氢,元素符号h,位列元素周期表之首。它以氢气形式存在,无色无味无臭,是一种极易燃烧的双原子分子气体,因其极轻的特性而著称。在医学领域,氢气亦被用于治疗多种疾病。
氢气的极限范围为4.0%至74.2%,意味着其在特定条件下可能引发的风险。
早在十六世纪,一位瑞士医生便注意到了与硫酸反应产生气泡的铁屑。他观察到这种气体可燃,但由于忙碌的医者身份,他没有进一步深入研究。十七世纪,又有医生发现了氢气,但受当时观念所限,人们认为气体无法独立存在、收集与测量。
直至1766年,英国化学家卡文迪许开始对氢气产生浓厚兴趣。他在实验中误将铁片掉入盐酸中,意外发现盐酸溶液中产生气泡。经过多次实验,他发现气体产生与酸的种类及浓度无关,从而开始系统地研究这种新气体。
卡文迪许利用排水法收集了这种气体,并发现它既不助燃也不助呼吸。混合它与空气,遇火即可能。他详细记录了这一气体的特性,并在论文中指出其极限范围。
卡文迪什通过实验测定了这种气体的比重,并进一步发现其燃烧后的产物是水。这为后来人们认定其为氢气奠定了基础。然而受“燃素说”影响,卡文迪什并未将这一发现命名为新的元素。
拉瓦锡在得知卡文迪什的实验后,重复了实验并确认了水的本质是氢和氧的化合物。他在1787年正式提出“氢”是一种元素,并命名为“水的生成者”。
到了21世纪初,英国科学家在极端高压环境下制造出了氢的固体金属状态,即“第五状态氢”。这种状态的氢通常存在于大型行星或太阳内核之中。
在地球上及大气中,游离状态的氢极其稀少。尽管如此,氢在自然界中的分布仍相当广泛。水是氢的重要“仓库”,泥土、石油、天然气以及动植物体内也含有氢。而在宇宙中,按原子百分数计算,氢却是分布最广的元素。太阳大气中,氢占到了81.75%的原子百分数。
作为原子序数为1的元素,氢是宇宙中含量最多的元素,占据了宇宙质量的约75%。其原子质量极轻,为1.00794u。在地球上自然条件下形成的游离态氢单质较为罕见。
最常见的氢同位素是氕,含有1个质子而无中子。氢在离子化合物中可以得失电子形成阴离子或阳离子,参与构成各种化合物。它与几乎所有元素都可形成化合物,尤其在酸碱反应中扮演重要角色。氢原子作为最简单的原子,在原子物理中具有重要理论价值。
人工合成氢气始于16世纪,通过金属与强酸的反应可得。卡文迪许首次发现其燃烧产生水,奠定了其化学属性的基础。常温常压下,氢气具有易燃、无色透明的特性。而氢原子则表现出强烈的还原性,在高温下与几乎所有元素都能形成化合物。
氢作为一种化学元素和气体,其特性和应用在科学、医学及宇宙中都有着举足轻重的地位。