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首頁 氣體類 氫氣H2

氫氣H2

氫是原子序數為1的化學元素,化學符號為H,在元素周期表中位於第一位。其原子質量為1.00794u,是最輕的,也是宇宙中含量最多的元素,大約佔據宇宙質量的75%[1]。恆星通常由電漿態的氫構成。在地球上,遊離態的氫單質罕見。

產品編號 4
產品名稱 氫氣H2
產品形態 氣態
產品氣味 無色無味
產品性質 可燃性
 
氫氣的由來

氫是原子序數為1的化學元素,化學符號為H,在元素周期表中位於第一位。其原子質量為1.00794u,是最輕的,也是宇宙中含量最多的元素,大約佔據宇宙質量的75%[1]。恆星通常由電漿態的氫構成。在地球上,遊離態的氫單質罕見。

氫最常見的同位素是氕,含1個質子,不含中子。在離子化合物中,氫原子可以得一個電子成為 H− 構成氫化物,也可以失去一個電子成為 H+。H+陽離子實際上以更為複雜的形式存在。氫與除稀有氣體外的幾乎所有元素都可形成化合物,存在於水和幾乎所有的有機物中。它在酸鹼化學中尤為重要,酸鹼反應中常存在氫離子的交換。氫作為最簡單的原子,在原子物理中有特別的理論價值。對氫原子的能級、成鍵等的研究在量子力學的發展中起了關鍵作用。

氫氣 (H2) 最早與16世紀初被人工合成,當使用的方法是將金屬置於強酸中。1766–81年,亨利·卡文迪許發現氫氣是一種與以往所發現氣體不同的另一種氣體 ,在燃燒時產生水,這一性質也決定了拉丁語 「hydrogenium」 這個名字(「生成水的物質」之意)。常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味的氣體。

氫氣可以置換出多種金屬,使得氫氣的存儲罐和管道之設計更加複雜。


性質

燃燒

氫氣與氧氣混合而燃燒,放出接近無色的火焰氫氣是一種極易燃的氣體,在空氣中的體積分數為4%至75%時都能燃燒。氫氣燃燒的焓變為−286 kJ/mol:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
氫氣佔4%至74%的濃度時與空氣混合,或佔5%至95%的濃度時與氯氣混合時是極易爆炸的氣體,在熱、日光或火花的刺激下易引爆。氫氣的著火點為500 °C[8]純淨的氫氣與氧氣的混合物燃燒時放出紫外線。

因為氫氣比空氣輕,所以氫氣的火焰傾向於快速上升,故其造成的危害小於碳氫化合物燃燒的危害。氫氣與所有的氧化性元素單質反應。氫氣在常溫下可自發的和氯氣(需要光照)和氟氣發生劇烈的燃燒反應,生成據有潛在危險性的酸氯化氫或氟化氫。


電子能級

主條目:氫原子

氫原子示意圖氫原子的電子能級的基態是 −13.6 eV,大概約等於一個波長 92 nm 的紫外線光子。

氫原子的能級可由玻爾模型較為準確的計算出。玻爾模型將電子和質子的關係理想化為地球和太陽的關係,只不過電子的向心力由質子和電子的電磁力產生。在量子力學早期,玻爾提出了角動量離散化的假設,故玻爾模型中的電子只能佔據離質子特定距離的軌道,也只能具有特定的能量。

由量子力學中的薛丁格方程或與之等價的費曼路徑積分表述來計算質子周圍位置電子出現的機率密度,可以更準確的刻畫氫原子的結構。


化合物

共價及有機化合物

雖然氫氣在通常狀態下不是非常活潑,但氫氣與絕大多數元素會組成化合物。碳氫化合物已知有數以百萬種,但它們不會由氫氣和碳直接化合形成。氫氣與電負性較強的元素(如鹵素)反應,在這些化合物中氫的氧化態為+1。氫與氟、氧、氮成鍵時,可生成一種較強的非共價的鍵,稱為氫鍵。氫鍵對許多生物分子具有重要意義。氫也與電負性較低的元素(如金屬)生成化合物,這時氫的氧化態通常為 -1,這樣的化合物稱為氫化物。

氫氣與碳形成的化合物,由於其與生物的關係,通常被稱為有機物,研究有機物的學科稱為有機化學,而研究有機物在生物中所起的作用的科學稱為生物化學。按某些定義,「有機」只要求含有碳。但大多數含碳的化合物通常都含有氫。這些化合物的獨特性質主要是由碳氫鍵決定的。故有時有機物的定義要求物質含有碳氫鍵。

無機化學中,H- 可以作為橋接配體,連接配合物中的兩個金屬原子。這樣的特性通常在13族元素中體現,尤以硼烷、鋁配合物和碳硼烷中。

氫化物

含有氫元素的二元化合物稱為氫化物。「氫化物」一詞暗含氫顯負價,且其氧化態為-1的意思。氫負離子記做H-,其存在是1916年由吉爾伯特·路易斯預言的。1920年Moers用電解氫化鋰,在陰極產生氫氣,從而證明了氫化物的存在。對於非IA或IIA族的元素形成的氫化物,「氫化物」一詞並不准確,因為氫的電負性並不高。IIA族鹼土金屬的氫化物中有一個例外,即高聚物氫化鋰。氫化鋁鋰中4個氫原子緊靠鋁原子。雖然氫可與幾乎所有的主族元素形成氫化物,但這些氫化物的原子配比卻並不單一,例如二元的硼烷已發現100多種,但氫化鋁只有一種。二元氫化銦還未被發現,但它存在於更大的配合物中。

質子與酸

另見:酸鹼反應
對氫院子的氧化,也即讓氫原子失去其電子,即可得到 H+ (氫離子)。氫離子不含電子,由於氫原子通常不含中子,故氫離子通常只含1個質子。這也就是為什麼常將 H+ 直接稱為質子的原因。 H+ 是酸鹼理論的重要離子。

裸露的質子 H+ 不能直接在溶液或離子晶體中存在,這是由氫離子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。除非在電漿態物質中,氫離子不會脫離分子或原子的電子云。但是,「質子」或「氫離子」這個概念有時也指帶有一個質子的其他粒子,通常也記做 "H+" 。

為了避免認為溶液中存在孤立的氫離子,一般在水溶液中將水和氫離子構成的離子稱為水合氫離子(H3O+)。但這也只是一種理想化的情形。氫離子在水溶液中事實上以類似於 H9O4+ 的形式存在。

發現

16世紀末期,瑞士化學家巴拉采爾斯把鐵放在硫酸中,鐵片和硫酸發生反應,放出許多氣泡——氫氣。但直到1766年,氫才被英國科學家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)確定為化學元素,當時稱為可燃空氣,並證明它在空氣中與氧氣燃燒生成水。因此氫氣被認為是最理想的燃料,放熱量多,無污染。(一說:1783年)1787年法國化學家拉瓦錫(Antoine Lavoisier)證明氫是一種單質並給它命名。

名稱由來

希臘語hydro(水)+genes(造成),意即「產生水」的物質。
中文原稱「氫氣」為「輕氣」,「氫」屬以後新造的形聲字。
日語及朝鮮語循希臘語原義,稱為「水素」。

分布

在地球上和地球大氣中只存在極稀少的遊離狀態氫。在地殼裡,如果按質量計算,氫只佔總質量的1%,而如果按原子百分數計算,則佔17%。氫在自然界中分布很廣,水便是氫的「倉庫」——以重量百分比計算,水中含11%的氫;泥土中約有1.5%的氫;石油、天然氣、動植物體也含氫。在空氣中,氫氣倒不多,約佔總體積的兩百萬分之一。在整個宇宙中,按原子百分數來說,氫卻是最多的元素。據研究,在太陽的大氣中,按原子百分數計算,氫佔93%。在宇宙空間中,氫原子的數目比其他所有元素原子的總和約大100倍。

製備

工業法有電解法、烴裂解法、烴蒸氣轉化法、煉廠氣提取法。

蒸氣重組法

蒸氣重組法是工業上最廣為應用的。它使用了低碳素的碳氫化合物。

過程為:

CnHm + n H2O → n CO + (m/2 + n) H2
CO + H2O → CO2 + H2(水煤氣變換反應)
這是放熱過程。

其中蒸氣甲烷重組(SMR)是最常用也最便宜的生產方法。它使用天然氣為原料。在700–1100 °C,以金屬為催化劑,水蒸氣與甲烷反應產生一氧化碳和氫氣:CH4+H2O→ CO + 3 H2。

電解

加入少量酸到純水令水導電,再進行電解,可得氫氣和氧氣。

利用稀酸與金屬反應

例如:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑

純化

隨著半導體工業、精細化工和光電纖維工業的發展,產生了對高純氫的需求。例如,半導體生產工藝需要使用99.999%以上的高純氫。但是目前工業上各種制氫方法所得到的氫氣純度不高,為滿足工業上對各種高純氫的需求,必須對氫氣進行進一步的純化。氫氣的純化方法大致可分為兩類(物理法和化學法),六種方法。

同位素

主條目:氫的同位素
在眾多元素中,只有氫的同位素擁有不同名稱。

在自然界中存在的同位素有: 氕(1H)、氘(2H,D,重氫)、氚(3H,T,超重氫)

以人工方法合成的同位素有: 4H、5H、6H、7H。

用途

氫是重要工業原料,如生產合成氨和甲醇,也用來提鍊石油,氫化有機物質作為收縮氣體,用在氫氧焰熔接器和火箭燃料中。在高溫下用氫將金屬氧化物還原以製取金屬較之其他方法,產品的性質更易控制,同時金屬的純度也高。廣泛用於鎢、鉬、鈷、鐵等金屬粉末和鍺、矽的生產。

由於氫氣很輕,人們利用它來製作氫氣球。氫氣與氧氣化合時,放出大量的熱,被利用來進行切割金屬。

利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產生的能量能生產殺傷和破壞性極強的氫彈,其威力比原子彈大得多。

現在,氫氣還作為一種可替代性的未來的清潔能源,用於汽車等的燃料。為此,美國於2002年還提出了「國家氫動力計劃」。但是由於技術還不成熟,還沒有進行大批的工業化應用。2003年科學家發現,使用氫燃料會使大氣層中的氫增加約4~8倍。認為可能會讓同溫層的上端更冷、雲層更多,還會加劇臭氧洞的擴大。但是一些因素也可抵銷這種影響,如使用氯氟甲烷的減少、土壤的吸收、以及燃料電池的新技術的開發等。

(1)氫氣可以用於合成甲醇。

(2)氫氣引擎 。

(3)合成氨、燃料電池。

(4)化石工業之應用等。


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