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标  题: 氢[转自饮水思源]
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jul 25 11:25:29 2003)


氢在元素周期表中的位置

氢是周期表中的第一个元素，它在所有元素中具有最简单的原子结构。它由一个带+1电

荷的核和一个轨道电子组成。
碱金属也都具有一个外层轨道电子，但它们在反应中很容易失去这个电子而生成正离子

；与此相反，氢不容易失去这个电子，而是使这个电子配对生成一个共价键。
卤素像氢一样，比稀有气体结构缺少一个电子。在许多反应中，卤素容易获得一个电子

而生成负离子；但氢只有在同高电正性的金属反应时才会获得电子而生成负离子。
氢的这些独特性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的

。因为它的性质与碱金属和卤素的性质都不相同，使得很难把它放在周期表中的一个合

适位置上。在本科件中，按原子序数把氢放在第IA族元素的位置上。

 氢的同位素

同一种元素的原子具有不同的质量数，这些原子就叫同位素。质量数产生差异的原因是

原子核中含有不同的中子。
氢有三种同位素：(氕，符号H)，(氘，符号D)和(氚，符号T)。在它们的核中分别含有0

、1和2个中子，它们的质量数分别为1，2，3。自然界中普通氢内H
同位素的丰度最大，原子百分比占99.98%，D占0.016%,T的存在量仅为H的10-17
。它是在核蜕变过程中产生的，是一种不稳定的放射性同位素，它的半衰期为12.4年。


因此普通氢的性质基本上是轻同位素的性质。
由于氢的这三种同位素具有相同的电子层结构，核外均有一个电子，所以它们的化学性

质基本相同。但由于它们的质量相差较大，导致它们的单质和化合物在物理性质上的差

异。


 氢的成键特性

氢原子的价电子层结构为,电负性为2.2，当氢原子同其它元素的原子化合时，可以形成

：
离子键
当H与电负性很小的活泼金属,如Na,K,Ca等形成氧化物时,H获得1个电子形成氢负离子。

这个离子因具有较大的半径208pm，仅存在于离子型氢化物的晶体中。
共价键
①两个H原子能形成一个非极性的共价单键，如H2分子。
②H原子与非金属元素的原子化合时，形成极性共价键，例如HCl分子。键的极性随非金

属元素原子的电负性增大而增强。
特殊的键型
①H原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中，形成一类非整比化合物，一般称之为金

属型氢化物，例如：ZrH1.30和LaH2.87等。
②在硼氢化合物（例如乙硼烷B2H6）和某些过渡金属配合物（例如H[Cr(CO)5]2
）中均存在着氢桥键。
③能形成氢键。在含有强极性键的共价氢化物中，近乎裸露的H原子核可以定向吸收邻近

电负性高的原子（如F、O、N等）上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。例如在HF分

子间存在着很强的氢键。

正氢和仲氢

当用液态空气冷却普通的氢气，并用活性炭吸附分离，可以得到氢分子的两种变体，即

正氢和仲氢。两者的区别在于分子内两个氢原子内两个氢原子核的自旋方向不同。两个

原子核自旋方向相同，即为正氢；两个原子核自旋方向相反，即为仲氢。这就产生了自

旋异构现象。
普通氢在室温下含有75%的正氢和25%的仲氢，低温时，氢内仲氢含量较多，在绝对零度

时，仲氢的含量可达100%。
正氢和仲氢的化学性质相同，但物理性质如熔、沸点，比热和热导率等有比较大的差异

，这是因为它们在内能上有差异造成的，这也是造成氢分子带光谱上差异的原因。


物理性质

单质氢是由两个H原子以共价单键的形式结合而成的双原子分子，其键长为74pm。
氢是已知的最轻的气体，无色无臭，几乎不溶于水（273K时1的水仅能溶解0.02的氢），

氢比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很高的导热性。将氢冷却到20K时，气态氢

可被液化。液态氢可以把除氦以外的其它气体冷却都转变为固体。同温同压下，氢气的

密度最小，常用来填充气球。
分子氢在地球上的丰度很小，但化合态氢的丰度却很大，例如氢存在于水、碳水化合物

和有机化合物以及氨和酸中。含有氢的化合物比其它任何元素的化合物都多。氢在地壳

外层的三界（大气、水和岩石）里以原子百分比计占17%，仅次于氧而居第二位。

化学性质

(1)分子氢中H—H键的离解能,比一般的单键高很多，相当于一般双键的离解能。因此常

温下分子氢不活泼。但氢在常温下能与单质氟在暗处迅速反应生成HF，而与其它卤素或

氧不发生反应。
(2)高温下，氢气是一个非常好的还原剂。例如：
①氢气能在空气中燃烧生成水，氢气燃烧时火焰可以达到3273K左右，工业上常利用此反

应切割和焊接金属。
②高温下，氢气还能同卤素、N2等非金属反应，生成共价型氢化物。
③高温下氢气与活泼金属反应，生成金属氢化物。
④高温下，氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属：
能被还原的金属是那些在电化学顺序中位置低于铁的金属。这类反应多用来制备纯金属

。
(3)在有机化学中，氢的一个重要的化学反应是它能够加在联结两个碳原子的双键或三键

上，使不饱和的碳氢化合物加氢而成为饱和的碳氢化合物，这类反应叫加氢反应。在有

机化学中，在分子中加入氢即是还原反应。这类反应广泛应用于将植物油通过加氢反应

，由液体变为固体，生产人造黄油。也用于把硝基苯还原成苯胺（印染工业），把苯还

原成环己烷（生产尼龙-66的原料）。氢同CO反应生成甲醇等等。
(4)氢分子虽然很稳定，但在高温下，在电弧中，或进行低压放电，或在紫外线的照射下

，氢分子能发生离解作用，得到原子氢。
所得原子氢仅能存在半秒钟，随后便重新结合成分子氢，并放出大量的热。
原子氢由以下特点：
①把原子氢气流通向金属表面，原子氢结合成分子氢的反应热可以产生高达4273K的高温

，这就是常说的原子氢焰。可以利用此反应来焊接高熔点金属。
②原子氢是一种比分子氢更强的还原剂。它可以同锗、锡、砷、硫、锑等直接作用生成

相应的氢化物。例如：
它还能把某些金属氧化物或氯化物迅速还原成金属
它甚至还能还原某些含氧酸盐

制备方法

(1)实验室方法
①化学法
常利用稀盐酸或稀硫酸与锌或铁等活泼金属作用制备氢气。用化学方法制得的氢气，常

因为金属中含有杂质而不纯。需经纯化后才能得到纯净的氢气。
②电解法
在电解法中，采用质量分数为25%的NaOH或KOH溶液作为电解液，电极反应：
电解法制得的氢气比化学法纯。
(2)工业生产方法
①用碳来还原水蒸气制取氢气。
水煤气可以用做工业燃料，此时H2与CO不必分离，为了制备H2，必须分离CO。具体分离

方法是：
用氧化铁Fe2O3为催化剂，将水煤气与水蒸气一起通过红热的Fe2O3，CO就回转变成CO2，

然后在下用水洗涤CO2和H2的混合气体，使CO2溶于水而分离出H2
。
用煤来制取氢的方法，成本过于昂贵。
②在美国和其它天然气丰富的国家里，采用烃类裂解的方法制取氢。
其它烃类如石脑油和紫油也可以用作氢原料。
③水蒸气转换法制取氢得到水煤气，也必须分离出CO，方法繁琐，不如用烃类直接裂解

的方法。
④在石油化学工业中，由烷烃制取烯烃反应的副产物即氢气。可直接用于合成氨或石油

的精细加工等生产中。
⑤盐型氢化物与水反应也可以制取氢气：
⑥也可以利用硅的两性，令其与碱反应制备氢气：

离子星或类盐型氢化物

在周期表中的位置
在周期表中，活泼性最强的碱金属和碱土金属能够与氢在较高的温度下直接化合，氢获

得一个电子成为离子，生成离子型氢化物。
物理性质
离子型氢化物都是白色盐状晶体，常因含少量金属而显灰色。除LiH和BaH2
具有较高的熔点（LiH965K，BaH21473K）外，其它氢化物均熔化前就分解成单质。
碱金属氢化物具有NaCl晶格，离子占在面心立方晶格的结点上，它的半径在和的半径大

小之间（理论值208pm，实测值126~154pm），碱土金属氢化物具有斜方晶系的结构。
离子型氢化物不溶于非水溶剂，但能溶解在熔融的碱金属卤化物中。离子型氢化物熔化

时能导电，并在阳极上放出氢气，这一事实证明了离子型氢化物都含有负氢离子。
化学性质
①离子型氢化物都具有很高的反应活性，与水发生激烈的反应，放出氢气：
利用这一特性，有时可用离子型氢化物如CaH2除去水蒸气或溶剂中微量的水分。但水量

较多时不能使用此法，因为这是一个放热反应，能使产生的氢气燃烧。这个反应的实质

是
②离子型氢化物都是强还原剂，尤其在高温之下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐

：
③离子型氢化物在非水溶剂中能与一些缺电子化合物（如、、）结合成复合氢化物，
这类氢化物还有LiGaH4、U(BH4)、Al(BH4)3等，它们被广泛的用于有机和无机合成中作

为还原剂或在野外用做生氢剂，因为它们与水猛烈反应生成氢气。虽然十分方便，但价

格十分昂贵。

共价型或分子性氢化物

在周期表中的位置
在周期表中，p区元素的单质（稀有气体、铟、铊除外）与氢结合生成的氢化物属于共价

型氢化物，亦称为分子型氢化物。
物理性质
p区氢化物属于分子型晶体，它们是由单个的饱和共价分子通过很弱的范德华力或在某些

情况下通过氢键把分子结合在一起而构成的。这钟结构使得共价型氢化物的熔沸点比较

低，一般条件下多为气体，比较软，有挥发性，没有导电性等。
化学性质
由于分子型氢化物共价键的极性差别较大，所以它们的化学性质比较复杂。例如单就与

水的反应来说：
①C、Ge、Sn、P、As、Sb等的氢化物不与水作用。
②Si、B的氢化物与水作用时放出氢气
③N的氢化物NH3在水中溶解并发生加合作用而使溶液显弱酸性：
④S、Se、Te、F等的氢化物H2S、H2Se、H2Te、HF等在水中除发生溶解作用外，还会发生

弱的酸式电离而使溶液显弱酸性：
⑤Cl、Br、I的氢化物在水中则发生强的酸式电离而使溶液显强酸性：
HCl、HBr和HI都具有还原性，同族氢化物的还原能力随原子序数的增加而增强。

金属型或过渡型氢化物

在周期表中的位置
d区或过渡金属的钪族、钛族、钒族以及铬、镍、钯、镧系和锕系的所有元素，还有s区

的Be和Mg，与氢生成确定的二元氢化物。它们被称为过渡型氢化物。
性质
过渡型氢化物基本上保留着金属的外观特征，有金属光泽，具有导电性，它们的导电性

随氢含量的改变而改变。这些氢化物还表现有其它金属性如磁性等。所以这些氢化物又

叫做“金属型”氢化物。
金属型氢化物的密度比母体金属的密度低，某些过渡金属能够可逆的吸收和释放氢气。


在大多数情况下，金属型氢化物的性质与母体金属的性质非常相似。例如它们都具有强

还原性等。
从组成上看，金属型氢化物有的是正比化合物，如CrH2、NiH，有的是非整比化合物，如

VH0.56、TaH0.76、ZrH1.75等。

氢能源

我们知道氢气可以燃烧，并且在燃烧时产生大量的热。按每千克燃料燃烧放出的热量：


H2气                    120918kJ
B5H9(戊硼烷)    64183kJ
C5H12(戊烷)             45367kJ
相比之下，氢气燃烧放出的热量大约是戊烷（汽油的主要组分之一）的三倍。氢气可算

是一种高能燃料。
氢气和电力一样，是一种二级能源，因为要取得氢气必须用一种来自一级能源如石油、

煤炭、太阳能或原子能取得的能量，并把这种能量转化为电能，再用电解或其它方法分

解水而产生氢气。
使用氢气作为气体燃料的最大优点是它不会造成污染，它唯一燃烧产物是水气，这对人

和环境都无害。另外，氢气本身也无毒，可以用管道把它输送到千家万户，在充分注意

安全使用的条件下，可以代替煤气或天然气作为民用和工业用的燃料气。
目前，有关氢能源研究的三大课题是：
氢气的发生
氢气的储存
氢气作为能源的利用
在这三大课题中，氢气的储存是中心研究课题，因为它同能量储存和能量回收的问题紧

密相连。

氢气的发生

从能量的观点看，利用太阳能来光解水是最好的办法，太阳能取之不尽，而水用之不竭

。但光解水的工作尚在研究中，现在还达不到生产性的规模。

 氢气的储存


氢气是一种密度最低的气体。常温常压下，每立方分米氢气不到0.09g。作为燃料，装载

和运输都不方便。另外它同空气接触容易引起爆炸，不够安全。怎样把氢气储存起来备

用和运输，就成为氢能源利用的一项很重要的课题。
一种办法是在高压下使氢气连续冷冻和绝热膨胀，使之液化成为液态氢。由于液氢的沸

点很低，常温下它的蒸汽压又很大，所以必须把它装在特制的高压容器里储存，这是利

用液氢的一项很大的障碍。
另一种方法是使氢气与某些金属生成金属型氢化物的储氢方法。例如过渡金属与氢气在

一定条件下作用，可以得到金属氢化物，在另一条件下，这类氢化物即回分解成相应的

金属和氢气。这是一种金属或合金吸收氢和放出氢的可逆过程，因此叫做可逆储氢。这

类金属或合金即称为储氢材料。
钯和铀都是价格昂贵的金属材料，用它们储氢不经济。今年来，人们研究的镧镍合金，

由于价格较便宜，在空气中稳定，储氢量大，是一种很有希望的储氢材料。

氢气作为能源的利用

氢气燃烧产生的化学能可以用做能源，氢还可以通过核聚变反应产生核能。氢可作为直

接燃料用于火箭、燃氢汽车、燃氢飞机、电池等。


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