1 H 氢 1.008
非金属 s区 第1周期 第1族

氢

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
区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。

同一元素,不同中子数

氢的同位素

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%。

自然界中存在的氢同位素及其在天然元素中所占比例,以及常见的放射性同位素
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

β⁻
β⁻衰变

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

氢的原子有多大?

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

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

氢位于第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

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。

原子结构与同位素

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

氢的用途

氨、炼油与甲醇

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。

其他工业用途

  • 食品: 在镍催化剂作用下加氢,可将液态植物油转化为固态脂肪。
  • 金属与玻璃: 在金属热处理和浮法玻璃生产中,氢气氛可防止氧化;氢还能把金属矿石还原为金属,一些试验工厂正用它在不使用焦炭的情况下炼铁。
  • 电子工业: 高纯氢是半导体制造中的工艺气体。

能源与航天

  • 火箭燃料: 液氢是NASA太空发射系统的燃料;SpaceX的星舰则使用液态甲烷和液氧。
  • 燃料电池: 燃料电池使氢与空气中的氧结合发电,唯一的排放物是水。目前只有少量汽车、公交车、卡车和叉车使用燃料电池。
  • 储能: 利用可再生电力分解水(电解)制得的氢,可以为工业或发电储存能量,不过这在氢的供应中所占比例仍然很小。

来源

自然存在

地壳中含量为1400 mg/kg · 比91%的元素更丰富

宇宙中的氢

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。

地球上的氢

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。

氢的生产

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

安全

火灾与爆炸

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。

健康影响

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。

操作与储存

  • 气瓶应直立并固定,存放在通风良好、远离热源、火花和氧化剂的区域。
  • 氢容易从细小缝隙泄漏并向上聚集;应在靠近天花板处安装氢气探测器,并从顶部通风。
  • 随着时间推移,氢会使某些钢材变脆(氢脆),因此管道和储罐必须采用相容的材料。
  • 如果无法从源头切断氢气火焰,应让其继续燃烧并冷却附近设备,因为扑灭火焰可能导致爆炸性气云聚集。

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。

氢有多少个中子?

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。