氫元素

氫

符號: H

原子序數: 1

原子量: 1.00794 amu

熔點: -259.14 °C (14.009985 °K, -434.45203 °F)

沸點: -252.87 °C (20.280005 °K, -423.166 °F) 質子數/電子數: 1

中子數: 0

類別: 非金屬

晶體結構: 六邊形結構

密度（293 K）: 0.08988 g/cm3

顏色: 無色

HYDROGEN，源自htdor和gen，意為"水的形成"，1766年發現。是宇宙間最豐富的元素。氫可說完全不是以單質形態存在於地球上，可是太陽和其他一些星球則全部是由純氫所構成。這種星球上發生的氫熱核反應的熱光普照四方，溫暖了整個宇宙。

氫的發現簡史

氫的存在，早在16世紀就有人注意到了。曾經接觸過氫氣的也不只一人，但因當時人們把接觸到的各種氣體都籠統地稱作“空氣”，因此，氫氣並沒有引起人們的注意。直到1766年，英國的物理學家和化學家卡文迪什（Cavendish H,1731─1810）用六種相似的反應制出了氫氣。這些反應包括鋅、鐵、錫分別與鹽酸或稀硫酸反應。同年，他在一篇名為“人造空氣的實驗”的研究報告中談到此種氣體與其它氣體性質不同，但由於他是燃素學說的虔誠信徒，他不認為這是一種新的氣體，他認為這是金屬中含有的燃素在金屬溶於酸後放出，形成了這種“可燃空氣”。事實上是傑出的化學家拉瓦錫（Lavoisier A L,1743─1794）1785年首次明確地指出：水是氫和氧的化合物，氫是一種元素。並將“可燃空氣”命名為“Hydrogen”。這裡的“Hydro”是希臘文中的“水”，“gene”是“源”，“Hydrogen”就是“水之源”的意思。它的化學符號為H。我們的“氫”字是採用“輕”的偏旁，把它放進“氣”裡面，表示“輕氣”。

氫在周期表中的位置

化學元素周期系1.0表中的第一個元素，它在所有元素中具有最簡單的原子結構。它由一個帶+1電荷的核和一個軌道電子組成。

氫在元素周期表中的位置

鹼金屬也都具有一個外層軌道電子，但它們在反應中很容易失去這個電子而生成正離子；與此相反，氫不容易失去這個電子，而是使這個電子配對生成一個共價鍵。

鹵素像氫一樣，比稀有氣體結構缺少一個電子。在許多反應中，鹵素容易獲得一個電子而生成負離子；但氫只有在與失電子能力強的金屬反應時才會獲得電子而生成負離子。

氫的這些獨特性質是由氫的獨特的原子結構、氫原子特別小的半徑和低的電負性決定的。因為它的性質與鹼金屬和鹵素的性質都不相同，使得很難把它放在周期表中的一個合適位置上。在本課件中，按原子序數把氫放在第IA族元素的位置上。

氫的同位素

同一種元素的原子具有不同的質量數，這些原子就叫同位素。質量數產生差異的原因是原子核中含有不同的中子。

氫有三種同位素：(氕，符號H)，(氘，符號D)和(氚，符號T)。在它們的核中分別含有0、1和2箇中子，它們的質量數分別為1，2，3。自然界中普通氫內H同位素的豐度最大，原子百分比占99.98%，D占0.016%,T的存在量僅為H的10-17。

氫的成鍵特徵

氫原子的價電子層結構為,電負性為2.2，當氫原子同其它元素的原子化合時，可以形成：

離子鍵

共價鍵

特殊的鍵型

離子鍵

當H與電負性很小的活潑金屬,如Na,K,Ca等形成氫化物時,H獲得1個電子形成氫負離子。這個離子因具有較大的半徑208pm，僅存在於離子型氫化物的晶體中。

共價鍵

①兩個H原子能形成一個非極性的共價單鍵，如H2分子。

②H原子與非金屬元素的原子化合時，形成極性共價鍵，例如HCl分子。鍵的極性隨非金屬元素原子的電負性增大而增強。

特殊的鍵型

①H原子可以填充到許多過渡金屬晶格的空隙中，形成一類非整比化合物，一般稱之為金屬型氫化物，例如：ZrH1.30和LaH2.87等。

②在硼氫化合物（例如乙硼烷B2H6）和某些過渡金屬配合物中均存在著氫橋鍵。

③能形成氫鍵。在含有強極性鍵的共價氫化物中，近乎裸露的H原子核可以定向吸收鄰近電負性高的原子（如F、O、N等）上的孤電子對而形成分子間或分子內氫鍵。例如在HF分子間存在著很強的氫鍵。

氫的物理性質

單質氫是由兩個H原子以共價單鍵的形式結合而成的雙原子分子，其鍵長為74pm。

氫是已知的最輕的氣體，無色無臭，幾乎不溶於水（273K時1的水僅能溶解0.02的氫），氫比空氣輕14.38倍，具有很大的擴散速度和很高的導熱性。將氫冷卻到20K時，氣態氫可被液化。液態氫可以把除氦以外的其它氣體冷卻都轉變為固體。同溫同壓下，氫氣的密度最小，常用來填充氣球。

分子氫在地球上的豐度很小，但化合態氫的豐度卻很大，例如氫存在於水、碳水化合物和有機化合物以及氨和酸中。含有氫的化合物比其它任何元素的化合物都多。氫在地殼外層的三界（大氣、水和岩石）里以原子百分比計占17%，僅次於氧而居第二位。

氫的化學性質

(1)分子氫中H—H鍵的離解能,比一般的單鍵高很多，相當於一般雙鍵的離解能。因此常溫下分子氫不活潑。但氫在常溫下能與單質氟在暗處迅速反應生成HF，而與其它鹵素或氧不發生反應。

(2)高溫下，氫氣是一個非常好的還原劑。例如：

①氫氣能在空氣中燃燒生成水，氫氣燃燒時火焰可以達到3273K左右，工業上常利用此反應切割和焊接金屬。

②高溫下，氫氣還能同鹵素、N2等非金屬反應，生成共價型氫化物。

③高溫下氫氣與活潑金屬反應，生成金屬氫化物。

④高溫下，氫氣還能還原許多金屬氧化物或金屬鹵化物為金屬

能被還原的金屬是那些在電化學順序中位置低於鐵的金屬。這類反應多用來製備純金屬。

(3)在有機化學中，氫的一個重要的化學反應是它能夠加在聯結兩個碳原子的雙鍵或三鍵上，使不飽和的碳氫化合物加氫而成為飽和的碳氫化合物，這類反應叫加氫反應。在有機化學中，在分子中加入氫即是還原反應。這類反應廣泛套用於將植物油通過加氫反應，由液體變為固體，生產人造黃油。也用於把硝基苯還原成苯胺（印染工業），把苯還原成環己烷（生產尼龍-66的原料）。氫同CO反應生成甲醇等等。

(4)氫分子雖然很穩定，但在高溫下，在電弧中，或進行低壓放電，或在紫外線的照射下，氫分子能發生離解作用，得到原子氫。

所得原子氫僅能存在半秒鐘，隨後便重新結合成分子氫，並放出大量的熱。

原子氫由以下特點：

①把原子氫氣流通向金屬表面，原子氫結合成分子氫的反應熱可以產生高達4273K的高溫，這就是常說的原子氫焰。可以利用此反應來焊接高熔點金屬。

②原子氫是一種比分子氫更強的還原劑。它可以同鍺、錫、砷、硫、銻等直接作用生成相應的氫化物。