氢原子只包含一个质子和一个核外电子。氢是宇宙大爆炸后最早形成的元素之一,且是宇宙中含量最丰富的元素。尽管它一直在无数恒星中燃烧,并核聚变反应形成氦,但它仍然占可探测宇宙质量的75%以上,并在化合物中占有最高的比例。
氢气是一种轻质、无色且高度易燃的气体,它常与氧化合成水的形式(水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的),大量存在于地球上。氢原子在水分子间形成的弱键使水具有相对较高的沸点,允许它以液体形式存在于地球的大气层中。大多数物质的固态密度比液态密度更大,但是在低温条件下,水分子中的氢键会断裂,与氧原子形成一种晶格结构的晶体。这种晶格结构中存在很多缝隙,使得冰比水轻,这就是冰山能够漂浮在水面的原因。
只由氢和碳两种元素组成的碳氢化合物,包括化石燃料(例如煤、石油和天然气),是我们生活所需的能源。如果没有氢,我们也无法获得太阳内部持续核聚变而产生的光和热。
16世纪的医学家帕拉切尔苏斯,是第一个观察到金属与强酸混合时会产生易燃气体的人。年,罗伯特·波义耳在铁屑与盐酸(一种由氢和氯组成的化合物)混合的实验中,也观察到了同样的现象。在将近一个世纪后的年,亨利·卡文迪什意识到这种气体是由一种单独的元素组成的,他当时称其为“燃素气体”。年,当发现这种气体燃烧会生成水时,卡文迪什则将与其结合生成水的氧气称为“脱燃素气体”。年,著名的法国化学家安东尼·拉瓦锡给氢取了现在的名字,它来自于希腊语“水的制造者”。
燃素说的消亡
燃素说,在现代已经消亡。这种学说推断,所有的可燃物体都包含一种类似于火的元素(命名自古希腊语“火焰”),也就是这种学说误导了卡文迪什。燃素说认为,含有燃素的物质在燃烧时会失去燃素,当发现一些金属在燃烧时质量增加而不是减少时,燃素说出现了第一个漏洞。拉瓦锡用密闭容器的可定量实验证明了燃烧需要一种气体(氧气),由此证明了燃素说是错误的。
因为氢气非常轻,所以大多数人在空气中没有发现它的单质(总的来说是飘走了,逃离了大气层)。氢气比氧气或氮气轻得多,这也是为什么它是第一种被用来填充气球的气体。氢气也被应用于飞艇,飞艇相当于具有刚性结构的气球。不幸的是,由于年载满乘客的“兴登堡号”(LZ)飞艇的意外撞击事件,终结了20世纪早期的齐柏林公司的飞艇旅行。
美国的国家航空航天局的火箭也使用了氢气,比如通过液态氢气和纯氧的燃烧来发动航天飞机引擎。在交通方面,氢气可以替代化石燃料,成为未来的清洁能源;或者直接以氢气为原料做成燃料电池,其副产物只有水蒸气。
虽然使用氢气作为燃料能够给我们带来很多益处,但在实际操作和使用中仍有很多问题需要克服,例如:大量存储这种高度易燃的物质非常危险;从碳氢化合物中提炼氢气的过程,会产生很多温室气体;若通过电解水的方式来产生氢气,电解需要的电力大多会借助化石燃料来获得,可能得不偿失。
氢气还有许多其他的用途,比如生产氨肥,合成环己烷、甲醇(甲醇应用于塑料生产和医药)等,以及制造人造黄油、玻璃和硅片等产品。
文字内容源于《万物由什么组成》。
总结:氢气在工业生产中有许多重要作用,也给人类社会的发展作出重大贡献。当然氢气的潜在奥秘还需一代代人不断发现与研究。
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