氢，HYDROGEN，源自htdor和gen，意为"水的形成"，1766年发现。是宇宙间最丰富的元素。氢可说完全不是以单质形态存在于地球上，可是太阳和其他一些星球则全部是由纯氢所构成。这种星球上发生的氢热核反应的热光普照四方，温暖了整个宇宙。

氢的发现简史

氢的存在，早在16世纪就有人注意到了。曾经接触过氢气的也不只一人，但因当时人们把接触到的各种气体都笼统地称作“空气”，因此，氢气并没有引起人们的注意。直到1766年，英国的物理学家和化学家卡文迪什（Cavendish H,1731─1810）用六种相似的反应制出了氢气。这些反应包括锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应。同年，他在一篇名为“人造空气的实验”的研究报告中谈到此种气体与其它气体性质不同，但由于他是燃素学说的虔诚信徒，他不认为这是一种新的气体，他认为这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出，形成了这种“可燃空气”。事实上是杰出的化学家拉瓦锡（Lavoisier A L,1743─1794）1785年首次明确地指出：水是氢和氧的化合物，氢是一种元素。并将“可燃空气”命名为“Hydrogen”。这里的“Hydro”是希腊文中的“水”，“gene”是“源”，“Hydrogen”就是“水之源”的意思。它的化学符号为H。我们的“氢”字是采用“轻”的偏旁，把它放进“气”里面，表示“轻气”。

原子氢

氢在周期表中的位置

氢的同位素

氢的成键特征

氢是周期表中的位置

化学元素周期系1.0表中的第一个元素，它在所有元素中具有最简单的原子结构。它由一个带+1电荷的核和一个轨道电子组成。

碱金属也都具有一个外层轨道电子，但它们在反应中很容易失去这个电子而生成正离子；与此相反，氢不容易失去这个电子，而是使这个电子配对生成一个共价键。

卤素像氢一样，比稀有气体结构缺少一个电子。在许多反应中，卤素容易获得一个电子而生成负离子；但氢只有在与失电子能力强的金属反应时才会获得电子而生成负离子。

氢的这些独特性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的。因为它的性质与碱金属和卤素的性质都不相同，使得很难把它放在周期表中的一个合适位置上。在本课件中，按原子序数把氢放在第IA族元素的位置上。

氢的同位素

同一种元素的原子具有不同的质量数，这些原子就叫同位素。质量数产生差异的原因是原子核中含有不同的中子。

氢有三种同位素：(氕，符号H)，(氘，符号D)和(氚，符号T)。在它们的核中分别含有0、1和2个中子，它们的质量数分别为1，2，3。自然界中普通氢内H同位素的丰度最大，原子百分比占99.98%，

D占0.016%,T的存在量仅为H的10^-17。它是在核蜕变过程中产生的，例如：

是一种不稳定的放射性同位素，它的半衰期为12.4年。

    由于氢的这三种同位素具有相同的电子层结构，核外均有一个电子，所以它们的化学性质基本相同。但由于它们的质量相差较大，导致它们的单质和化合物在物理性质上的差异。

氘的重要性在于它与原子反应堆中的重水D₂O有关，并广泛应用于反应机理的研究和光谱分析。氚的重要性在于于核聚变反应有关，也可作示踪原子。

氘及氚的化合物是用电解的方法来分离的。对水进行电解，释放H的速度比释放D的速度快6倍，因此残液中D的含量增加了，反复电解可得到富集了D₂O的水或纯D₂O。D₂O氧化氘能够发生普通水的一切反应。由于D₂O比普通的H₂O重，所以D₂O亦称为重水。

氢的成键特征

氢原子的价电子层结构为,电负性为2.2，当氢原子同其它元素的原子化合时，可以形成：

离子键

共价键

特殊的键型

离子键

当H与电负性很小的活泼金属,如Na,K,Ca等形成氢化物时,H获得1个电子形成氢负离子。这个离子因具有较大的半径208pm，仅存在于离子型氢化物的晶体中。

共价键

①两个H原子能形成一个非极性的共价单键，如H₂分子。

②H原子与非金属元素的原子化合时，形成极性共价键，例如HCl分子。键的极性随非金属元素原子的电负性增大而增强。

特殊的键型

①H原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中，形成一类非整比化合物，一般称之为金属型氢化物，例如：ZrH1.30和LaH2.87等。

②在硼氢化合物（例如乙硼烷B₂H₆）和某些过渡金属配合物中均存在着氢桥键。

③能形成氢键。在含有强极性键的共价氢化物中，近乎裸露的H原子核可以定向吸收邻近电负性高的原子（如F、O、N等）上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。例如在HF分子间存在着很强的氢键。

分子氢

正氢和仲氢

物理性质

化学性质

制备方法

正氢和仲氢

当用液态空气冷却普通的氢气，并用活性炭吸附分离，可以得到氢分子的两种变体，即正氢和仲氢。两者的区别在于分子内两个氢原子内两个氢原子核的自旋方向不同。两个原子核自旋方向相同，即为正氢；两个原子核自旋方向相反，即为仲氢。这就产生了自旋异构现象。

普通氢在室温下含有75%的正氢和25%的仲氢，低温时，氢内仲氢含量较多，在绝对零度时，仲氢的含量可达100%。

正氢和仲氢的化学性质相同，但物理性质如熔、沸点，比热和热导率等有比较大的差异，这是因为它们在内能上有差异造成的，这也是造成氢分子带光谱上差异的原因。

物理性质

单质氢是由两个H原子以共价单键的形式结合而成的双原子分子，其键长为74pm。

氢是已知的最轻的气体，无色无臭，几乎不溶于水（273K时1的水仅能溶解0.02的氢），氢比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很高的导热性。将氢冷却到20K时，气态氢可被液化。液态氢可以把除氦以外的其它气体冷却都转变为固体。同温同压下，氢气的密度最小，常用来填充气球。

分子氢在地球上的丰度很小，但化合态氢的丰度却很大，例如氢存在于水、碳水化合物和有机化合物以及氨和酸中。含有氢的化合物比其它任何元素的化合物都多。氢在地壳外层的三界（大气、水和岩石）里以原子百分比计占17%，仅次于氧而居第二位。

化学性质

(1)分子氢中H—H键的离解能,比一般的单键高很多，相当于一般双键的离解能。因此常温下分子氢不活泼。但氢在常温下能与单质氟在暗处迅速反应生成HF，而与其它卤素或氧不发生反应。

(2)高温下，氢气是一个非常好的还原剂。例如：

①氢气能在空气中燃烧生成水，氢气燃烧时火焰可以达到3273K左右，工业上常利用此反应切割和焊接金属。

②高温下，氢气还能同卤素、N₂等非金属反应，生成共价型氢化物。例如大量的氢用于生产氨：

③高温下氢气与活泼金属反应，生成金属氢化物。

④高温下，氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属：

H₂+CuOCu+H₂O

4H₂+Fe₃O₄3Fe+4H₂O

3H₂+WO₃W+3H₂O

2H₂O+TiCl₄4Ti+4HCl

能被还原的金属是那些在电化学顺序中位置低于铁的金属。这类反应多用来制备纯金属。

(3)在有机化学中，氢的一个重要的化学反应是它能够加在联结两个碳原子的双键或三键上，使不饱和的碳氢化合物加氢而成为饱和的碳氢化合物，这类反应叫加氢反应。在有机化学中，在分子中加入氢即是还原反应。这类反应广泛应用于将植物油通过加氢反应，由液体变为固体，生产人造黄油。也用于把硝基苯还原成苯胺（印染工业），把苯还原成环己烷（生产尼龙-66的原料）。氢同CO反应生成甲醇等等。

(4)氢分子虽然很稳定，但在高温下，在电弧中，或进行低压放电，或在紫外线的照射下，氢分子能发生离解作用，得到原子氢。

所得原子氢仅能存在半秒钟，随后便重新结合成分子氢，并放出大量的热。

原子氢由以下特点：

①把原子氢气流通向金属表面，原子氢结合成分子氢的反应热可以产生高达4273K的高温，这就是常说的原子氢焰。可以利用此反应来焊接高熔点金属。

②原子氢是一种比分子氢更强的还原剂。它可以同锗、锡、砷、硫、锑等直接作用生成相应的氢化物。例如：

As+3HAsH₃

S+2HH₂S

它还能把某些金属氧化物或氯化物迅速还原成金属，例如：

CuCl₂+2HCu+2HCl

它甚至还能还原某些含氧酸盐，例如：

BaSO₄+8HBaS+4H₂O

制备方法

(1)实验室方法

①化学法

常利用稀盐酸或稀硫酸与锌或铁等活泼金属作用制备氢气。用化学方法制得的氢气，常因为金属中含有杂质而不纯。需经纯化后才能得到纯净的氢气。

②电解法

在电解法中，采用质量分数为25%的NaOH或KOH溶液作为电解液，电极反应：

电解法制得的氢气比化学法纯。

(2)工业生产方法

①用碳来还原水蒸气制取氢气。

水煤气可以用做工业燃料，此时H₂与CO不必分离，为了制备H₂，必须分离CO。具体分离方法是：

用氧化铁Fe₂O₃为催化剂，将水煤气与水蒸气一起通过红热的Fe₂O₃，CO就回转变成CO₂，然后在下用水洗涤CO₂和H₂的混合气体，使CO₂溶于水而分离出H₂。

用煤来制取氢的方法，成本过于昂贵。

②在美国和其它天然气丰富的国家里，采用烃类裂解的方法制取氢。

其它烃类如石脑油和紫油也可以用作氢原料。

③水蒸气转换法制取氢得到水煤气，也必须分离出CO，方法繁琐，不如用烃类直接裂解的方法。

④在石油化学工业中，由烷烃制取烯烃反应的副产物即氢气。可直接用于合成氨或石油的精细加工等生产中。

⑤盐型氢化物与水反应也可以制取氢气：

⑥也可以利用硅的两性，令其与碱反应制备氢气：

氢化物

氢与其它元素形成的二元化合物叫做氢化物。除稀有气体以外，大多数的元素都能与氢结合生成氢化物。依据元素电负性的不同，氢化物可以分为三大类：

离子型或类盐型氢化物

共价型或分子型氢化物

金属型或过渡型氢化物

离子型或类盐型氢化物

在周期表中的位置

物理性质

化学性质

在周期表中的位置

在周期表中，活泼性最强的碱金属和碱土金属能够与氢在较高的温度下直接化合，氢获得一个电子成为离子，生成离子型氢化物。

2Na+H₂2NaH

Ca+H₂CaH₂

物理性质

离子型氢化物都是白色盐状晶体，常因含少量金属而显灰色。除LiH和BaH₂具有较高的熔点（LiH965K，BaH₂1473K）外，其它氢化物均熔化前就分解成单质。

碱金属氢化物具有NaCl晶格，H^-离子占在面心立方晶格的结点上，它的半径在F^-和Cl^-的半径大小之间（理论值208pm，实测值126~154pm），碱土金属氢化物具有斜方晶系的结构。

表3.s区金属氢化物的晶体结构

离子型氢化物不溶于非水溶剂，但能溶解在熔融的碱金属卤化物中。离子型氢化物熔化时能导电，并在阳极上放出氢气，这一事实证明了离子型氢化物都含有负氢离子。

化学性质

①离子型氢化物都具有很高的反应活性，与水发生激烈的反应，放出氢气：

NaH+H₂ONaOH+H₂↑

利用这一特性，有时可用离子型氢化物如CaH₂除去水蒸气或溶剂中微量的水分。但水量较多时不能使用此法，因为这是一个放热反应，能使产生的氢气燃烧。这个反应的实质是

②离子型氢化物都是强还原剂，尤其在高温之下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐：

TiCl₄+4NaHTi+4NaCl+2H₂

UO₂+CaH₂U+Ca(OH)₂

PbSO₄+2CaH₂PbS+2Ca(OH)₂

2CO₂+BaH₂(热) 2CO+Ba(OH)₂

2CO+NaHHCOONa+C

③离子型氢化物在非水溶剂中能与一些缺电子化合物（如、、）结合成复合氢化物，例如：

这类氢化物还有LiGaH₄、Al(BH₄)₃等，它们被广泛的用于有机和无机合成中作为还原剂或在野外用做生氢剂，因为它们与水猛烈反应生成氢气。虽然十分方便，但价格十分昂贵。

共价型或分子型氢化物

在周期表中的位置

物理性质

化学性质

在周期表中的位置

在周期表中，p区元素的单质（稀有气体、铟、铊除外）与氢结合生成的氢化物属于共价型氢化物，亦称为分子型氢化物。

根据它们结构中电子数和键数的差异，分三种存在形式：

缺电子氢化物

第IIIA族B与Al的氢化物都属于缺电子氢化物。例如在B₂H₆分子中，中心原子硼未满足8电子构型，在这个分子中，两个B原子通过氢桥键连在一起，形成一个三中心两电子键。

再如，由于氢化铝也是缺电子化合物，所以氢化铝是聚合型的(AlH₃)n.两个Al原子之间也是通过氢桥键连结在一起的。

满电子氢化物

第IVA族的C、Si等均有4个价电子，在形成CH₄、SiH₄时，中心原子的价电子全部参与成键，没有剩余的非键电子时，满足了8电子构型，形成满电子氢化物。CH₄、SiH₄等均为正四面体结构。

富电子氢化物

第VA、VIA、VIIA族的氢化物都属于富电子氢化物。例如NH₃、H₂O、HF等，中心原子成键后，还有剩余未成键的孤电子对，由于孤电子对对成键电子的排斥作用，使NH₃分子成为三角锥形，H₂O分子为V形，HF是通过氢键而缔合的链状结构等。

物理性质

p区氢化物属于分子型晶体，它们是由单个的饱和共价分子通过很弱的范德华力或在某些情况下通过氢键把分子结合在一起而构成的。这钟结构使得共价型氢化物的熔沸点比较低，一般条件下多为气体，比较软，有挥发性，没有导电性等。

化学性质

由于分子型氢化物共价键的极性差别较大，所以它们的化学性质比较复杂。例如单就与水的反应来说：

①C、Ge、Sn、P、As、Sb等的氢化物不与水作用。

②Si、B的氢化物与水作用时放出氢气

SiH₄+4H₂OH₄SiO₄+4H₂↑

③N的氢化物NH₃在水中溶解并发生加合作用而使溶液显弱碱性：

④S、Se、Te、F等的氢化物H₂S、H₂Se、H₂Te、HF等在水中除发生溶解作用外，还会发生弱的酸式电离而使溶液显弱酸性：

⑤Cl、Br、I的氢化物在水中则发生强的酸式电离而使溶液显强酸性：

HCl、HBr和HI都具有还原性，同族氢化物的还原能力随原子序数的增加而增强。

金属型或过渡型氢化物

在周期表中的位置

性质

在周期表中的位置

d区或过渡金属的钪族、钛族、钒族以及铬、镍、钯、镧系和锕系的所有元素，还有s区的Be和Mg，与氢生成确定的二元氢化物。它们被称为过渡型氢化物。

性质

过渡型氢化物基本上保留着金属的外观特征，有金属光泽，具有导电性，它们的导电性随氢含量的改变而改变。这些氢化物还表现有其它金属性如磁性等。所以这些氢化物又叫做“金属型”氢化物。

金属型氢化物的密度比母体金属的密度低，某些过渡金属能够可逆的吸收和释放氢气。

在大多数情况下，金属型氢化物的性质与母体金属的性质非常相似。例如它们都具有强还原性等。

氢能源

我们知道氢气可以燃烧，并且在燃烧时产生大量的热。按每千克燃料燃烧放出的热量：

H₂气 120918kJ

B₅H₉(戊硼烷)  64183kJ

C₅H₁₂(戊烷)   45367kJ

相比之下，氢气燃烧放出的热量大约是戊烷（汽油的主要组分之一）的三倍。氢气可算是一种高能燃料。

氢气和电力一样，是一种二级能源，因为要取得氢气必须用一种来自一级能源如石油、煤炭、太阳能或原子能取得的能量，并把这种能量转化为电能，再用电解或其它方法分解水而产生氢气。

使用氢气作为气体燃料的最大优点是它不会造成污染，它唯一燃烧产物是水气，这对人和环境都无害。另外，氢气本身也无毒，可以用管道把它输送到千家万户，在充分注意安全使用的条件下，可以代替煤气或天然气作为民用和工业用的燃料气。

目前，有关氢能源研究的三大课题是：

氢气的发生  氢气的储存   氢气作为能源的利用

在这三大课题中，氢气的储存是中心研究课题，因为它同能量储存和能量回收的问题紧密相连。

氢气的发生

从能量的观点看，利用太阳能来光解水是最好的办法，太阳能取之不尽，而水用之不竭。但光解水的工作尚在研究中，现在还达不到生产性的规模。

氢气的储存

氢气是一种密度最低的气体。常温常压下，每立方分米氢气不到0.09g。作为燃料，装载和运输都不方便。另外它同空气接触容易引起爆炸，不够安全。怎样把氢气储存起来备用和运输，就成为氢能源利用的一项很重要的课题。

一种办法是在高压下使氢气连续冷冻和绝热膨胀，使之液化成为液态氢。由于液氢的沸点很低，常温下它的蒸汽压又很大，所以必须把它装在特制的高压容器里储存，这是利用液氢的一项很大的障碍。

另一种方法是使氢气与某些金属生成金属型氢化物的储氢方法。例如过渡金属与氢气在一定条件下作用，可以得到金属氢化物，在另一条件下，这类氢化物即回分解成相应的金属和氢气。这是一种金属或合金吸收氢和放出氢的可逆过程，因此叫做可逆储氢。这类金属或合金即称为储氢材料。

钯和铀都是价格昂贵的金属材料，用它们储氢不经济。今年来，人们研究的镧镍合金，由于价格较便宜，在空气中稳定，储氢量大，是一种很有希望的储氢材料。

氢气作为能源的利用

氢气燃烧产生的化学能可以用做能源，氢还可以通过核聚变反应产生核能。氢可作为直接燃料用于火箭、燃氢汽车、燃氢飞机、电池等。