一、氢气的发现

在化学元素的发现历史上，很难确定氢是谁发现的，因为曾经有不少人从事过制取氢的实验。16世纪末期，瑞士化学家帕拉塞尔苏斯（原名西奥菲拉斯特·邦博斯特·冯·霍恩海姆）注意到一个现象，酸腐蚀金属时会产生一种可以燃烧的气体，也就是说他无意中发现了氢气。1671年，爱尔兰著名哲学家、化学家、物理学家和发明家罗伯特·玻义尔也曾经研究过氢气，而且他描述了氢气性质。科学发现属于谁主要决定于科学发现本身的定义。在科学史上，人们最终把氢气的发现者确定为亨利·卡文迪什。因为是他最先把氢气收集起来，并仔细加以研究，并确定了氢气的密度等关键性质（图1.3）。

图1.3 英国剑桥大学著名物理学家和化学家卡文迪什，1731年10月10日出生于法国尼斯，1810年2月24日卒于英国伦敦，享年78岁。以发现氢气和准确测定地球密度闻名。

1766年，卡文迪什把一篇名为《论人工空气》的研究报告提交给英国皇家学会。在这一论文中，所论及的除碳酸气外，主要讲的就是氢气。卡文迪什用铁和锌等与盐酸及稀硫酸反应的方法制取氢气，并将氢气用水银槽法收集起来。他发现，用一定量的某种金属与足量的各种酸作用，所产生的氢气量总是固定不变的，与酸的种类和浓度无关。他还发现，氢气与空气混合点燃会发生爆炸。所以卡文迪什称这种气体为“可燃空气”。并指出，这种气体比普通空气轻11倍，不溶于水或碱溶液。

1781年，英国化学家普利斯特里在做有关“可燃空气”的实验时，发现它和空气混合爆炸后有液体产生。普利斯特里把这一发现告诉了卡文迪什，卡文迪什用多种不同比例的氢和空气的混合物进行实验，证实了普利斯特里的发现，并断定所生成的液体是水。卡文迪什指出，如果把氢气和氧气放在一个玻璃球里，再通上电，就生成水。当氧气被发现后，卡文迪什用纯氧代替空气重复以前的实验，不仅证明氢气与氧气化合成水，而且定量地确认大约2体积氢气与1体积氧气恰好化合成水，该结果发表于1784年。由于卡文迪什是燃素学说的虔诚信徒，所以他认为，金属中含有燃素，当金属在酸中溶解的时候，金属所含的燃素释放出来，形成了这种“可燃空气”。尽管卡文迪什首先发现了氢气，并首先证明了氢气和氧气反应的定量关系，但由于受到传统理论的束缚，他并没有正确认识到氢气发现的重要价值。

法国著名化学家劳伦斯·拉瓦锡重复了卡文迪什的实验，明确提出正确的结论，水不是一个元素，而是氢和氧的化合物。拉瓦锡于1787年确认氢是一种元素，将这种气体命名为氢，意思是“成水元素”。拉瓦锡1794年5月8日死于断头台上，成为现代科学史上的重大灾难。

在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。泥土中约有1.5%的氢，石油、天然气、动植物体也含氢气。在地球表面的空气中，氢气约占总体积的一千万分之五（0.5 ppm）。在离地面20~25 km的高空，大气中可能只有氦和氢。

二、氢气的物理性质

氢通常的单质形态是氢气，氢气是无色、无味和无臭的双原子气体分子。氢气的密度非常小，是自然界分子量最小的气体，比空气的密度小许多。在标准状况下（温度为0℃，压强为101.325千帕），1升氢气的质量是0.089克。跟同体积的空气相比，氢气质量约是空气的1／14。利用这一性质，人们曾经用氢气球作为运输工具。由于氢气的密度太低，地球上的氢气逐渐在大气中上升，并最后逐渐向宇宙中挥发。

氢气是非常难液化的气体，在101.325千帕下，氢气在-252.8℃时，能变成无色的液体，液体氢具有超导性质。在-259.2℃时，液体氢能变为雪花状的固体氢。

氢在一般液体的溶解度比较小。在一定温度和压强下，气体在一定量溶剂中溶解的最高量称为气体的溶解度。气体的溶解度除与气体本性、溶剂性质有关外，还与温度、压强有关，其溶解度一般随着温度升高而减少，由于气体溶解时体积变化很大，故其溶解度随压强增大而显著增大。溶解度常用某一确定温度条件下1体积溶剂中所溶解的最多体积数来表示。如20℃时1个大气压（纯氢气环境）条件下，100 ml水中能溶解1.82 ml氢气，则表示为1.82%等。如果按照摩尔浓度计算，20℃时水中溶解1个大气压纯氢气的浓度为0. 92 mM。有研究提示，与许多气体不同的是，氢气的溶液度可能随着温度增加而增大。

关于气体溶解于液体的溶解度，在1803年英国化学家亨利，根据对气体稀溶液的研究总结出一条经验定律，称为亨利定律。根据亨利定律，在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比。也就是说气体在液体中的溶解度随着该气体的分压增大而成比例增大。100%的氢气在同样条件下在液体中的溶解度，是2%的氢气的50倍。氢在水中的溶解度(0.017%)比氮(0.013%)稍大；氢在脂肪中的溶解度0.036%)比氮(0.067%)小，大约为氮的1/2；在25℃时，氢在乙醇中的溶解度为0.089%，是水中的4倍。虽然氢在水和脂肪中的溶解度很小，但在镍、钯和钼等金属中的溶解度都很大，一体积的钯能溶解几百体积的氢。

由于氢气分子量小等原因，氢气渗透性很强，常温下就可透过橡皮和乳胶管，而在高温下可透过钯、镍、钢等金属薄膜。灌好的氢气球，往往过一夜，第二天就因为漏气体积缩小飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔。不仅如此，在高温、高压下，氢气甚至可以穿过很厚的钢板。而且氢气具有很强的渗透性，所以当钢暴露于一定温度和压力的氢气中时，渗透于钢的晶格中的原子氢在缓慢的变形中引起脆化作用。氢气的这种性质给氢气的储存和运输带来很大困难。

氢气的比热大、导热性能好。氢气导热率比空气大7倍。在相同的压力下，氢的比热是氮的13.6倍，氦的2.72倍。因此，相对于其他气体，氢的吸热和导热性能都比较强。

氢的扩散速度快。根据气体扩散定律，气体在液体中的扩散速度和该气体的分子量的平方根成反比。在液体或人体组织中，氢的扩散速度为氮的3.74倍，氦（0.138）的1.41倍（见公式1）。

    （1）

氢的传音速度快。在标准状态下，空气的传音速度是331 m/s，氦的传音速度是972 m/s，而氢的传音速度是1286 m/s。因此，人如果呼吸氢气，则语音会发生明显的改变，潜水员呼吸氢气氧气混合气体也可以发生语音改变。

三、氢气的化学性质

氢气在常温下化学性质稳定，稳定的化学性质主要决定于组成氢气的两个氢原子之间较强的共价键。

氢气具有可燃性。在点燃或加热的条件下，氢气很容易和多种物质发生化学反应。纯净的氢气在点燃时，可安静燃烧，发出淡蓝色火焰，放出热量，有水生成。若在火焰上罩一干冷的烧杯，可以烧杯壁上见到水珠。氢气在发生燃烧的浓度范围为4-74%，低于或超过这个浓度，即使在高压下也不会燃烧或爆炸。在氧气环境中，氢气的燃烧浓度范围4-94%。当氧气浓度低于4%时，即使在非常高的压力条件下，氢气和氧气的混合气都不会燃烧。人们利用氢气的这个特点把氢气用于潜水作业，也可以利用氢气这些特点设计安全呼吸氢气的设备。

氢气具有还原性。氢气的化学性质活泼，与氧发生化合反应生成水，容易发生燃烧和爆炸。可燃性也是氢气具有还原性的体现，是氢气还原氧气的性质所决定的。氢气不但能跟氧单质反应，也能跟某些化合物里的氧发生反应。例如：将氢气通过灼热的氧化铜，可得到红色的金属铜，同时有水生成。在这个反应里，氢气夺取了氧化铜中的氧，生成了水；氧化铜失去了氧，被还原成红色的铜，证明，氢气具有还原性，是很好的还原剂，氢气还可以还原其它一些金属氧化物，如三氧化钨、四氧化三铁、氧化铅和氧化锌等。

尽管氢气具有还原性，不等于氢气在溶液中或生物体内也具有同样的性质，例如氢气和氧气发生燃烧需要氢气的浓度为4%以上，燃点为400℃。在人体环境下，氢气即使在纯氢的环境下，溶解浓度也只有1.8%，而由于机体温度只有37℃，这种条件距离氢气和氧气发生反应的条件非常远，因此氢气和氧气在人体内无法发生反应。这正是长期以来人们把氢气作为生理学惰性气体的重要原因。

氢气不仅具有还原性，也具有氧化性。氢气是由氢原子共价形成的双原子分子，而每个氢原子可以分别获得一个电子形成负氢离子，这种情况见于和强还原性金属发生反应，其作用类似于氯气，在这类反应中氢气属于氧化剂，可以氧化金属为金属离子。严格意义上讲，氢气和金属反应的产物为氢化物，这种物质的特点是具有强还原性，非常容易与水发生反应释放大量氢气。

参考文献

1.    霍金: 时间简史：从大爆炸到黑洞. 湖南科学技术出版社.2007年.

2.    里格登：氢的传奇-人类的伟大发现.外语教学与研究出版社.2008年

3.    陶恒沂. 孙学军: 潜水医学. 上海科学技术出版社. 2010年.