氢元素

引入

氢是宇宙中含量最多的元素,为什么在地球大气中却很少?

氢键是什么?它对水的性质有什么影响?

氢能为什么被认为是未来的清洁能源?

氢是元素周期表中的第一个元素,也是宇宙中最丰富的元素。氢的化学性质独特——它既可以失去电子形成 $\mathrm{H}{}^{+}$,也可以得到电子形成 $\mathrm{H}{}^{-}$,还能形成特殊的氢键深刻影响物质的物理性质。

正文

定义

氢（$\mathrm{H}$）是元素周期表第 1 号元素,原子序数 1,电子排布 $1s^1$。氢是宇宙中含量最多的元素（约占宇宙原子总数的 $75\%$）。

基本性质

性质	描述
原子序数	$1$
电子排布	$1s^1$
相对原子质量	$1.008$
常见氧化态	$+1$、$-1$、$0$
单质	$\mathrm{H}{}_2$（双原子分子）

氢在周期表中的特殊位置

氢的位置一直有争议:

• 放在第 1 族（碱金属上方）:因为最外层 1 个电子,氧化态 $+1$
• 放在第 17 族（卤素上方）:因为可以得到 1 个电子,氧化态 $-1$
• 单独列出:因为氢的性质与碱金属和卤素都有较大差异

**与碱金属的相似点:**都能失去 1 个电子形成 $+1$ 价。 **与碱金属的不同:**氢是非金属,$\mathrm{H}{}^{+}$ 极不稳定（在水溶液中以 $\mathrm{H}{}_3\mathrm{O}{}^{+}$ 存在）。 **与卤素的相似点:**都能形成双原子分子,都能得到 1 个电子。 **与卤素的不同:**氢的电负性（$2.20$）比卤素低得多,氢化物 $\mathrm{H}{}^{-}$ 不稳定。

氢气

物理性质:

性质	描述
颜色气味	无色无味
密度	$0.0899g/L$（最轻的气体）
溶解性	难溶于水
沸点	$-252.9{}^{\circ }\mathrm{C}$

化学性质:

可燃性

$2\mathrm{H}{}_2+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\Delta H=-285.8kJ/mol$

纯净氢气在空气中安静燃烧,产生淡蓝色火焰。

**注意:**点燃氢气前必须验纯,氢气与空气混合达到爆炸极限（体积分数 $4\%\sim 74.2\%$）时遇火会爆炸。

还原性

$\mathrm{H}{}_2+\mathrm{CuO}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{Cu}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$3\mathrm{H}{}_2+\mathrm{WO}{}_3\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{W}+3\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

氢气在高温下能还原多种金属氧化物。

与卤素反应

$\mathrm{H}{}_2+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{光照或点燃}{\to }2\mathrm{HCl}$

$\mathrm{H}{}_2+\mathrm{F}{}_2\to 2\mathrm{HF}$（暗处即爆炸）

氢化物

类型	说明	例子
离子型氢化物	氢与活泼金属形成,$\mathrm{H}$ 为 $-1$ 价	$\mathrm{NaH}$、$\mathrm{CaH}{}_2$
共价型氢化物	氢与非金属形成,$\mathrm{H}$ 为 $+1$ 价	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$、$\mathrm{NH}{}_3$、$\mathrm{CH}{}_4$
金属型氢化物	氢溶入过渡金属晶格	$\mathrm{TiH}{}_2$、$\mathrm{PdH}{}_x$

离子型氢化物是强还原剂,能与水剧烈反应:

$\mathrm{NaH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{NaOH}+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

氢键

定义

氢键是与电负性大、半径小的原子（$\mathrm{F}$、$\mathrm{O}$、$\mathrm{N}$）相连的氢原子,与另一个电负性大的原子之间的静电吸引作用。

氢键不是化学键,而是一种较强的分子间（或分子内）作用力,键能约 $10\sim 40kJ/mol$（远小于共价键的 $200\sim 500kJ/mol$,但强于范德华力）。

氢键的形成条件:

1. 氢原子与电负性大的原子（$\mathrm{F}$、$\mathrm{O}$、$\mathrm{N}$）以共价键相连
2. 附近有另一个电负性大的原子

氢键对物质性质的影响:

影响	例子
沸点异常升高	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$ 沸点（$100{}^{\circ }\mathrm{C}$）远高于 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$（$-60{}^{\circ }\mathrm{C}$）
溶解性增强	$\mathrm{NH}{}_3$、$\mathrm{HF}$、乙醇易溶于水
冰的密度比水小	冰中水分子通过氢键形成空旷的四面体结构
蛋白质、DNA 的结构稳定	二级结构（$\alpha$-螺旋、$\beta$-折叠）靠氢键维持
$\mathrm{HF}$ 沸点反常	$\mathrm{HF}$ 沸点（$19.5{}^{\circ }\mathrm{C}$）高于 $\mathrm{HCl}$（$-85{}^{\circ }\mathrm{C}$）

**冰浮于水面的意义:**冰的密度小于水,使湖泊从上而下结冰,保护水下生物过冬。如果没有氢键,水将不具备这一特性,地球生态将截然不同。

氢的同位素

名称	符号	中子数	丰度	应用
氕（普通氢）	${}_{}^{}{}_{}^1\mathrm{H}$	$0$	$99.985\%$	—
氘（重氢）	${}_{}^{}{}_{}^2\mathrm{H}$（$\mathrm{D}$）	$1$	$0.015\%$	核聚变燃料、重水 $\mathrm{D}{}_2\mathrm{O}$
氚（超重氢）	${}_{}^{}{}_{}^3\mathrm{H}$（$\mathrm{T}$）	$2$	极微量（放射性）	核聚变、发光涂料

氢能

氢气作为燃料的优点:

优点	说明
热值高	$1\mathrm{kg}$ $\mathrm{H}{}_2$ 燃烧释放 $142\mathrm{MJ}$,约为汽油的 $3$ 倍
产物清洁	燃烧产物只有水
来源广	可由水分解获得

挑战:

挑战	说明
制取成本高	电解水耗能大,化石燃料制氢排放 $\mathrm{CO}{}_2$
储存困难	氢气密度小,压缩或液化耗能高
运输困难	氢气易燃易爆,对管道和容器要求高

引出

氢键和共价键的本质区别是什么?

为什么 $\mathrm{HF}$ 是弱酸而 $\mathrm{HCl}$、$\mathrm{HBr}$、$\mathrm{HI}$ 是强酸?

绿色制氢（太阳能分解水）的原理和进展如何?

参考:元素周期表、化学键、水的电离和溶液的pH