氢气 (Hydrogen) 是氢元素形成的一种单质，化学式 $$\mathrm{H}_2,$$分子量为2.01588。常温常压下氢气是一种无色无味极易燃烧且难 溶于水的气体。氢气的密度为 $0.089 \mathrm{~g} / \mathrm{L}\left(101.325 \mathrm{kpa}, 0^{\circ} \mathrm{C}\right)$ ，只有空气的 $1 / 14$ ，是世界上已知的密度最小的气体。[6] 所以氢气 可作为飞艇、氢气球的填充气体（由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充）。氢气与电负性大的非金属反应显 示还原性，与活泼金属反应显示氧化性。

物质结构

氢气是一种双原子气体分子，由两个氢原子通过共用一对电子构成。氢气是自然界中 最小的分子。氢原子具有独特的电子构型 $1 \mathrm{~s}^1$ ，所以它既可能获得一个电子成为 $\mathrm{H}^{-}$(具 有氦构型 $1 \mathrm{~s}^2$ )，也可能失去一个电子变成质子 $\mathrm{H}^{+}$。因此它表面上不但很像卤素能获得 一个电子成为一种惰性气结构 $\mathrm{ns}^2{ }^2 \mathrm{np}{ }^6$ ，而且很像碱金属能失去一个电子成为 $\mathrm{M}^{+}\left(n{ }^2 n p^6\right)$ 。 然而，由于氢在其结构中没有别的电子，故它与这两族中的每一族都有足够 的差别，这说明将氢放在这两族之外是正确的。

氢气是无色并且密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.089克，相同体积比空气轻得多）。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在一个标准大气压下，温度-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；-259.1℃时，变成雪状固体。

氢气的一些物理性质

$$\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \text { 沸点 } & -252.8^{\circ} \mathrm{C}(101 \mathrm{kPa}) & \text { 熔点 } & -259.2^{\circ} \mathrm{C}(101 \mathrm{kPa}) \\\hline \text { 密度 } & 0.089 \mathrm{g} / \mathrm{L}\left(101.325 \mathrm{kpa}, 0^{\circ} \mathrm{C}\right) & \text { 气液容积比 } & 974 \mathrm{~L} / \mathrm{L}\left(15^{\circ} \mathrm{C}, 101 \mathrm{kPa}\right) \\\hline \text { 相对分子质量 } & 2.01588 & \text { 临界密度 } & 66.8 \mathrm{~kg} / \mathrm{m}^3 \\\hline \text { 三相点 } & -254.4^{\circ} \mathrm{C} & \text { 临界压力 } & 1.313 \mathrm{MPa} \\\hline \text { 熔化热 } & 48.84 \mathrm{~kJ} / \mathrm{kg}\left(-254.5^{\circ} \mathrm{C}\right. \text { ，平衡态) } & \text { 表面张力 } & 3.72 \mathrm{mN} / \mathrm{m} \text { (平衡态， }-252.8^{\circ} \mathrm{C} \text { ) } \\\hline \text { 热值 } & 1.4 \times 10^8 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}\left(2.82 \times 10^5 \mathrm{~J} / \mathrm{mol}\right) & \text { 折射系数 } & 1.0001265\left(1 \mathrm{~atm}, 25^{\circ} \mathrm{C}\right) \\\hline \text { 比热比 } & C_p / C_v=1.40\left(1 \mathrm{~atm}, 25^{\circ} \mathrm{C}\right. \text { ， 气体) } & \text { 易燃性级别 } & 4 \\\hline \text { 比热容 }(c p) & 14.30 \mathrm{~kJ} /(\mathrm{kg} \cdot \mathrm{K}),\left(1 \mathrm{~atm}, 25^{\circ} \mathrm{C}\right) & \text { 比热容 }\left(c_V\right) & 10.21 \mathrm{~kJ} /(\mathrm{kg} \cdot \mathrm{K}),\left(1 \mathrm{~atm}, 25^{\circ} \mathrm{C}\right) \\\hline \text { 汽化热 } & 305 \mathrm{~kJ} / \mathrm{kg}\left(\Delta H,-249.5^{\circ} \mathrm{C}\right) & \text { 临界温度 } & -239.97^{\circ} \mathrm{C} \\\hline \text { 比容 } & 11.12 \mathrm{~m}^3 / \mathrm{kg}\left(1 \mathrm{~atm}, 21.2^{\circ} \mathrm{C}\right) & \text { 蒸汽压力 } & \begin{array}{l}53.33 \mathrm{kPa} \text { (正常态, } 21.621 \mathrm{~K} \text { ) } \\119.99 \mathrm{kPa} \text { (正常态，24.249 K) }\end{array} \\\hline \text { 粘度 } & 0.010 \mathrm{mPa} \cdot \mathrm{S}\left(1 \mathrm{~atm}, 0^{\circ} \mathrm{C}\right) & \text { 导热系数 } & 0.1289 \mathrm{~W} /(\mathrm{m} \cdot \mathrm{K})\left(1 \mathrm{~atm}, 0^{\circ} \mathrm{C}\right) \\\hline\end{array}$$

金属氢，是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体。导电性类似于金属，故称金属氢。金属氢是一种高密度、高储能材料。

综述

常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时（如点燃、加热、使用催化剂等），情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性（特别是被钯吸附）。金属钯对氢气的吸附作用最强。氢气与电负性大的元素反应显示还原性，与活泼金属单质常显示氧化性。氢气在催化剂的存在下能与大部分有机物进行加成反应。

可燃性

氢气是一种极易燃的气体，燃点只有 $574^{\circ} \mathrm{C}$ ，在空气中的体积分数为 $4 \%$ 至 $75 \%$ 时都能燃烧。氢气燃烧的焓变为 $-286 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol}$ :$$2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}), \quad \Delta \mathrm{H}=-572 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol}$$ 当空气中氢气浓度在 $4.1 \%$ 至 $74.8 \%$ 时，遇明火即可引起爆炸。氢气的着火点为 $500^{\circ} \mathrm{C}$ 。纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放 出紫外线。 在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气，纯净的氢气在空气里安静地燃烧，产生淡蓝色的火焰（氢气在玻璃导管口燃烧时，火焰 常略带黄色）。用烧杯罩在火焰的上方时，烧杯壁上有水珠生成，接触烧杯的手能感到发淡。 氢气在空气里燃烧，实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应，生成了水并放出大量的热。 $$2 \mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2 \stackrel{\text { 点燃 }}{=} 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$ 反过来，氢气可以用电解水的方式制备。这个反应的化学方程式是: $$2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \stackrel{\text { 通电 }}{=} 2 \mathrm{H}_2 \uparrow+\mathrm{O}_2 \uparrow$$

催化下与氧气反应

氢气在氧气过量和低温有催化剂的条件下可直接生成过氧化氢，副产物为水。（过氧化物中氧元素的化合价为-1） $$\mathrm{H_2}+\mathrm{O_2}\stackrel{催化剂}{\rightarrow}\mathrm{H_2O_2}$$

与卤素反应

氢气可将卤素还原为负价的离子。如，氢气在光照条件下可和氯气反应，生成氯化氢气体: $$\mathrm{H}_2+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 光照 }}{=} 2 \mathrm{HCl}$$ 在此反应中，氢气作为还原剂，将氯还原为负一价。 氢气与氟气混合，即使在阴暗的条件下，也会立刻爆炸，生成氟化氢气体: $$\mathrm{H}_2+\mathrm{F}_2=2 \mathrm{HF}$$

与金属氧化物反应

氢气具有还原性，能将金属氧化物还原为金属单质。如，氢气能迅速地还原氯化钯的水溶液: $$P d C l_2(a q)+H_2=P d(s)+2 H C l(a q)$$ 该反应可用作氢的灵敏检验反应。 在加热条件下氢气能与将氧化铜还原为橙色的金属铜并产生水。 $$\mathrm{CuO}+\mathrm{H}_2 \triangleq \mathrm{Cu}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$

与二氧化碳反应

二氧化碳与氢在催化剂作用下能生成甲醇: $$\mathrm{CO}_2+3 \mathrm{H}_2 \stackrel{\text { 高温,催化剂 }}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$ 二氧化碳氢气在高温高压下常生成甲烷和水: $$\mathrm{CO}_2+4 \mathrm{H}_2 \stackrel{\text { 高温,高压 }}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$

与氮气反应

氮气与在催化剂存在下与氢气高温高压生成氨气，工业常常采用这种方法制备氨气。 $$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \stackrel{\text { 高温,高压,催化剂 }}{\longrightarrow} 2 \mathrm{NH}_3$$

与烯烃反应

在反应过程中要打开烯烃的一个π键及一个H-H键，生成两个C-H键。反应是放热的，但即使是一个放热反应，在无催化剂时，反应也很难进行，这说明反应的活化能很高。在催化作用下烯烃与氢可顺利加成。如丙烯与氢气在催化剂的存在下生成丙烷： $$\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}=\mathrm{CH}_2+\mathrm{H}_2 \stackrel{\Delta, \mathrm{Pt}}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_3$$ 显然，催化剂的作用是降低了反应的活化能，简单地说，催化剂将氢与烯烃都吸附在其表面，从而促进反应的进行。

与炔烃反应

一般炔烃在用铂、钯等催化氢化时，通常得到烷烃。如乙炔在铂的存在下与氢气反应乙烷： $$\mathrm{HC} \equiv \mathrm{CH}+2 \mathrm{H}_2 \stackrel{\Delta, \mathrm{Pt}}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_3$$ 但在特殊催化剂如Lindlar催化剂（用醋酸铅或喹啉处理过的金属钯）作用下，炔烃与氢气反应可以制得烯烃。如乙炔与氢气在催化下生成乙烯： $$\mathrm{HC} \equiv \mathrm{CH}+\mathrm{H}_2 \stackrel{\Delta, \text { Lindlar催化剂 }}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_2=\mathrm{CH}_2$$

与苯反应

苯在镍的存在下与氢气加热，能与氢发生加成反应，生成环己烷。

还原羰基化合物

羰基化合物能被氢气还原。如，醛或酮经催化氢化可分别还原为伯醇或仲醇。 $$\begin{gathered}R H \mathrm{O}=\mathrm{O}+\mathrm{H}_2 \stackrel{N i}{\rightarrow} R \mathrm{RH}_2 \mathrm{OH} \\R(\mathrm{C=O}) \mathrm{R}^{\prime}+\mathrm{H}_2 \stackrel{N i}{\rightarrow} R C H\left(R^{\prime}\right) \mathrm{OH}\end{gathered}$$

油脂的氢化

含不饱和脂肪酸的油脂，在催化剂作用下可以加氢，加氢的结果是液态的油转化为半固态的脂肪，因此油脂的氢化也叫“油脂的硬化”。

Rosenmund还原反应

Rosenmund还原反应就是酰氯在部分失活的钯催化剂（Pd/BaSO$_4$）作用下与氢气进行还原得到醛。如，乙酰氯与氢气在催化下生成乙醛与氯化氢。 $$\mathrm{CH}_3 \mathrm{COCl}+\mathrm{H}_2 \stackrel{\mathrm{Pd- \textrm {BaSO } _ { 4 }}}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_3 \mathrm{CHO}+\mathrm{HCl}$$

与硫缩酮反应

氢气在雷尼镍的催化下能将硫缩酮脱硫生成烃类。

还原酰胺

氢气在催化剂存在下能将酰胺还原成胺，如乙酰胺在催化下与氢气反应生成乙胺： $$\mathrm{CH}_3 \mathrm{CONH}_2+2 \mathrm{H}_2 \stackrel{\text { 催化剂 }}{\longrightarrow} \mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{NH}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$

还原硝基

硝基可以被氢气还原为氨基，如硝基苯在钯碳催化剂下能被氢气还原为氨基苯： $$\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{NO}_2+3 \mathrm{H}_2 \stackrel{\text { 钯碳催化剂 }}{\longrightarrow} \mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{NH}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$

与活泼金属反应

氢气对活泼的金属常显示氧化性，因为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。如氢气与金属锂在加热条件下生成氢化锂: $$2 L i+H_2 \triangleq 2 L i H$$ 在此反应中氢气作为氧化剂，氢气从锂原子中获得一个电子而被还原为负离子。

工业用途

1、氢气是一种良好的化工原料，耗用氢气量最大的是合成氨，世界上约百分之六十的氢气用于合成氨，中国的比例更高。其次是经合成气（H2/CO2）制甲醇。氢与氯可合成氯化氢而制得盐酸。除能制氨和合成盐酸外，氢气还能还原有机物的硝基为氨基，如硝基苯氢化还原可制苯胺。用酮或醛和氢气还原烷化能制各种有机产品，例N-烷基-N苯基对苯二胺、防老剂4010，防老剂4020等。

2、由于氢气具有良好的还原性，且无污染，因此氢可代替碳作还原剂用于金属冶炼；此外，氢气还可用于光导纤维生产，金属的切割焊接，氢燃料电池汽车，分布式发电等。

3、在一般情况下，氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中，在氮气保护气中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。

4、氢气还可用作工业燃料，氢气作燃料用的优点之一就是分子量最低，而氢和氧的燃烧热值高，可达28670千卡／千克，比液氧和煤油的热值（10000千卡／千克左右）高得多，液氢是优良的火箭发动燃料，也可用于航天飞机的推进剂。据报导，中国从六十年代以来，已能生产液氢用于国防工业，先后建造了150、200、1500L／h的液氢生产设备，日总生产能力达数吨。除此以外，还拥有容积为60m³、70m³的液氢槽车和多种规格的液氢公路槽车，以及贮运中的相关技术装备。中国1984年4月8日发射的第一颗试验通信卫星，使用的就是液氢和液氧推进剂。

氢能源在工业中的优缺点

氢气无毒，不像有些燃料，如甲醇、一氧化碳毒性很大。并且氢气在开放的大气中，很容易快速逃逸，而不像汽油蒸汽挥发后滞留在空气中不易疏散（这使得事故发生时它的影响范围要小得多）。氢气燃烧不冒烟，只生成水，不会污染环境。

但氢能源的利用也有其不利因素。氢是易燃气体、着火点能量很小，在空气中氢的最小着火能量仅为0.019mJ，在氧气中的最小着火能量更小，仅为0.007mJ。氢的另一个危险性是它和空气混合后的燃烧浓度极限的范围很宽，按体积比计算其范围为4％一75％，因此不能因为氢的扩散能力很大而对氢的爆炸危险放松警惕。

医疗用途

已有研究发现，氢气对于抗氧化、抗衰老、增强免疫力、对于人体自身修复、改善过敏体质、促进新陈代谢都有良好的功效。

但是，将氢分子融入饮用水中，其有效性和安全性并没有数据支持。而且人体本身就可以由肠内细菌产生氢分子，其产生量随食物纤维等的摄取量而变高。