氢具有哪些特性

氢气是氢元素形成的单质，是由两个氢原子组成的自然界中相对分子质量最小的物质。接下来，我们将分别从物理性质和化学性质两个角度来了解氢气具有哪些特性。

氢气的物理性质

氢气是一种无色、无味、无臭的可燃性气体，燃烧的火焰呈淡蓝色（见图1-23）。这也是发现氢气后的很长一段时间里被认为是一种可燃性空气的原因。

氢气通常有3种状态，即气态、液态和固态。氢气在常温常压下为气态，不做特殊说明时氢一般指气态氢（见图1-24）。

氢气是自然界中相对分子质量最小、最轻的气体，氢气的密度非常小，标准状况下（温度为0 ℃，压强为101.325 kPa）密度为0.083 g/L，只有空气的十四分之一。人们曾利用氢气的这一特性制作氢飞艇作为交通运输工具，其中最著名的就属“兴登堡”号飞艇。但是由于氢气易燃易爆，静电或者火花都存在点燃氢气而发生爆炸的可能，现已禁止使用。

1936年3月，德国的齐柏林飞艇公司完成了梦幻般的飞艇“兴登堡”号（见图1-25）的建造，它是齐柏林飞艇公司为德国政府建造的飞艇舰队中最先进的也是最大的一艘，人们以当时的德国总统兴登堡的名字为其命名。这个巨无霸的长度为245 m，最大直径为41.4 m ，艇体内部的16个巨型氢气囊总容积达到了2.0376×10 ⁵ m ³ 。埃克纳曾一度试图把气囊设计成较安全的外氦内氢结构，但因美国对德的氦气出口禁令而作罢。全氢气囊使飞艇的升力增加了8%，可用升力达到112 t。四台强劲的奔驰16缸柴油发动机分布于艇身左右两侧的四个发动机吊舱中，单机最大功率为1 300马力，飞行时间可持续5分钟，巡航功率为850马力。飞艇可以达到135 km/h的最大速度和121 km/h的巡航速度。它是20世纪30年代的“空中豪华客轮”，曾经连续34次满载乘客和货物横跨风急浪高的大西洋，到达北美洲和南美洲。

“兴登堡”号飞艇堪称是当时世界上最大、最先进、最豪华的飞艇，它所搭载的旅客也都是成功商人和社会名流。1937年5月6日，这艘巨大的飞艇正在新泽西州莱克赫斯特海军航空总站上空准备着陆，但在着陆过程中突然起火，仅仅几分钟的时间，华丽的“兴登堡”号飞艇就在这场灾难性的事故中被大火焚毁，97名乘客和乘务人员中有36人死亡。

想必大家也都在思考着一个问题，为什么飞艇会突然起火呢？目前虽然并没有确定具体原因，但通过对事故现场的勘察和合理推断，人们认为灾难是由静电或火花点燃了氢气囊中的氢气所致。

“兴登堡”号穿过雨云时，机体充满了负电荷，当机组人员将湿透的绳子抛下地面准备停泊时，这些绳子就起到了接地线的作用。当飞艇的金属架因接地而充电，机壳便开始升温，其外表面易燃的涂料开始自燃；当然也可能是由于在下降过程中，固定钢缆断裂划破气囊，导致氢气外泄，产生的静电火花引燃了氢气。另一种说法是，地面静电通过系留绳索传到艇身，使凝聚在气囊蒙布上的一层水滴导电；把整个艇体变成一个巨大的电容器，雷电产生的电火花点燃了在飞艇后部的氢气。在“兴登堡”号失事后，由于安全性的问题，飞艇从此退出历史舞台。

所幸的是，在“兴登堡”空难中，经过奋力营救，有近三分之二的飞艇成员幸存了下来，这不能不说是一个奇迹。这除了得益于当时飞艇高度较低，下落较缓外，还得益于氢气“轻”和扩散快的特性。

氢气的“最小密度”特性给储存和运输带来极大困难。通常人们会将氢气压缩到20 MPa并采用长罐拖车运输，此时氢气密度为14.772 g/L，储存和运输氢的密度可提高约180倍。

氢气在—252.77 ℃，即温度达到氢气的沸点时变成无色液体，即液氢。液氢的密度为71 g/L，为常规20 MPa高压态氢的近5倍。目前一些国家或地区，如日本、欧洲，已建设液氢输送管道用于输送氢气，这大大提高了氢能源储存运输效率。液氢通常用作航空航天领域的燃料，液氢与液氧组成的双组元低温液体推进剂的能量极高，已广泛用于发射通信卫星、宇宙飞船和航天飞机等运载火箭中。液氢还能与液氟组成高能推进剂。另外，液氢还可用作新能源汽车的燃料，如宝马Hydrogen 7氢动力汽车，除配有一个容量为74 L的普通油箱外，还配有一个额外的燃料罐，可容纳约8 kg的液态氢。液氢因为需要保持极低温度，能耗大，技术要求高，目前并未在民用领域广泛应用。

继续降低温度到氢气的熔点，即—259.2 ℃时，则变为雪花状的固态氢，此时密度为86 g/L。固态氢的密度只稍高于液态氢，所以人们一般不追求固态氢。

这里特别说明在能源领域经常提到的“固态氢”，并不是指低温下的固体氢，而是特指一种固态储氢材料，即利用固体材料对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。固态储氢需要用到储氢材料，寻找和研制高性能的储氢材料是固态储氢的当务之急。最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯很贵，缺少实用价值。目前，科学家们已经找到了资源丰富、低成本的金属材料来储存氢气，可以做到安全、高效、高密度储运氢，是目前最有前途的储运氢方式，例如镁基固态储氢材料，如图1-26所示。

氢气可溶于水，在标准条件下，氢气的溶解度为1.83 %（体积分数），即每100 mL水中可以溶解1.83 mL的氢气（见图1-27）。这个溶解度看起来比较小，在气体分析和研究时，甚至可以忽略不计。但是在生物学上，这相当于1 L水中溶解了1.6 mg的氢气。我们日常服用的许多药物，摄入的药剂含量也大多在毫克（mg）数量级。研究表明，饮用饱和浓度的氢水代替日常饮水对人体保健非常有好处，富氢水已是氢医学领域一种重要的给氢方式。但是许多富氢水饮品是用ppm为单位衡量氢水浓度的，ppm即parts per million，每百万分之一。饱和氢水换算后的浓度为1.6 ppm。基于目前国际上大部分学术研究结果，一般认为氢气浓度达到3/4饱和度，即1.2 ppm，就足够产生生物学效应了。

由于氢气是所有气体中最小的分子，氢气具有很强的渗透性，常温下就可透过橡皮和乳胶管，而在高温下可透过钯、镍、钢等金属薄膜。充满氢气的氢气球，往往过一夜，第二天就因为氢气逸散使得气球体积缩小飞不起来了。这是因为氢气能穿过橡胶上肉眼看不见的小细孔。在高温高压下，氢气甚至可以缓慢穿过厚厚的钢板，当钢铁材料暴露于一定温度和压力的氢气中时，氢原子会逐渐渗透于钢的原子空隙中，使钢铁材料的晶粒间原子结合力降低，造成延伸率、断面收缩率降低、强度变低，引起钢铁材料脆化，造成缓慢变形，这会严重破坏钢铁材料，即氢脆。氢气的这种性质对储存和运输氢气的容器提出了非常高的要求。

氢气的比热容大、导热性能好。氢气导热率比空气大7倍。在相同的压力下，氢的比热容是氮的13.6倍，是氦的2.72倍。因此，相对于其他气体，氢的吸热和导热性能都比较强（见表1-1）。

氢的扩散速度快。在空气中，氢气的扩散速度是氮气的2倍，是二氧化碳的近5倍。因此，氢气泄漏发生燃烧时，往往在几秒钟内就烧尽。氢在液体或人体组织中，扩散速度为氮的3.74倍，氦的1.41倍（见表1-2）。

氢气的传声速度快。在标准状态下，空气的传声速度是331 m/s，而氢气的传声速度是1 286 m/s。因此，人如果呼吸氢气，则语音会发生明显的改变。

氢气的化学性质

氢气在常温下性质稳定，其稳定的化学性质主要取决于组成氢气的两个氢原子之间较强的共价键。但氢气在点燃或加热的条件下能与许多物质发生化学反应。

氢气具有可燃性。氢气是一种极易燃的气体，燃点只有574 ℃，纯净的氢气在点燃时，会安静燃烧，火焰呈淡蓝色，放出热量并生成水（见图1-28）。

氢气的燃烧热值居各种燃料之冠，不同燃料的燃烧热值如图1-29所示。每千克氢气燃烧可释放出120 MJ能量（33.3 kW·h/kg），还不包括残留水蒸气中所包含的20 MJ/kg能量。要获得同样数量的能量需要2.5 kg的天然气、2.75 kg石油或3.7～4.5 kg的煤。因此，氢气是航空航天领域的首选燃料。此外，氢气燃烧产物为水，绿色清洁。因此发展氢能源是实现双碳目标的重要途径。

氢气在氯气中也可燃烧，燃烧火焰为苍白色，其反应式如下：

因为氢气具有可燃性，所以氢气具有爆炸风险。当空气中氢气的体积分数为4%～74.2%时，遇到火源可引起爆炸。该体积分数范围叫作氢气的爆炸极限。因此在使用氢气的环境中，必须装设氢气传感器随时探测氢气浓度，同时应杜绝一切火源、火星，禁止产生电火花，以防发生爆炸。

氢气与氯气在光照条件下会发生爆炸；氢气与氟气混合，即使在阴暗的条件下，也会立刻爆炸，生成氟化氢（HF）气体：

当氢气浓度低于4%时，即使在非常高的压力条件下，氢气和氧气的混合气都不会燃烧爆炸。人们利用氢气的这个特点把氢气用于潜水作业，还可以利用氢气这些特点设计安全呼吸氢气的设备（吸氢机）用于医疗领域。

氢气具有还原性。它不但能与氧单质发生反应，还能与某些化合物中的氧发生反应。例如：将氢气通过灼热的氧化铜，可得到红色的金属铜，同时生成水。在该反应里，氢气夺取了氧化铜中的氧，生成了水；氧化铜失去了氧，被还原成红色的铜。可以看出，氢气具有还原性，是很好的还原剂，氢气还可以还原其他一些金属氧化物，例如氧化铁、三氧化钨等。

氢的还原性使其成为天然的还原剂。在工业上氢气常用于防止出现氧化的生产中。例如在电子微芯片的制造中，在氮气保护气中加入氢可以去除残余的氧。氢在医学上的应用也正是基于氢的还原性，其反应机理如图1-30所示。

氢气还可以与部分金属单质发生反应，形成金属氢化物。如金属镁与氢气的反应：

金属氢化物的特点是具有强还原性，而且金属氢化物非常容易与水发生反应，并生成氢气。

上海交通大学氢科学中心基于氢的这一特性研发了镁基固态储氢材料氢化镁，实现了常温常压下的高密度氢储运。且这种氢为负离子态，具有更强的还原性和抗氧化性，在医学上有着更广阔的应用前景。 b4odaH6sRzVtWvcXltvY6I08tp8PwyWkps4+vTBS6cMNZ+OvFIPcxge9sGZVtZfG