世界上第一个氢气球的诞生

第一号元素——氢

早在16世纪就有人注意到了氢。曾经接触过氢气的人也不止一个，但当时人们把所有接触到的气体都笼统地称作“空气”，因此，氢气并没有引起人们注意。直到1766年，英国的物理学家、化学家卡文迪许用6种相似的反应制出了氢气。这些反应包括锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应。同年，他在一篇名为“人造空气的实验”的研究报告中谈到这种气体与其他气体性质不同，但由于他相信燃素学说，不认为这是一种新的气体，而认为这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出的“可燃空气”。事实上是杰出的法国化学家拉瓦锡于1785年首次明确地指出：水是氢和氧的化合物，氢是一种元素。并将“可燃空气”命名为“Hydrogen”。这里的“Hydro”是希腊文中的“水”，“gene”是“源”，“Hydrogen”就是“水之源”的意思。它的化学符号为H。我们的“氢”字是采用“轻”的一边，并把它放进“气”里面，表示“轻气”。

卡文迪许和拉瓦锡

氢元素的原子序数是1，排在元素周期表第一号位置上。它也是原子量最小的元素，原子量只有1。

在自然界中氢是非常丰富的元素，氢在自然界多以化合物形态出现。在地壳十公里范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占1%，原子组成占15.4%。化合态的氢的最常见的形式是水和有机物。自然界游离态的氢却数量极少。在空气中，氢气的含量不多，约占总体积的5‰。所以想要得到大量的氢气只能人工制取。天然气、煤炭、石油、生物质能等，都是氢气的有效来源。氢气的主要来源是水，而氢气燃烧后的产物还是水，因此，氢是可再生而有无任何污染的最佳能源。

氢

氢气是所有气体中最轻的气体。在0℃、一个大气压下，每升氢气重0.09克——仅相当于同体积空气重量的1/14.5。氢气的这种特性很早就引起人们的注意。18世纪，法国化学就把氢气灌入猪的膀胱中，制得了世界上第一个氢气球。在航空技术不发达的那个时期，人们正是利用这些氢气球来实现人们的飞天的梦想的。现在，人们大量利用氢气球进行高空探测。在气象台，人们差不多每天都要放几个氢气球，探测高空的风云。

人类探索太空用的氢气球

随着对氢的逐步深入研究，人们发现氢不是单独存在的，它存在着同位素。自然界中氢存在着三种同位素：氢也叫氕，符号为“H”；氘，符号为“D”；氚，符号为“T”。它们的性质相同而质量完全不同，原子量分别为1，2，3。通常所说的氢（氕），在氢的同位素中占99.98%，氘占0.02%，氚极少。普通氢原子原子核内只含有一个质子，而氘原子原子核内除了含一个质子外，还含有一个中子。氘俗称重氢。在原子工业中，氘和氚有着重要的作用，氘和氧形成的重水是重要的中子减速剂，氘也是氢弹的主要原料。氘和氚还能进行热核反应，放出巨大的核能。我国1967年爆炸成功的氢弹，其中就有氘和氚。氘和重水还是很重要的示踪材料。

氢的性质很活泼，能和大多数元素反应，形成氢的化合物。氢涉及的领域很多，如石油加化工、化肥、有机合成、空间技术、原子能、冶金和半导体材料生产等工业技术。

氢气还是合成氨的重要的材料，氨是重要的化学肥料。

氢是很强的还原剂，它能从许多金属的氧化物、氯化物中夺取氧和氯，使金属游离出来。钨、锗、硅就是用这种方法制取的。

原则上，凡是破坏碳碳键的都可以用氢。色泽、气味不好的低劣油脂经过氢化就会变成制皂的合格原料——硬化油。植物性油脂氢化以后，可以变成美味可口的营养丰富的人造黄油。

氢是很好的染料，燃烧1克氢，可释放16千焦热量，大约是航空汽油热值的3倍；氢是一种无污染的燃料，它燃烧后的产物是水蒸气，不会像煤炭和石油那样，因燃烧产生大量的废气而污染自然环境；氢燃料重量轻，用作航天、航空等高速运输工具的燃料，是最适宜不过的了，可以使载重和自重比成倍地提高；氢用途广泛，适用性强，除了用于普通飞机和地面交通工具以外，还可以利用管道输送给家庭作为做饭、取暖和空调的能源；氢在运输和储存方面都很方便，用管道输送损失小。根据测算，用管道保存和输送氢气的费用，还不到电力输配费用的1/2。

氢是一种高密度能源，一般说来，生产氢要消耗大量的能量。因此，必须寻找一种低能耗、高效率制氢方法。安全、高效、高密度、低成本的储氢技术，是将氢能利用推向实用化、规模化的关键。目前研究较多的是电解法、光解法、热化学法、光催化法等。

制取氢最好用分解水的方法取得，因为整个地球上水的储藏量极为丰富。可谓取之不尽、用之不竭的氢的源泉。

电解法是广泛采用的方法。每制取1立方米的氢约消耗0.9升水，纯度可达99.99%～99.999%。缺点是原料要纯水，而海水中含大量的氯离子和钙离子，需要预先将海水纯制。另外，效率低，要消耗大量电力，投资和生产费用高，经济上不合算等。

光催化法是利用太阳能将水分解。太阳能以2卡/厘米2·秒或1353瓦/平方米的固定常数射到地球，由于大气层的吸收，实际能量比这要小。但只要设法集中使用，已经足够大了。

事实上，两周内射到地球上的太阳能就相当于全世界现有有机燃料的储量。除约0.03%从光合作用转化为化学能外，绝大部分用以加热大陆和海洋的表面。光催化法需要辅以无机材料如TiO₂、S₂TiO₃等。目前正处在研究之中，不久可望被应用。

氢虽然是一种理想的燃料，但实践起来还有不少困难，用它来取代现有燃料还有个过程，因此我们说它是未来的新型。