦 - 3，半衰期為 12.32 年。它的放射性可用於發光顏料，例如夜光鐘錶等（錶玻璃可阻擋其輻射）。因為宇宙射線和大氣氣體的交互作用會造成核轉換，再加上多次核武器試驗的輻射性微塵，所以自然界中存在少量的氚。氚的應用包括：核融合反應、同位素地球化學示蹤劑以及自發光照明器材，並可在化學和生物學實驗中用作放射性標識。

氫是唯一一個同位素各自擁有不同名稱的元素。在放射性研究的早期，其他更重的同位素都有自己的名稱，但至今仍在廣泛使用的就只剩下氘和氚。 ${\ce {^2H}}$ 和 ${\ce {^3H}}$ 有時會記作 ${\ce {D}}$ 和 ${\ce {T}}$ ，但本來對應於氕（Protium）的符號 ${\ce {P}}$ ，已經是磷的元素符號，所以不再通用。根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的命名指引， ${\ce {D}}$ 、 ${\ce {T}}$ 、 **${\ce {^2H}}$** 和 ${\ce {^3H}}$ 均可使用，其 **${\ce {^2H}}$** 和 ${\ce {^3H}}$ 較為適宜。

## 歷史

### 發現及使用

1671 年，羅拔・波義耳發現鐵屑和稀釋酸之間會發生反應，並產生氣體 —— 也就是氫氣。1766 年，亨利・卡文迪什同樣利用金屬和酸之間的反應，首次發現氫氣是一種獨立的物質，並將其命名為「易燃氣」。他猜想，「易燃氣」就是當時假想的燃素。1781 年，他又發現該氣體在燃燒後會生成水。故此，卡文迪什一般被後世尊為氫元素的發現者。1783 年，安東萬 - 羅倫・德・拉瓦節和皮耶爾 - 西蒙・拉普拉斯重複並證實了卡文迪什的實驗。拉瓦節為這一元素命名為「Hydrogen」，詞源為希臘文中的「水」（ὑδρο）和「創造者」（-γενής）。

在拉瓦節的實驗中，蒸汽在一支用火燒熱的鐵管內流通，高溫下水分子中的質子會對鐵金屬進行無氧性氧化反應，產生氫氣。此反應的方程式如下：

　
: ${\ce {Fe + H2O -> FeO + H2}}$

　
: ${\ce {2Fe + 3H2O -> Fe2O3 + 3H2}}$

　
: ${\ce {3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2}}$

不少金屬都可以代替鐵，進行以上的化學反應而產生氫氣，例如鋯。

1898 年，詹姆斯・杜瓦用再生冷卻法及他所發明的真空保溫瓶，首次製成液氫。翌年，他又製成固體氫。哈羅德・尤里於 1931 年 12 月發現氘，而歐內斯特・拉塞福、馬克・奧利芬特和保羅・哈特克則在 1934 年首次製備出氚。尤里的研究小組在 1932 年發現重水，即含有氘的水。1806 年，弗朗斯瓦・伊薩克・德・利瓦製造了第一部以氫氧混合物作為燃料的內燃機──德利瓦引擎。愛德華・丹尼爾・克拉克在 1819 年發明了氫氣吹管。德貝萊納燈和聚光燈則在 1823 年被發明。

1783 年，雅克・沙爾發明了首個氫氣球。1852 年，亨利・吉法爾發明了首個以氫氣提供升力的載人飛艇。德國的斐迪南・馮・齊柏林伯爵大力推廣了這一運輸工具，他所設計的飛船稱作齊柏林飛船，於 1900 年首飛。飛船的常規航班從 1910 年開始，到了 1914 年 8 月第一次世界大戰之始已搭載 3 萬 5 千多人，並無重大事故。氫氣飛船在戰時被用於觀測及轟炸。

1919 年，R34 飛船首次不停站橫跨大西洋。常規客運航班在 1920 年代陸續恢復。雖然當時在美國發現了氦氣儲備，但美國政府不願售賣氦氣作運輸之用。因此興登堡號飛船所使用的仍然是氫氣，飛船於 1937 年 5 月 6 日準備降落於新澤西州時，在半空中起火焚燒並墜毀。整個事故經電視直播，且全程被拍攝下來。人們最早認為是洩漏的氫氣爆炸造成了這場事故，但之後的調查卻指出，是飛船鍍鋁的表面布料被靜電點燃引致起火。

1937 年，第一部氫冷汽輪發電機在俄亥俄州代頓投入使用，這種發電機以氫氣作為轉子和定子的冷卻劑。由於氫氣的導熱性極佳，所以至今仍是最常用的發電機冷卻劑。

1977 年，美國海軍的導航科技 2 號衛星（NTS-2）搭載了首個鎳氫電池。國際太空站、2001 火星奧德賽號及火星全球探勘者號都配備了鎳氫電池。處於地球陰影部份的時候，哈伯太空望遠鏡也是由鎳氫電池供電的。這個電池在運作 19 年後（超過設計年期 13 年），終於在 2009 年 5 月被更換下來。

### 量子理論

氫是原子結構最為簡單的元素，只含一個質子和一個電子。在原子結構模型的發展過程中，氫原子和它的發射、吸收光譜都有著特殊的理論價值。物理學家在 1925 年前後發展出氫原子的量子力學描述，此後氫分子以及 ${\ce {H2+}}$ 陽離子又因為結構簡單，而成為科學家在研究化學鍵本質時所用的重要對象。

 

### 反物質

反氫（ ${\overline {\mathrm {H} }}$ ）是對應於氫的反物質，含一個反質子和一個正子。截至 2015 年，反氫是唯一被合成過的反物質原子。

## 分佈

氫是宇宙中豐度最高的化學元素，佔重子總質量的 75%，原子總數的 90% 以上。（不過，宇宙的大部份質量並不是由化學元素物質所組成的，而是有待進一步了解的暗物質和暗能量。）氫是恆星和巨行星的主要成份之一，並通過質子﹣質子連鎖反應和碳氮氧循環核融合反應為恆星提供能量。H2 分子雲是恆星形成的地點。

宇宙中的氫主要以單原子形態和電漿態存在，此兩者的性質和雙原子氫分子頗為不同。氫電漿中，電子和質子各自獨立，所以電導率和發射率都很高，這是太陽等恆星發光的原因。這些帶電粒子受電磁場的影響，例如，太陽風會和地球磁層交互作用，產生白克蘭電流和極光。星際物質含有中性單原子氫。直到紅移 $z=4$ 為止，宇宙重子密度都以阻尼萊曼 α 系統中的大量中性氫原子為主。

在地球上的常規條件下，氫的單質以雙原子氣體存在，即 ${\ce {H2}}$ 。但由於質量低，氫氣比其他較重的氣體更容易逃逸地球重力，所以在地球大氣中的含量極低，只佔大氣總體積的百萬分之 1。另一方面，氫卻是地球表面豐度排第三的元素，主要存在於碳氫化合物和水等化合物當中。某些細菌和藻類會釋放氫氣，胃腸氣中也含有氫氣。

星際物質中的氫分子經宇宙射線的游離之後，會形成三氫陽離子（ ${\ce {H3+}}$ ）。這種離子也存在於木星的大氣上層。在太空的低溫低密度環境下，三氫陽離子可以較穩定地存在，所以它是宇宙中最常見的離子之一，對星際物質的化學研究也起到了重要的作用。中性三原子氫（ ${\ce {H3}}$ ）是一種不穩定分子，只能在激發狀態下存在。氫分子陽離子（ ${\ce {H2+}}$ ）是宇宙中罕見的分子。

## 自然形成與實驗製備

在實驗室中，不少化學反應都會釋放氫氣，如活潑金屬和酸的反應。工業生產出的氫可以用來氫化各種不飽和物質。在自然界中，生物體的還原反應也會釋放出氫氣。

### 蒸汽重整

工業上，氫氣可由蒸汽轉化得到，但在轉化之前，需要先經過脫硫步驟：

　
: ${\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3H2}}$

　
: ${\ce {CO + H2O <=> CO2 + H2}}$

### 熱化學反應

能分離水的熱化學循環過程共有 200 多種，其中可以從水和熱量直接產生氫氣和氧氣的過程包括：氧化鐵循環、氧化鈰 (IV)- 氧化鈰 (III) 循環、鋅 - 氧化鋅循環、硫碘循環、銅氯循環、混合硫循環等等，都有待進一步研究。多個國家都有實驗室著力研究可以從太陽能和水生成氫氣的熱化學方法。

### 無氧腐蝕作用

在無氧條件下，鐵和合成鋼會被水分子中的質子緩慢氧化，而水則會還原成分子氫。在鐵的無氧腐蝕過程中，首先形成的是氫氧化亞鐵（ ${\ce {Fe(OH)2}}$ ，又稱綠銹）：

　
: ${\ce {Fe + 2H2O -> Fe(OH)2 + H2}}$

水分子中的質子再對氫氧化亞鐵進行無氧性氧化反應，產生磁鐵礦（ ${\ce {Fe3O4}}$ ）和分子氫，是為西科爾反應：

　
: ${\ce {3Fe(OH)2 -> Fe3O4 + 2H2O + H2}}$

磁鐵礦晶體的熱力學穩定性比氫氧化亞鐵高。

在缺氧地下水和位於地下水台以下具還原性的土壤中，鐵和鋼就是經過這一反應受無氧侵蝕的。

### 蛇紋石化反應

在地底深處缺乏大氣氧氣的環境下，鐵橄欖石晶格中的矽酸鐵會受到水分子中的質子的無氧性氧化，產生氫氣，這叫蛇紋石化作用。除了氫氣以外，反應還會產生磁鐵礦（ ${\ce {Fe3O4}}$ ）和石英（ ${\ce {SiO2}}$ ）：

　
: ${\ce {3Fe2SiO4 + 2H2O -> 2Fe3O4 + 3SiO2 +2H2}}$

以上反應和氫氧化二鐵的無氧腐蝕過程（西科爾反應）十分相似。

### 變壓器

在變壓器會產生的各種故障氣體中，氫氣是最常見的一種，在大部份故障情況下都會形成。所以，探測到氫氣，意味著變壓器可能出現了嚴重的問題。

## 應用

氫氣可用於石化或礦物加工，如加氫脫烷基反應、加氫脫硫反應和裂化反應等。它也可以用作工業輔助物質及能量載體。氫作為能量載體目前已經有了初期應用，如氫動力汽車、核融合發電技術等。

## 生物過程

某些類型的無氧代謝反應會產生氫氣。會釋出氫氣的微生物一般以含鐵或含鎳的氫化酶作為催化劑，進行以下的可逆氧化還原反應：

　
: ${\ce {H2 <=> 2H+ +2e-}}$

在丙酮酸鹽發酵成水的過程中，還原當量（任何在氧化還原反應中可轉移單個電子的化學物）轉移時會產生氫氣。生物體內氫的自然產生和消耗稱為氫循環。

所有光和生物所進行的光反應都會把水分解成質子、電子和氧氣。在某些生物中，如萊茵衣藻和藍綠藻等，演化出了「暗反應」的第二階段：質子和電子通過葉綠體的特殊氫化酶還原成氫氣。一些科學家正在研究用基因改造方法，使水藻和藍綠藻的氫化酶在有氧環境下也能高效合成氫氣。

## 安全

氫在不同情況下都會對人體造成危險。與空氣混合時，氫氣會輕易燃燒和爆炸，而純氫氣則會使人窒息。液氫的溫度極低，所以和其他低溫液體一樣有一定的危險性，比如會引致凍傷。氫氣可以溶解在多種金屬之中，除了可能的洩漏以外，氫氣還會造成金屬的氫脆現象，引致材料爆裂。洩漏到空氣中的氫氣無色無味，且可以自燃，產生高溫但幾乎不可見的火焰，因此有意外灼傷的可能性。

氫的許多性質都受到了其自旋異構物（正氫和仲氫）比例的影響。不少數據所描述的是處於平衡態的氫氣，但氫氣有時需要幾天乃至幾週的時間才會達致平衡，所以它的安全數據可能和現實中的氫氣有所差別。另外，容器的形狀，也會大大影響氫氣的爆炸臨界溫度和壓力。

## 註釋

## 參見

* 質子
* 反氫
* 氫的同位素
* 第 1 週期元素
* 零號元素
* 氦
* 氕
* 氘
* 氚
* 氫氣

## 參考文獻

## 延伸閱讀

* Chart of the Nuclides 17th. Knolls Atomic Power Laboratory. 2010 [2016-01-08]. ISBN978-0-9843653-0-2. （原始內容存檔於 2016-01-10）.
* Ferreira-Aparicio, P; Benito, M. J.; Sanz, J. L. New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers. Catalysis Reviews. 2005, **47** (4): 491–588. doi:10.1080/01614940500364958.
* Newton, David E. The Chemical Elements. New York: Franklin Watts. 1994. ISBN 0-531-12501-7.
* Rigden, John S. Hydrogen: The Essential Element. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. 2002. ISBN 0-531-12501-7.
* Romm, Joseph, J. The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate. Island Press. 2004. ISBN 1-55963-703-X.
* Scerri, Eric. The Periodic System, Its Story and Its Significance. New York: Oxford University Press. 2007. ISBN 0-19-530573-6.

## 外部連結

* 元素氫在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 氫（英文）
* 元素氫在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素氫在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 氫（英文）
* Basic Hydrogen Calculations of Quantum Mechanics（量子力學有關氫原子的基礎計算）
* Hydrogen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） at _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）
* High temperature hydrogen phase diagram （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（高溫氫相圖）
* Wavefunction of hydrogen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（氫原子的波函數）