1 H 1.008
非金属 s区 第1周期 第1族

H · 元素1 · 非金属

最简单的原子——一个质子、一个电子——约占宇宙中所有原子的90%。

20°C时的状态 气态
原子量 1.008 u
电子排布1s¹

结构

氢原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示氢在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 8.99e-5 g/cm³ 0%
熔点 14 K 1%
沸点 20.3 K 1%
比热容 14.304 J/g·K
热导率 0.18 W/m·K 11%

原子

原子半径 53 pm 3%
共价半径 31 pm
范德华半径 120 pm

电子

电负性 2.2 78%
电离能 1312.2 kJ/mol 94%
电子亲和能 72.4 kJ/mol 57%

存在情况

地壳中的丰度 1400 mg/kg 91%

身份

符号H
原子序数1
原子量1.008 u
类别非金属
s
晶体结构六方晶系
氧化态-1, +1
发现1766
发现者Henry Cavendish

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

氢的原子有多大?

半径53 pm——即0.053 nm,因此大约9.43百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

氢在6 K的范围内呈液态,温度从14 K到20 K。

所在位置

在表中的位置

位于第1周期、第1族。 第1族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他非金属

所有非金属

背后的故事

氢是什么,以及我们如何发现它

宇宙的基础元素

氢是宇宙中最简单、丰度最高的元素,约占所有普通物质的75%。它只有一个质子和一个电子,是构成其他所有元素的基本组成部分,这些元素在恒星内部形成。

物理性质

在标准条件下,氢以无色、无 odor、无味的双原子气体(H₂)存在。它是最轻的元素,密度比空气小14倍,因此充氢气球会快速上升。氢在极低温度−253°C(−423°F)下变为液态,在−259°C(−434°F)下变为固态。

化学特性

氢表现出独特的化学行为,取决于反应条件,既可充当还原剂,也可充当氧化剂。它容易与非金属形成共价键,与活泼金属形成离子化合物。H-H键能为436 kJ/mol,使H₂相对稳定,大多数反应都需要活化能。

同位素种类

氕(¹H):丰度为99.985%——“普通”氢,不含中子

氘(²H或D):丰度为0.015%——含一个中子的“重氢”,用于核聚变

氚(³H或T):痕量存在——具有放射性,含两个中子,半衰期为12.3年

用途

氢的用途

革命性的工业应用

🚀 太空与能源技术

  • 火箭燃料:液氢为NASA的太空发射系统提供燃料;SpaceX星舰使用液态甲烷和液氧
  • 燃料电池:Toyota Mirai和Hyundai NEXO车辆使用氢燃料电池,将H₂ + O₂ → H₂O + 电能,且无排放
  • 绿色能源储存:利用过剩的可再生能源电解水,制取氢以便日后发电

🏭 化学制造

  • 氨生产(Haber法):在450°C和200个大气压下进行N₂ + 3H₂ → 2NH₃,每年生产1.75亿吨,用于制造肥料
  • 甲醇合成:在250°C下使用铜-锌催化剂进行CO + 2H₂ → CH₃OH,用于制造塑料和燃料
  • 加氢:在人造黄油和起酥油生产中,使用镍催化剂将不饱和脂肪转化为饱和脂肪
  • 加氢裂化:在400°C和100多个大气压下,使用氢将重质石油分子分解为汽油和柴油

🔬 先进技术

  • 半导体制造:超纯氢为硅芯片生产提供还原性气氛
  • 浮法玻璃工艺:氢-氮气氛可防止窗玻璃制造过程中的氧化
  • 金属加工:氢将金属氧化物还原为纯金属:CuO + H₂ → Cu + H₂O
  • 焊接:原子氢焊通过在焊接点重新结合H原子,可达到4000°C

处理

安全

全面的安全信息

⚠️ 主要危害

易燃气体——极高火灾危险

  • 点火范围:在空气中为4-75%(所有气体中范围最宽)
  • 自燃温度:500°C(932°F)
  • 火焰速度:最高可达3.46 m/s——燃烧极快
  • 不可见火焰:日光下氢燃烧时呈近乎不可见的淡蓝色火焰

🛡️ OSHA接触限值

  • 尚无规定的接触限值——氢在生理学上呈惰性
  • 窒息风险:浓度超过25%时可能置换氧气
  • 单纯窒息性气体:在密闭空间内会因置换氧气而造成危险

🧤 个人防护装备

  • 眼部防护:处理液氢时佩戴安全眼镜或面罩
  • 皮肤防护:处理低温液氢时佩戴隔热手套
  • 呼吸防护:在浓度超过10%的环境中使用自给式呼吸器
  • 服装:穿宽松衣物以防止静电积聚;不得使用合成材料

📦 储存要求

  • 气体储存:在150-200 bar压力下储存于钢瓶中
  • 液体储存:在−253°C下储存于双层真空绝热杜瓦瓶中
  • 位置:存放在通风良好的区域,远离点火源
  • 接地:所有设备必须接地,以防止静电放电
  • 检测:必须使用氢气传感器(催化珠型或热导率型)

🚨 应急措施

气体泄漏

  • 立即撤离该区域——氢会上升并聚集在天花板附近
  • 清除50英尺范围内的所有点火源
  • 从上到下对该区域进行通风
  • 只能使用无火花工具

火灾

  • 除非能够切断气源,否则不要扑灭氢火焰
  • 用水雾冷却周围设备
  • 如果容器声音发生变化或出现变色,立即撤离

低温暴露

  • 冻伤处理:用微温水逐渐温暖受影响部位
  • 不要揉搓冻伤部位
  • 严重暴露时立即就医

快速解答

氢:常见问题

氢是什么?

氢(符号H)是元素周期表中的第1号元素,属于1周期1族的非金属。 最简单的原子——一个质子、一个电子——约占宇宙中所有原子的90%。 在室温下为气态。

氢的电子排布是什么?

氢的基态电子排布为1s¹,共有1个已占据的电子层,电子分布为1。

氢的熔点和沸点是多少?

氢在14 K(-259.1 °C)熔化,在20.3 K(-252.9 °C)沸腾。

氢的原子量是多少?

氢的标准原子量为1.008 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

氢的密度是多少?

氢在室温下为气态;在0 °C和1 atm下,其密度约为0.09 g/L,大致比空气轻。

氢的电负性是多少?

氢的鲍林电负性为2.2。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了氢,是在什么时候?

氢由Henry Cavendish于1766年发现。 它以希腊语hydro+genes,意为“形成水的”命名。

氢在地球上有多常见?

氢约占地壳的0.14%——含量足够高,可以进行规模化开采。