元素周期表系列：第1号元素——氢元素

严浩

博士科普元素团队

你知道吗：氢是宇宙中最丰富的元素。它的总质量占所有元素综合的75%之多。不过，宇宙中还可能存在神秘的暗物质，据推测这些暗物质的质量比元素的总和还要多得多。

氢元素是什么样一种元素呢？

博科小答：氢元素在元素周期表中排在第一位。它的原子结构最简单，有一个质子数为1的原子核以及1个核外电子组成，是最轻的元素。单质形态的氢，即氢气，在空气中燃烧形成水，得名Hydrogen，意为水（hydro）的制造者（genes）²。

氢元素有什么化学性质？

博科小答：氢原子只含有一个电子。它常以+1价的形式存在于共价化合物中，例如水H₂O, 氯化氢HCl等等。在水溶液中，氢原子容易失去电子，以带1个正电荷的水合氢离子H₃O⁺形态存在。与非常活泼的金属元素结合的时候，氢也会表现出-1价呢，如氢化钠NaH。在地质结构中，氢还以结合水的形式存在于矿物晶体中。

氢元素的单质-氢气如何制备？

博科小答：在实验室中得到氢气的方法主要是通过活泼金属与酸的置换反应，让氢离子H⁺获得金属的电子形成电中性氢气H₂。这种制备方法的发现完全基于偶然。在1766年英国的化学家卡文迪什不小心把一个铁片掉进了盐酸中，然而这个小小的失误却引发了重大的发现：盐酸溶液中竟然有气泡产生。卡文迪什用排水法收集这种气体，并对它的性质进行了一系列研究。除上述方法外，还可使用电解水的方法可以将水分子分解成体积比为2：1的氢气和氧气。在工业上常使用水蒸气H₂O与碳C或甲烷CH₄反应大规模制备氢气。

氢气有怎样的性质？

博科小答：首先要强调的是氢气是极易爆炸的气体。空气中混入体积占比4.0%的氢气就有爆炸危险^2，3。由于重量很小以及制取相对容易，历史上曾用氢气填充飞艇的气囊。然而，如此大量使用氢气的危险程度可想而知，后来氢气的作用逐渐被氦气取代。氢气的燃烧热值大，可用做火箭发动机的燃料。由于氢气具有还原性，在工业上也常用来参与各类重要的化学反应。

氢气有毒吗？

博科小答：在保证不会发生爆炸或是因缺氧导致窒息的情况下，没有任何研究表明氢气对人体有可见负面影响。相反的，已经有研究表示氢气对某些疾病有改善作用，其中对器官缺血、再灌注损伤和炎症相关疾病的效果最显著³。

是点亮天空的元素，也是形成万物的基础

太阳是人类最原始也是最主要的光源，它为地球提供看似无穷无尽的能量。太阳和夜空中绝大多数的星星都是含有大量氢元素的天体。在这些天体中，无时无刻不在进行核聚变反应，将氢元素转变为氦元素，同时释放出大量的光与其他类型的射线。这些能量到达地球后，有部分被远古植物吸收、贮存，成为我们当今使用的化石燃料；有些是为大气循环、海水流动提供动力。

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¹[美] Theodore Gray. 视觉之旅：神奇的化学元素(彩色典藏版) (Kindle Locations 2770-2789). 人民邮电出版社. Kindle Edition

² Wikipedia, Hydrogen

³ 百度百科，氢

⁴孙学军．氢分子生物学：第二军医大学出版社，2013年4月第1版