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Uup(未知特性)
鉝(未知特性)
Uus(未知特性)
Uuo(未知特性)




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外觀
無色氣體

電漿態下發出的紫光

氫的原子光譜
概況
名稱·符號·序數 氫(Hydrogen)·H·1
元素類別 非金屬
亦可歸為類金屬
·週期· 1·1·s
標準原子質量 (1.00784–1.00811)[1]
電子排布

1s1
1

氫的電子層(1)
歷史
發現 亨利·卡文迪什[2][3](1766年)
命名 安東萬-羅倫·德·拉瓦節[4](1783年)
物理性質
顏色 無色
物態 氣體
密度 (0 °C, 101.325 kPa
0.08988 g/L
熔點時液體密度 0.07 g·cm−3
沸點時液體密度 0.07099 g·cm−3
熔點 13.99 K,−259.16 °C,−434.49 °F
沸點 20.271 K,−252.879 °C,−423.182 °F
三相點 13.8033 K(-259 °C),7.041 kPa
臨界點 32.938 K,1.2858 MPa
熔化熱 (H2)0.117 kJ·mol−1
汽化熱 (H2)0.904 kJ·mol−1
比熱容 (H2)28.836 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 15 20
原子性質
氧化態 −1, +1
兩性氧化物)
電負性 2.20(鮑林標度)
電離能 第一:1312.0 kJ·mol−1
共價半徑 31±5 pm
范德華半徑 120 pm
雜項
晶體結構

六方

氫具有六方晶體結構
磁序 抗磁性[5]
熱導率 0.1805 W·m−1·K−1
聲速 1310 m·s−1
CAS號 1333-74-0
最穩定同位素

主條目:氫的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
1H 99.9885% 穩定,帶0個中子
2H 0.0115% 穩定,帶1個中子
3H 痕量 12.32年 β 0.01861 3He

是一種化學元素,其化學符號H原子序為1。氫的原子量1.0079u,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%。[6][注 1]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1H),含1個質子,不含中子;天然氫還含極少量的同位素「氘」,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布全宇宙。在標準溫度和壓力之下,氫形成雙原子分子分子式為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(H),或失去一個電子成為氫陽離子(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,[7]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,[8]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」。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」,成為今天中文「氫」字的來源。[9][10]

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。[11]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,[12]使運輸管和儲存罐的設計更加複雜。[13]

性質[編輯]

燃燒[編輯]

倒掛著的黑色杯狀物噴出藍光
氫和氧在太空太空梭主引擎中燃燒,在最大推力下產生近乎無色的火焰。

氫氣(單原子或雙原子氫氣)[14]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。[15]氫的燃燒熱為−286 kJ/mol:[16]

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[注 2]

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。[17]氫氧混合氣在燃燒時發出紫外光,且在氧氣比例較高時,火焰對肉眼是無色的──例如,太空太空梭主引擎的火焰呈淡顏色,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,所以一般非常危險。在其他情況下,氫氣的燃燒火焰呈藍色,與自然氣的火焰顏色相似。[18]

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氟氣自發產生劇烈反應,分別形成氯化氫氟化氫兩種強酸。[19]

電子能級[編輯]

氫原子模型(圖示不按比例)

氫原子的電子基態能級為−13.6 eV[20]對應於波長約為91奈米的紫外線光子[21]

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。[22]

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[23]最複雜的計算可考慮到狹義相對論真空極化效應。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。

單質分子形態[編輯]

Bevatron粒子加速器的液氫氣泡室觀測到的粒子軌跡

雙原子氫分子有兩個原子核相對自旋不同的自旋異構體[24]其中正氫的兩個質子自旋平行,形成三重態,分子自旋量子數為1(12+12);仲氫的兩個質子自旋反平行,形成單重態,分子自旋量子數為0(1212)。在標準溫度和壓力下,氫氣含75%正氫和25%仲氫。[25]正氫和仲氫的平衡比例受溫度影響,但由於仲氫屬於激發態,而非穩定態,所以無法純化分離出來。在極低溫度下,處於平衡狀態的氫幾乎完全由正氫組成。純正氫在液態和氣態時的熱力屬性與混合態截然不同,這是因為兩者在旋轉熱容上有很大的差異。[26]其他含氫分子和官能基也有正、仲之分,例如水和亞甲基,但它們在熱力屬性上的差別極小。[27]

在沒有催化劑的情況下,正氫和仲氫之間的轉換速率隨著溫度的升高而增加,所以急速冷卻的氫會含有高比例的仲氫,且這一仲氫會非常緩慢地轉變為正氫。[28]氫在冷卻後的正、仲比例對液氫的製備和儲存十分重要:仲氫向正氫的轉化是一個放熱過程,其產生的熱量足以使一部份液氫蒸發並流失出去。在氫冷卻過程中協助正、仲氫轉化的催化劑有:三氧化二鐵活性炭、鉑石棉稀土金屬、鈾化合物、 三氧化二鉻及某些鎳化合物[29]等等[30]等等。

形態[編輯]

化合物[編輯]

共價及有機化合物[編輯]

雖然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。氫可以和電負性更高元素結合,如鹵素(氟、氯、溴、碘)和,這些化合物中的氫帶有部份正電荷。[31]氫與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。[32][33]氫也可以和電負性更低的元素結合,如各種金屬類金屬,這些化合物稱為氫化物,其中氫帶有部份負電荷。[34]

氫和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[35]有機化學是對此類化學物屬性的研究,[36]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[37]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。[35]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[編輯]

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性更低的元素結合而成,當中的氫呈負價,記作H吉爾伯特·路易士在1916年提出,1族2族的氫鹽中存在氫陰離子。1920年,K. Moers通過電解氫化鋰(LiH),在陽極提取出氫氣,證明了氫陰離子的存在。[38]由於氫的電負性較低,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(BeH2)。在氫化鋁鋰AlH
4
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。[39]二元氫化銦還未被發現,但它存在於更大的銦氫配合物中。[40]

無機化學中,氫化物還可用作橋接配體,連接配合物中的兩個金屬中心。這一用途在13族元素配合物中最為常見,特別是硼烷配合物和碳硼烷簇。[41]

質子與酸[編輯]

氫在氧化後會失去它的電子,形成氫陽離子(H+)。氫陽離子不含電子,其原子核通常只含一個質子,所以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。酸鹼質子理論分別定義為質子供體和質子受體。

質子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「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H9O+
4
的化學物質。[42]當酸溶液同時含有水和其他溶劑時,會形成其他的𨦡鹽[43]

儘管在地球上十分罕見,但H+
3
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。[44]

同位素[編輯]

氕放電管
氘放電管
氕是最常見的氫同位素,含一個質子和一個電子。它是所有元素中唯一不含中子的穩定同位素

氫有三種天然同位素,分別為,記作1H2H3H。其他不穩定同位素原子核(4H7H)可在實驗室中合成,但不存在於自然界中。[45][46]

  • 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。[47]
  • 2H)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。[48]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。[49]
  • 3H)的原子核含有一個質子和兩個中子。氚具有放射性,會β衰變氦-3半衰期為12.32年。[41]它的放射性可用於發光顏料,例如夜光鐘錶等(錶面玻璃可阻擋其輻射)。[50]因為宇宙射線和大氣氣體的交互作用會造成核嬗變,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。[51]氚的應用包括:核融合反應、[52]同位素地球化學示蹤劑[53]以及自發光照明器材[54]並可在化學和生物學實驗中用作放射性標識。[55]

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。2H3H有時會記作D和T,但本來對應於氕(Protium)的符號P,已經是的元素符號,所以不再通用。[56]根據國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)的命名指引,D、T、2H3H均可使用,其中以2H3H較為適宜。[57]

歷史[編輯]

發現及使用[編輯]

1671年,羅拔·波義耳發現屑和稀釋之間會發生反應,並產生氣體──就是氫氣。[58][59]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[60][61]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。[2][3]1783年,安東萬-羅倫·德·拉瓦節皮耶爾-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)。[4][3]

安東萬-羅倫·德·拉瓦節

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:

   Fe +    H2O → FeO + H2
2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

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

1898年,詹姆斯·杜瓦再生冷卻法及他所發明的真空保溫瓶,首次製成液氫[3]翌年,他又製成固體氫。[3]哈羅德·尤里於1931年12月發現氘,而歐內斯特·拉塞福馬克·奧利芬特英語Mark Oliphant保羅·哈特克英語Paul Harteck則在1934年首次製備出氚。[2]尤里的研究小組在1932年發現重水,即含有氘的水。[3]1806年,弗朗斯瓦·伊薩克·德·利瓦英語François Isaac de Rivaz製造了第一部以氫氧混合物作為燃料的內燃機──德利瓦引擎英語de Rivaz engine愛德華·丹尼爾·克拉克英語Edward Daniel Clarke在1819年發明了氫氣吹管。德貝萊納燈英語Döbereiner's lamp聚光燈則在1823年被發明。[3]

1783年,雅克·沙爾英語Jacques Charles發明了首個氫氣球[3]1852年,亨利·吉法爾英語Henri Giffard發明了首個以氫氣提供升力的載人飛艇。[3]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。[3]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飛船英語R34 (airship)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,以致飛船於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。[3]整個事故經電台直播,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,是飛船鍍的表面布料被靜電點燃引致起火。無論如何,人們此時已不再願意用氫氣來飛行了。

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[62]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[63]國際太空站[64]2001火星奧德賽號[65]火星全球探勘者號[66]都配備了鎳氫電池。處於地球陰影部份的時候,哈柏太空望遠鏡也是由鎳氫電池供電的。[67]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。[68]

量子理論[編輯]

氫在可見光範圍內的發射光譜共有巴耳末系的四條譜線

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。[69]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H+
2
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。

早在量子力學發展成熟整整半個世紀以前,詹姆斯·克拉克·馬克士威就觀察到了氫的量子效應。他注意到,H2熱容量在低於室溫的溫度下,開始偏離雙原子氣體的性質,在極低溫下更像單原子氣體。根據量子理論,這一現象源自於分子旋轉能級之間的間距。在質量尤其低的H2分子中,能級之間的間距特別大。在低溫下,較大的能級間距使得熱量無法均分到分子的旋轉運動上。由更重的原子所組成的雙原子氣體會有較小的能級間距,所以在低溫下不呈現這種現象。[70]

反氫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,反氫是唯一一種被合成過的反物質原子。[71][72]

分布[編輯]

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暗能量。)[73]氫是恆星巨行星的主要成份之一,並通過質子﹣質子鏈反應碳氮氧循環核融合反應為恆星提供能量。H2分子雲恆星形成的地點。[74]

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。[75]

在地球上的常規條件下,氫的單質以雙原子氣體存在,即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,[76]主要存在於碳氫化合物和水等化合物當中。[41]某些細菌藻類會釋放氫氣,胃腸氣中也含有氫氣。[77]

星際物質中的氫分子經宇宙射線的電離之後,會形成三氫陽離子H+
3
)。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。[78]中性三原子氫(H3)是一種不穩定分子,只能在激發狀態下存在。[79]氫分子陽離子H+
2
)是宇宙中罕見的分子。

自然形成與實驗製備[編輯]

在實驗室中,不少化學反應都會釋放氫氣作為副產品。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。

金屬-酸反應[編輯]

在實驗室中製備氫氣,一般用非氧化酸與反應性較高的金屬(如)在啟普發生器中發生反應:

Zn + 2 H+Zn2+ + H2

經過鹼的處理後,也會產生氫氣:

2 Al + 6 H2O + 2 OH → 2 Al(OH)
4
+ 3 H2

對水進行電解,可以很容易地製成氫氣。當低電壓的電流通過水的時候,氧氣會在陽極積累,而氫氣則在陰極積累。在製備氫氣作儲存之用時,陰極的材料一般選用等惰性金屬,以避免與氫氣發生反應。如果製成的氫氣須要當場用來燃燒,則氧氣可助燃,所以陽極也應該用惰性金屬作為材料。理論上的最大能源效率,即產出的氫氣所含潛在能量佔投入電能的比例,為80%至94%。[80]

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

用鋁合金製成的顆粒,加入水中,會產生氫氣。這一反應也會產生氧化鋁,但用於防止顆粒表面形成氧化層、成本較高的鎵在反應之後可以回收再用。這一反應有潛力成為氫能經濟的基礎,因為氫氣可以在現場生成,無須運輸。[81]

蒸汽重整[編輯]

在眾多氫氣製備方法中,經濟效益最高的是從碳氫化合物中提取出氫氣。商業上,一般是對天然氣進行蒸汽重整來大規模生產氫氣。[82]在高溫下(1000–1400 K,700–1100 °C,1300–2000 °F),水蒸汽和甲烷會發生反應,產生一氧化碳和氫氣:

CH4 + H2O → CO + 3 H2

以上的反應在低壓進行時效率更高,但卻通常在高壓下進行(2.0  MPa,20 atm,600 inHg),因為高壓氫氣是市場上最為普及,且變壓吸附英語Pressure Swing Adsorption純化系統更適合在高壓下工作。由於反應所產生的一氧化碳-氫氣混合物經常直接用於生產甲醇及其他相關的化合物,所以也稱為合成氣。甲烷以外的碳氫化合物也可以用來製造合成氣,但產物比例可能會有所不同。在缺水的情況下,焦炭就會形成,影響合成氣的產量:

CH4 → C + 2 H2

因此,在進行蒸汽重整過程時,通常應注入過量的蒸汽。利用水氣轉移反應英語water gas shift reaction,並以氧化鐵作為催化劑,可從蒸汽中提取出更多的氫氣。蒸汽重整也是二氧化碳的一大工業來源:[82]

CO + H2OCO2 + H2

氫氣的其他生產方法還包括,碳氫化合物的部份氧化反應:[83]

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

以及對煤炭反應的碳產物進行以上的轉移反應:[82]

C + H2O → CO + H2

氫氣在生產後,有時會在同一道工業程序中直接被使用,期間不經分離。在用於生產哈柏法中,氫氣是從天然氣中提取出來的。[84]對鹽水進行電解,在產生氯氣的同時,也會生成氫氣作為副產品。[85]

熱化學反應[編輯]

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。[86]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。[87]

無氧腐蝕作用[編輯]

在無氧條件下,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Fe(OH)2,又稱綠銹):

Fe + 2 H2O → 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Fe3O4)和分子氫,是為西科爾反應英語Schikorr reaction

3 Fe(OH)2Fe3O4 + 2 H2O + 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[編輯]

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(Fe3O4)和石英SiO2):

3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2

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[編輯]

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。[88]

應用[編輯]

石油和化學工業都需要大量的氫氣,其中以化石燃料加工及經哈伯法生產為主要應用。在石油化工廠中須消耗氫氣的過程有:加氫脫烷基反應加氫脫硫反應裂化反應等。氫氣可以用來對非飽和脂肪和油類進行氫化,增加飽和程度(如固體植物牛油),也可以用於生產甲醇氫氯酸。氫氣可以對金屬礦物進行還原。[89]

氫氣極易溶於許多稀土金屬過渡金屬之中,[90]同時也可溶於奈米晶態和非晶態金屬[91]氫氣在金屬中的可溶性受到了晶格局部變形和雜質的影響。[92]利用這一屬性,可將氫氣在高溫圓盤上通過,提高氫氣的純度。不過,氫氣在金屬中的溶解會導致氫脆現象,[12]使運輸管和儲存罐的設計更為複雜。[13]

除了用在化學反應中以外,氫氣在物理學和工程學上也有廣泛的應用。它在一些焊接方法中可用作保護氣體,例如原子氫焊接法[93][94]氫氣的分子質量很低,因此它密度低,熱容量熱導率亦為所有氣體中最高,很適合用作發電機的轉子冷卻劑。液氫可用於低溫物理學中,例如對超導現象的研究。[95]氫氣的質量密度很低,稍高於空氣密度的四分之一,所以氣球和飛艇都曾經用氫氣來提供升力。[96]但1937年的興登堡號空難造成36人死亡後,氫氣在載人飛般及氣球填充上的應用已被較穩定的氦氣所完全取代。[97]

氫氣和氮氣混合後稱為合成氣體,可以作為示蹤氣體,用於探測微小的漏氣點,在汽車、化學、發電、航空航天和電信等工業中都有應用的空間。[98]氫氣在許多國家屬於合法的食物添加劑(E 949),可以用來探測包裝有無洩漏,以及防止食物氧化。[99]

氫可以用來飽和無定形碳無定性矽的斷鍵(懸鍵),使物質屬性變得更加穩定。[100]氫在各種氧化物材料中可以作為電子供體,包括:ZnO[101][102]SnO2CdOMgO[103]ZrO2HfO2La2O3Y2O3TiO2SrTiO3LaAlO3SiO2Al2O3ZrSiO4HfSiO4SrZrO3等。[104]

氘和氚同位素也有其各自的特殊應用。氘可用於核融合反應中,也可用作核裂變反應的中子減速劑[3]化學和生物學都會利用氘化合物來研究各種化學反應的動力學同位素效應[105]核反應爐所產生的氚可以用來製造氫彈[106]在生物科學中用作同位素標識,[55]以及在發光顏料中作為輻射源[107]

1990年國際實用溫標(ITS-90)把氫在平衡態下的三相點溫度定義為13.8033 K,從而為克耳文溫標定下了國際標準。[108]

能量載體[編輯]

氫本身並不是一種能源資源。[109]利用氘或氚同位素來進行核融合發電的技術,目前還遠沒有達到發展成熟的階段。[110]雖然太陽的能量來自於氫的核融合反應,但要在地球上穩定控制這一過程卻是極為困難的。[111]用太陽能、電能或生物過程產生單質氫所需要的能量,比氫燃燒後所得的能量要高,所以氫只能是一種能量載體,就像電池一樣。氫可以取自甲烷等化石燃料,但這些燃料都屬於不可再生資源。[109]

液氮和壓縮氫氣的單位體積所含能量密度比傳統燃料低得多,但單位質量所含能量密度卻更加高。[109]氫氣被認為有潛力成為一種常用的能源載體,作為新的經濟基礎。[112]舉例來說,在從化石燃料提取氫氣的同時,可以對二氧化碳進行收集及封存[113]汽車在燃燒氫氣時的污染較低,除一些氮氧化物以外,[114]不會排放任何的碳。[113]燃料電池將氫氣和氧氣轉化為電力,效率比內燃機更高。[115]然而,要從現狀完全轉變到氫經濟,則需要龐大的基建成本。[116]

生物過程[編輯]

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:

H2 化學平衡符號 2 H+ + 2 e-

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。[117]生物體內氫的自然產生和消耗稱為氫循環[118]

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Chlamydomonas reinhardtii)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。[119]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。[120][121]

安全[編輯]

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。[122]洩漏到空氣中的氫氣無色無味,且可以自燃,產生高溫但無色的火焰,因此有意外灼傷的可能性。[123]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[124]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,[125]引致材料爆裂。[126]

氫的許多性質都受到了其自旋異構體(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。[122]

註釋[編輯]

  1. ^ 宇宙中絕大部份的質量並不是由重子或化學元素組成。參見:暗物質暗能量
  2. ^ 286 kJ/mol:每莫耳可燃燒物質(氫分子)所產生的能量

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外部連結[編輯]