元素简介：氢
大家好，一直就想写个元素科普的专栏，希望大家喜欢，有什么问题可以问我。氢比较特殊，有些地方需要一点基础的量子力学的知识。
氢是一种化学元素，元素符号为H，原子序为1，相对原子质量为1.008，是元素周期表中的第一个的元素。除了暗物质和暗能量外，氢是宇宙中含量最高的物质，化学元素丰度超过70%。氢有5种常见物质状态，包括气态氢、液态氢、氢浆、固态氢和金属氢。
1.性质：
①燃烧：
在标准状况下，氢会形成无色、无臭、无味的双原子分子气体，氢没有毒性，但十分易燃。氢气在空气的自燃温度为只有约500°C，只要在空气中体积比例在4%和75%之间就可经火花或高温光照点燃，氢的燃烧热为-286kJ/mol。通常情况下，氢气的火焰颜色为淡蓝色，但纯氢和纯氧气燃烧时会产生紫外线，肉眼很难看见，可能会产生潜在危险。兴登堡号空难是就是氢气燃烧的典型范例，但其原因仍然有争议。在那次事故中，氢气、氧气以及飞艇外壳中的碳化合物混合产生了可见的橙色火焰。
②氢原子：
氢是最简单的元素，最常见的氕只含一个质子和一个电子。氢有着明显的量子效应，由于分子旋转能级之间的间距，热量不会均匀地分配到分子的自旋上，因此氢气在极低温的温度下，会表现的不像双原子气体。
氢原子作为一种简单的两体问题物理系统，在量子力学和量子场论中具有特殊的意义，它产生了许多简单的封闭解析解。
经典的电磁学表明，任何加速电荷都会辐射拉莫尔公式所描述的能量。如果假设电子以完美的圆形轨道运行并连续均匀辐射能量，则电子将迅速地螺旋进入原子核，根据玻尔半径和经典电子半径计算，其坠落时间约为1.6×10⁻¹¹秒，如果这样所有原子都会立即崩溃，但原子本身是相当稳定的。此外，当轨道变小时，螺旋向内的结构会释放聚集的电磁频率。相反，观测到的原子只会发射离散的辐射频率。因此需要量子力学来解释氢原子结构。
在1913年，玻尔在做出一些简单的假设之后获得了氢原子的能级和光谱频率，以便纠正失败的经典模型。假设包括：
1.电子只能处于某些离散的椭圆轨道或静止状态，从而具有一组离散的半径和能量。
2.当处于这些状态之一时，电子将不发射辐射。
3.电子可以通过从一个离散的轨道跃迁到另一个轨道来获得或失去能量。
玻尔认为电子的角动量值是量化的，电子通过库仑力维持其轨道的向心力，并且该能量是守恒的。玻尔的理论与氢原子光谱观测到的一系列实验数据相匹配，使得量子理论更加合理。
但玻尔模型仍然存在一些问题：
1.它无法预测其他光谱细节，如精细结构和超精细结构
2.它只能预测单电子原子（氢原子）的精确能量水平
3.α²只能得出大概的近似值，α是精细结构常数。
薛定谔方程可以对非相对论性氢原子提出精确的解析解。
在波函数里，氢原子的哈密顿量是正质子和负电子之间的径向动能算符和库仑吸引力。使用与时间无关的薛定谔方程，忽略所有自旋耦合相互作用并减少质量计算就可得到氢原子的解析，如果以球坐标扩展拉普拉斯算子，就会得到可分离的偏微分方程，使得波函数位置得到归一化。通过广义的拉盖尔多项式扩展球谐函数可以更好的表达。此外，这些波函数会被归一化并且正交，对于氢原子，薛定谔的波动方程依靠核产生各向同性的库仑势。
氢原子的电子基态能级为-13.6eV，对应于波长约为91纳米的紫外线。根据玻尔的氢原子模型可以得出出氢原子的各个能级。如果假设角动量分立原理，那么电子在原子中也只会拥有固定的特殊能量。通过薛定谔方程、狄拉克方程，以及费曼路径积分，氢原子可以得到更好地描述并且推算电子的密度概率。
包括精细结构(不包括兰姆位移和超精细结构)的氢能级可由索末菲精细结构表达式给出：
其中α是精细结构常数，j是“总角动量”量子数，它等于|ℓ±1/2|，这取决于电子自旋的方向。这个公式表示对玻尔和薛定谔得到的能量进行了如上所示的小修正。最后一个表达式中方括号中的因子几乎是1；这个额外的系数来自于相对论效应。值得注意的是，这个表达式最初是由阿诺·索末菲在1916年根据旧玻尔理论的相对论版本得到的，并对量子数使用了不同的符号。
③单质分子形态：
由于原子核的自旋不同，氢气会形成两种不同的自旋异构体。正氢的质子自旋相互平行，会叠加成三重态，总自旋量子数为1(1/2+1/2)，沿定义轴的分量可具有三个值M I =1,0或-1，因此每个正氢能级具有三个自旋简并核，这意味着在没有磁场的情况下它对应于相同能量的三种状态；而仲氢的质子自旋平行相反，形成单重态，分子自旋量子数为0(1/2-1/2)，M I =0，由于只有一种能量状性，每个仲氢水平的自旋简并性为1，整体为非简并态的。在标准状况下，氢气含有75%正氢和25%仲氢。温度会影响正氢与仲氢的比例，但由于正氢属于激发态，有着比仲氢更大的能量(大约是1.06kJ/mol)，所以无法独立分离。在极低温度下，氢可以几乎完全由仲氢构成，但无论怎样提高温度也不会使正氢的比例超过75%。由于正氢和仲氢在旋转热容上存在很大出入，较纯的仲氢和混合态的氢有着很明显的热力学属性差异。另外，虽然含氢的官能团也可以有正仲之分，但由于其他原子自旋的稳定和干扰，非单纯氢以外的物质在热力学属性上几乎没有差距。分子氧也存在于三个低能三重态和一个单重态，分别对应基态顺磁三重态氧和激发态高反应性的反磁单线态氧，但这些状态来自它们不成对电子的旋转，而不是它们的质子或原子核。
仲氢转化为正氢的过程是放热的，而且会使氢蒸发并有所损耗。使用催化剂可以加速氢的转化，常见的催化剂有金属氧化物、活性炭等等。这是因为这类物质会对质子的自旋反转形成干扰。例如：在实验室中可以通过液氮在77K的温度下用三氧化二铁和活性炭为催化剂可使正氢和仲氢以1:1的比例存在3小时，而在没有催化剂的情况下，气相中的仲氢在室温下需要数天才能变为至正常氢气，而在有机溶剂中则需要数小时。
当在氢化反应过程中使用过量的仲氢（非3：1比例）时，所得产物在核磁共振氢谱中会显示出超极化信号，这种效应称为PHIP（仲氢诱导极化）或帕萨迪纳效应（仲氢可以显著增强核对准取向），这已被用于研究氢化反应的机制。
可逆交换信号增强（SABRE）是一种在不对其进行化学修饰的情况下对样品进行超极化的技术。与正氢或有机分子相比，仲氢中更大部分的氢原子核会与施加的磁场对齐。在SABRE中，金属会可逆地与测试分子及仲氢分子结合，促使靶分子吸收极化的仲氢分子。这种技术可以使“中继”分子如氨更加广泛进入到有机分子中。氨有效地与金属结合并从仲氢中吸收极化分子，然后将其它不与金属催化剂结合的分子转移到金属催化剂上。这种增强的核磁共振信号可以快速分析极少量的物质。
④化合物：
共价及有机化合物：
氢可以和绝大多数的元素结合，氢与高电负性的元素结合的分子会产生氢键。氢键会影响一些物质的溶解度和沸点，因此生物分子中很多都含有氢。氢也可以得到一个电子并与也一些低电负性的金属结合，这些化合物则会被称为氢化物。
氢和碳会形成大量的烃类化合物，烃类还可以和其他原子结合，产生更为复杂的化合物。这些物质都属于有机化合物。碳-氢键有着广泛的生物反应性，目前已知的碳氢化合物有数百万种，广泛应用在人体与工业生产之中。
氢化物：
氢化物一般是氢和电负性更低的元素结合而成，其中的氢为-1价。但有时含氢的化合物都可以称为氢化物，氢化物并没有严格定义。极少数的金属氢化物也属于共价化合物，如2族元素的聚合氢化铍。
几乎所有主族元素都可以形成氢化物，在天然存在的94种元素中，只有氦，氖，氩，氪，钷，锇，铱，氡，钫和镭不存在氢化物。不过不同种类的氢化物数量有着极大的差别。碳和硼的氢二元化合物多达成百上千种，但卤素的二元氢化物只有一种。氢原子也可作为配体与金属原子或低电负性的非金属相连接。如九氢合铼酸根，碳**簇等
氢化物一般分为四类：
离子氢化物：是一类具有高熔点和较高稳定性的化合物，一般由较活泼的金属与氢形成，如碱金属及部分碱土金属和镧系金属氢化物。
共价氢化物：由非金属（不含稀有气体）或类金属与氢形成，熔点较低，命名上通常叫“某化氢”而非“氢化某”。此类别包括以离散分子，聚合物或低聚物存在的氢化物，以及在化学吸附在表面上的氢。
间隙氢化物：间隙氢化物最常存在于金属或合金中。它们传统上被称为“化合物”，但它们严格上不符合化合物的定义而更接近普通合金，如钢铁。在这种氢化物中，氢可以作为原子或双原子实体存在。机械或热处理（例如弯曲，撞击或退火）可通过脱气使氢从溶液中沉淀出来。
笼形氢化物：笼形氢化物指的是某种元素的原子结构被氢分子组成的笼形结构包围形成的化合物。如Xe(H₂)₈
碱金属氢化物可作为还原剂和强碱用于有机合成，碱土金属氢化物可用于干燥剂，某些过渡金属氢化物可用于燃料电池、吸气剂、核反应堆减速剂、储氢材料等，而某些氢化物配合物则是各种均相和非均相催化循环中的催化剂和催化中间体。如氢化反应，氢甲酰化反应，氢化硅烷化，加氢脱硫反应催化剂。甚至某些氢化酶，也通过氢化物作为中间体起作用，如能量载体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶Ⅰ)可作为氢化物供体来起反应。
质子与酸：
氢原子可以失去1个电子，形成氢阳离子。由于绝大多数的氢都没有中子，所以H⁺经常被直接称为质子。在布朗斯特和劳里的酸碱质子理论里氢阳离子有着十分重要的作用，酸被定义为质子供体，碱被定义为质子受体。通过格罗特斯机理，质子可以在溶剂中从一个分子转移到里一个分子中。
由于溶液和一般晶体中存在大量含电子的原子和离子，因此H⁺一般不会单独存在。为了方便，酸性溶液中的阳离子有时会写成H₃O⁺，称作水合氢离子。这其实是一种假想的情况，现实中水分子和氢离子会结合结成类似H₉O₄⁺的化学物质，不同的溶剂也会形成不同的钅羊盐。
原子氢：
NASA已经研究了使用原子氢作为火箭推进剂。它可以储存在液氦中以防止其重新组成分子氢。当氦气蒸发时，原子氢将被释放并结合回分子氢，最终将产生氢气和氦气的热流。通过这种方法，火箭的起飞重量可以减少50％。
大多数星际氢都是原子氢形式，因为原子很少碰撞和结合。它们是在天文学中重要的21厘米氢线的来源，其频率为1420兆赫。
⑤同位素：
氢有三种常见同位素，记作¹H、²H、³H，分别称为氕、氘、氚。其他为人造同位素，天然并不存在。另外，氢是唯一一个同位素各自拥有不同名称的元素。
¹H是最常见的氢同位素，丰度高于99.98%。氕原子不含中子，只含一个质子和一个电子,它还有个很少见的名称叫氕。由于从未观察到质子衰变，因此¹H被认为是稳定的同位素。但根据20世纪70年代提出的最初大统一理论预测，质子衰变可能存在10³¹到10³⁶年之间的半衰期。如果这个预测是正确的，则¹H（实际上所有被认为是稳定的核）仅在观察上是稳定的。然而，根据日本利用超级神冈探测器在水中探测切连科夫辐射的实验表明质子半衰期最少超过10³⁴年。
²H（D）也叫氘，是氢的另一种稳定同位素，丰度为0.0026-0.0184%，其原子核含有一个质子和一个中子，氢气样品中的氘含量较低，而海水中则相对较高。宇宙中几乎所有的氘都是由大爆炸中的原初核合成形成的。氘是种稳定无毒的同位素，含氘的水分子称为重水，但重水虽无毒，也不能代替普通的水。氘可用作中子减速剂和冷却剂。氘也可和氚一起使用作为核聚变的燃料。
³H(T)也叫氚，原子核含有一个质子和两个中子。氚具有放射性，会发生β衰变成³He，半衰期为12.32年。自然界的氚主要来源于宇宙射线和大气的相互作用。氚可以用于核聚变反应以及同位素示踪剂，在生化试验中氚也可作为标记物。最常见的生产氚的方法是在核反应堆中用中子轰击锂的天然同位素锂-6。氚和氘可以发生D-T核聚变释放能量，这也是最常见的核聚变反应之一。
2. 分布
氢原子最早在宇宙复合阶段出现并遍布全宇宙。等离子态的氢是非致密星恒星的主要成分，气态巨行星中也含有大量的氢。在恒星中，氢通过质子﹣质子链反应和碳氮氧循环为恒星提供能量。而棕矮星由于质量过低，只能进行氘燃烧。宇宙中的氢主要以单原子形态和等离子态存在，在等离子体中，电子会与原子核相互脱离，这些粒子也会受到电磁场的影响，极光就是这样产生的。宇宙射线也会使得氢分子电离，形成三氢阳离子（H₃⁺）。在星际空间的低温和近真空条件下，三氢阳离子可以较稳定地存在。许多恒星都来源于电离氢区的星云，常见的如猎户座大星云、船底座大星云等，从这些气体中诞生的炙热蓝色恒星会辐射出大量的紫外线，使星云环绕在周围的气体游离。
在地球上的标准状况条件下，氢原子会形成双原子气体。但由于氢气质量和密度很低，氢气很容易从地球的重力中脱离，因此空气中氢气含量极低。但由于氢化学性质相对活泼，大部分的氢以化合物的形式存在于地球。
3.应用
①工业需要：
化石燃料裂化反应和哈勃合成氨需要大量氢气。氢气可以用来对不饱和物质进行加成，增加饱和程度，也可以用于生产盐酸和金属冶炼。
氢气易溶于许多过渡金属，同时也可溶于纳米晶态和非晶态金属。氢在金属中的溶解度受到晶格中的局部畸变或杂质的影响。钯可以通过这样来为氢气提纯。但是气体的高溶解度，会使大量金属变脆，加大了储存和运输线路的设计难度。
氢气在物理学也有着广泛的应用。液氢可用于研究超导现象。氢气的质量密度很低，曾为气球和飞艇提供升力，但由于氢气高度易燃过于危险，目前已被氦气替代。
氢气和氮气混合后称为合成气体，也称离解氨保护气，可以作为示踪气体，用于电气或航空等工业检查泄漏情况。
②冷却剂
由于氢气的轻质双原子分子导致的许多有利特性，包括低密度，低粘度，以及气体中的最高比热容和导热率，因此氢气通常在发电站中用作发电机中的冷却剂。目前最常见的氢冷涡轮发电机，氢冷涡轮发电机会用于与蒸汽轮机相结合，从而为单轴和联合循环应用提供冷却。
③能量载体
氢一般会用作能量载体。这是因为氢气生产的成本相对较高，超过了氢气燃烧得到的实际能量价值。但氢气燃烧时的低污染，仍使得氢可能作为一种潜在能源。氢也可作为燃料电池使用，拥有相对较高的效率。然而，要从现状完全转变到氢经济，需要进行大量的能源改造，耗费大量成本。
④半导体工业
氢可以使无定形碳和无定性硅的断键饱和，稳定物质。氢在各种半导体生产材料中提供电子，如：氧化锌、二氧化锡、氧化镉、氧化镁、二氧化锆、二氧化铪、三氧化二镧、三氧化二钇、二氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、二氧化硅、三氧化二铝、原硅酸锆、原硅酸铪和锆酸锶等。
3. 生物反应
某些生物的无氧呼吸反应会产生氢气，常见的有梭菌属、脱硫弧菌属、罗尔斯顿菌属和螺杆菌属。此类微生物一般会通过催化剂进行可逆的氧化还原反应来产生氢气，常见的催化剂有铁-铁氢化酶、镍-铁氢化酶、铁氢化酶等。在丙酮酸盐发酵成水的过程中就会产生氢气。生物体内氢的产生和消耗过程总称为氢循环。
光合作用生物进行光反应过程中会把水分解成质子、电子和氧气。在某些生物中，如莱茵衣藻和蓝绿藻等，衍化出了额外的暗反应阶段：在叶绿体内特殊氢化酶作用下，质子和电子会结合生成氢气。光捕获复合光系统II捕获蛋白LHCBM9可有效促进光能量耗散。铁-铁氢化酶由于被会被氧气灭活而需要在厌氧环境发挥作用。傅立叶变换红外光谱法可用于检测藻类代谢途径。通过转基因改造技术，生物学家也成功使蓝绿藻的氢化酶在有氧条件下也能稳定产生氢气。
4. 安全和预防措施
氢在不同情况下都会对人体造成危险。氢气在可燃性尺度上具有NFPA 704的最高等级4级，因为氢气即使和普通空气的比例低至4％也可被点燃。液氢的温度极低，可能会引致冻伤。氢气可以溶解在多种金属之中，氢气会造成氢脆现象，导致材料爆裂。泄漏到空气中的氢气无色无味，可能会自燃，但由于浓度较高，可能会产生无色的火焰，导致人体意外灼伤。
