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。
结构
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。
测量值
每个条形图显示氢在全部118种元素中该属性所处的位置。
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。
同一元素,不同中子数
所有氢原子的质子数都相同,为1,彼此只在中子数上不同:这些变体就是它的同位素。最常见的H-1有0个中子,占天然氢的99.9855%。
| 同位素 | 中子 | 天然丰度 | 半衰期 | 衰变方式 |
|---|---|---|---|---|
| H-1 最常见 | 0 | 99.9855% | 稳定 | — |
| H-2 | 1 | 0.0145% | 稳定 | — |
| H-3 | 2 | — | 12.32年 | β⁻ |
在这里,课堂上的简便算法(四舍五入后的原子量1.008减去原子序数)得到相同的答案:0。
衰变方式
数据来源:IAEA Nuclear Data Section, LiveChart of Nuclides,基态评价数据,检索日期2026年10月10日。丰度是该同位素在天然元素中所占的原子比例;短横线表示该同位素没有标准天然丰度。
尺寸,按比例显示
半径53 pm——即0.053 nm,因此大约943万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
氢在6 K的范围内呈液态,温度从14 K到20 K。
背后的故事
氢(H)是第1号元素,也是最轻、最简单的元素:典型的氢原子由一个质子和一个电子组成。氢是宇宙中丰度最高的元素,按质量计约占普通物质的四分之三,按原子数计约占十分之九。氢位于元素周期表第1族的顶端,但它是非金属,而不是碱金属。
室温下,氢是由H₂分子构成的无色、无味气体。在0 °C和标准大气压下,其密度为0.08988 g/L,约为空气的1/14。氢在−252.87 °C(20.28 K)时凝结为液体,在−259.14 °C(14.01 K)时凝固。
1766年,亨利·卡文迪什确认氢是一种独立的物质,并称之为“可燃空气”;更早的实验者如罗伯特·玻意耳曾用金属和酸制得这种气体,但没有认识到它是一种元素。1783年,安托万·拉瓦锡将其命名为hydrogène,源自希腊语中意为“成水者”的词,因为它在氧气中燃烧会生成水。
氢唯一的电子占据第一个也是唯一的电子层(电子排布为1s¹)。氢原子可以失去这个电子形成H⁺,也可以像在水和甲烷中那样通过共价键共享电子,或者获得第二个电子形成氢负离子H⁻。
氢有三种同位素。氕(氢-1)没有中子,约占天然氢的99.985%。氘(氢-2)有一个中子,约占0.015%。氚(氢-3)有两个中子,具有放射性,半衰期为12.3年,在自然界中仅以痕量存在。
用途
大多数氢在生产地就地使用,即化工厂和炼油厂。最大的用途是通过哈伯-博施法(N₂ + 3H₂ → 2NH₃)合成用于化肥的氨、通过加氢裂化和燃料脱硫来炼制原油,以及生产甲醇。据国际能源署(IEA)统计,全球需求接近每年1亿吨,而且几乎全部仍由化石燃料生产。
来源
地壳中含量为1400 mg/kg · 比91%的元素更丰富
氢在大爆炸后的最初几分钟内形成,至今仍是恒星和星际气体的主要成分。包括太阳在内的恒星通过把氢聚变为氦而发光,巨行星木星和土星的主要成分也是氢。
游离氢气在地球上很少见。氢非常轻,会从高层大气逃逸,因此空气中氢的含量仅约0.5 ppm。地球上几乎所有的氢都存在于化合物中:水(按质量计含氢11%)、天然气、石油和煤、黏土矿物,以及所有生物体。氢约占地壳质量的0.14%。目前已知少数天然的地下氢气聚集,例如马里一口井所开采的氢气藏,地质学家正在寻找更多此类资源。
工业上主要通过天然气蒸汽重整(CH₄ + H₂O → CO + 3H₂,随后进行水煤气变换反应)和煤气化来制氢;部分氢是炼油的副产品。水电解可以使用可再生电力,但其产量远不足总产量的1%(IEA)。
处理
氢极易燃。在空气中,体积浓度约4%至75%之间的任何浓度都能燃烧,这是所有气体中最宽的燃烧范围之一,而且只需极少的能量就能点燃。氢火焰呈淡蓝色,在日光下几乎看不见,因此氢气火灾可能很难被发现。
氢无毒,目前没有为其设定职业接触限值。在密闭空间中,氢可能置换氧气并导致窒息。液氢温度约为−253 °C,接触会造成严重冻伤。
继续探索
快速解答
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。
1s¹,共有1个已占据的电子层,电子分布为1。氢在14 K(-259.1 °C)熔化,在20.3 K(-252.9 °C)沸腾。
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。
最常见的氢原子H-1有0个中子:质量数1减去原子序数1。它占天然氢的99.9855%。 课堂上的简便算法(四舍五入后的原子量1.008减去原子序数)也得到0。
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。
氢由Henry Cavendish于1766年发现。 它以希腊语hydro+genes,意为“形成水的”命名。
氢约占地壳的0.14%——含量足够高,可以进行规模化开采。