第001号元素—氢 H
早在16世纪中叶,瑞士医药化学家巴尔塞斯就发现“把铁屑投到硫酸里时,有气体发生出来,就象旋风一样腾空而起”。但由于当时科学水平的限制,只是把它当作一种具有可燃性的空气。直到1766年,英国科学家卡文迪许才确认这种气体跟空气不同。他用锌、铁、锡分别与硫酸和盐酸反应都生成这种可燃性气体,用排水法收集并与空气混合后,一遇火星就会发生爆炸生成一种无色液体,说明它不是普通的空气。后来,他又证明生成的无色液体为水。1783年,法国化学家拉瓦锡重做这个实验,并证明水是这种气体燃烧以后唯一的产物。因此,他认为它是一种元素,并给他取名为“氢”。但在化学史上,人们还是把氢元素的发现归功于卡文迪许。
氢的拉丁文原意为“成水的元素”,因为它的密度极小(只有空气的14.5分之一),中国古代劳动人民把它称为“轻气”,以后科学家又把它更名为氢气。
氢在大自然中普遍存在,水是氢的“仓库”,泥土、动物、植物中都含有氢。在地壳中,如果按重量计算,只占1%;而如果按原子百分数计算,则占17%。在宇宙空间中,氢原子的数目比其他所有原子数目总和约大100倍。
氢气的主要性质和用途:熔点为-259.1 ℃,沸点为-252.9 ℃,密度为0. 089 88 g/L(10 ℃)。无色无臭气体,不溶于水,能在空气中燃烧,与空气形成爆炸混合物。工业上用于制造氨、环已烷、甲醇等。 氢气的燃烧热很高(每千克1.4亿焦耳),约是汽油和煤的3倍或4倍;氢气燃烧的热效率几乎可达100%;氢气燃烧后只生成水,没有任何污染;海水中含的氢以亿亿吨为单位,所以,氢气应该是最理想的燃料。然而,现在有两个问题需要解决:一是氢气的储藏问题。氢原子又轻又小,在压力下,氢气可以穿过很厚的钢制容器;氢气的液化临界温度低,不容易液化,因此难以储藏。二是现在制取氢气成本还很高。
人们发现,钯、铑、铂等金属能够大量吸收“溶解”氢气。据测定:1体积金属钯能吸收900体积氢气;1体积胶状金属铑能吸收2900体积的氢气,只要把这些材料稍稍加热,氢气又可重新释放出来。将来或许是储藏氢气的好办法。
用低电耗电解水、用光化学方法分解水、用太阳能和原子能分解水、用生物化学方法制氢等正在积极研究之中。
自然界中的氢原子,有氢-1(氕,读“撇”,一般称氢)、氢-2(氘,读“刀”,又称重氢)、氢-3(氚,读“川”,又称超重氢)、氢-4、氢-5等种类,其中氢-1最常见,约占氢原子总数的99.98%以上。氘和氧形成的水叫重水,重水的密度、沸点都比水高,每50吨水中才含有1公斤重水。重水在原子能工业中用作中子减速剂,可以通过电解大量的水来获得。在超高温的特定条件下,使氘-氘或者氘-氚发生聚变反应,可以放出大量的能量,氢弹就是根据这个原理制成的。如果我们可以将这些能量缓慢地释放出来并加以利用,则是解决能源危机的最好办法。