氢气物理性质和化学性质是什么（氢气是什么化学性质）

氢是一种化学元素，在元素周期表中位于第一位。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。

氢气最早期的应用是充氢气球，在飞机发明前人类曾经借助热气球和氢气球作为飞行交通工具，是最早实现飞天梦想的方式。氢气最重要的应用是作为燃料和工业原料，氢燃料电池技术作为有前景的新能源受到当今世界的重视。在医学生物学领域，氢气才刚刚开始被重视，氢气的广泛有效性、生物安全性、经济实惠、获取方便等特点决定了其在生物医学领域巨大广阔的应用前景。

不研究氢气，能知道这些就够了。如果研究氢气，这些知识就远远不够了。例如初中化学都会学习更多关于氢气的知识，例如氢气的最重要化学性质，是具有还原性作用。如果学习更多化学知识，会掌握氢气还能具有氧化作用。

氢气是由两个氢原子组成的气体。从同位素角度看，氢元素或氢原子有三种类型，分别是氕、氘和氚，三种同位素中最多最多的是氕，其次是氘。氘大约占所有氢元素的150ppm，意思是百万个氢原子中有150个氘，其余的基本上全部是氕，氚的比例小到可以忽略不计。一般不特别说明，氢元素是指氕，氕原子核只有一个质子组成，是自然界所有元素中最特殊的一个。因为所有其他元素，包括氘和氚的原子核都含有中子。

氢原子存在的方式很多，氢气只是一种方式，自然界中氢大多数都是化合物形式存在，最常见也是最有名的就是水含有2个氢原子。一切有机物都含有碳和氢原子，所以所有有机物都含有氢原子。

氢原子是一个质子氢原子核和一个围绕原子核旋转电子组成，按照量子力学大师玻尔的描述，氢原子的电子在原子核外运动局限在特定电子轨道内。氢原子核质子自身也具有两种自旋方向，这导致组成氢气的两个氢原子核存在两种可能，两个质子的自旋方向一致的氢分子是仲氢，不一样的是正氢。按照规范的说法，正氢中两个核的自旋是平行的，仲氢中两个核的自旋则是反平行的。氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物。室温热平衡态下，氢气大约是75%正氢和25%仲氢的混合物。

氢有一个常见方式是氢离子，是指氢原子丢失电子变成单质子的形式。最常见的氢离子来源是各种酸性物质，水也可以自然分解为氢离子和氢氧根离子，水溶液中的这两种离子根本不会单独存在，因为水分子具有极性，非常容易和有电物质结合，一个正电氢离子的周围会包绕多层水分子形成团簇。氢原子丢失电子变成氢离子，这种情况氢离子带正电。氢原子也可以获得电子变成氢负离子，氢负离子顾名思义就是带负电的氢离子，在氢气固体存储领域氢负离子有重要意义，且已经有一些固体储氢技术产品，某些氢负离子金属化合物如氢钙和氢镁，也被作为供氢剂用于生物医学中，初步研究发现对不少疾病有潜在治疗效果。

氢气的应用是基于氢气的物理化学性质。氢气的物理化学性质是随着对氢气研究的深入逐渐被发现的。

氢通常的单质形态是氢气，氢气是无色、无味和无臭的双原子气体分子。氢气的密度非常小，是自然界分子量最小的气体，比空气的密度小许多。在标准状况下（温度为0℃，压强为101.325千帕），1升氢气的质量是0.089克。跟同体积的空气相比，氢气质量约是空气的1／14。利用这一性质，人们曾经用氢气球作为运输工具。由于氢气的密度太低，地球上的氢气逐渐在大气中上升，并最后逐渐向宇宙中挥发。

氢气是非常难液化的气体，在101.325千帕下，氢气在-252.8℃时，能变成无色的液体，液体氢具有超导性质。在-259.2℃时，液体氢能变为雪花状的固体氢。多年前曾经有学者推测，固体氢可以表现出金属的特征，最近几年有些研究证明了这一推测。

氢在一般液体的溶解度比较小。在一定温度和压强下，气体在一定量溶剂中溶解的最高量称为气体的溶解度。气体的溶解度除与气体本性、溶剂性质有关外，还与温度、压强有关，其溶解度一般随着温度升高而减少，由于气体溶解时体积变化很大，故其溶解度随压强增大而显著增大。溶解度常用某一确定温度条件下1体积溶剂中所溶解的最多体积数来表示。如20℃时1个大气压（纯氢气环境）条件下，100 ml水中能溶解1.82 ml氢气，则表示为1.82%等。如果按照摩尔浓度计算，20℃时水中溶解1个大气压纯氢气的浓度为0. 92 mM。有研究提示，与许多气体不同的是，氢气的溶液度可能随着温度增加而增大。

关于气体溶解于液体的溶解度，在1803年英国化学家亨利，根据对气体稀溶液的研究总结出一条经验定律，称为亨利定律。根据亨利定律，在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比。也就是说气体在液体中的溶解度随着该气体的分压增大而成比例增大。100%的氢气在同样条件下在液体中的溶解度，是2%的氢气的50倍。氢在水中的溶解度(0.017%)比氮(0.013%)稍大；氢在脂肪中的溶解度0.036%)比氮(0.067%)小，大约为氮的1/2；在25℃时，氢在乙醇中的溶解度为0.089%，是水中的4倍。虽然氢在水和脂肪中的溶解度很小，但在镍、钯和钼等金属中的溶解度都很大，一体积的钯能溶解几百体积的氢。

由于氢气分子量小等原因，氢气渗透性很强，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。灌好的氢气球，往往过一夜，第二天就因为漏气体积缩小飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔。

氢气的扩散能力还体现在能进入钢材结构内。在高温、高压下，氢气甚至可以穿过很厚的钢板。当钢材暴露于一定温度和压力的氢气一段时间，渗透于钢晶格中的原子氢会重新结合成氢分子，在缓慢变形中引起裂纹和脆化作用，这种现象的专有名词叫氢脆现象。氢气的这种性质给氢气的储存和运输带来很大困难。

根据气体扩散定律，气体在均匀液体内的扩散速度和该气体的分子量的平方根成反比。在液体中，氢的扩散速度为氮的3.74倍，氦（0.138）的1.41倍。在人体组织内，氢气的扩散能力非常大，不仅是因为氢气的体积小，还决定于氢气没有极性，没有极性的气体更容易跨过脂类组成的细胞膜结构。氢气在身体内扩散能力大有利有弊，有利是氢气能扩散到身体任何部位，包括细胞内，甚至各种生物分子如蛋白质核酸结构内部，这是保证氢气可发挥作用的重要前提。有弊是因为氢气非常容易从身体组织内释放出来，这不利于氢气保持更长时间的作用。

氢气的比热大、导热性能好。氢气导热率比空气大7倍。在相同的压力下，氢气的比热是氮的13.6倍，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。热导分析仪就是基于导热系数差异原理分析气体浓度，常用于分析氢气的浓度。

氢的传音速度快。在标准状态下，空气的传音速度是331 m/s，氦的传音速度是972 m/s，而氢的传音速度是1286 m/s。因此，人如果呼吸氢气，则语音会发生明显的改变，潜水员呼吸氢气氧气混合气体也可以发生语音改变。

氢气在常温下化学性质稳定，稳定的化学性质主要决定于组成氢气的两个氢原子之间较强的共价键。

氢气具有可燃性。在点燃或加热的条件下，氢气很容易和多种物质发生化学反应。纯净的氢气在点燃时，可安静燃烧，发出淡蓝色火焰，放出热量，有水生成。若在火焰上罩一干冷的烧杯，可以烧杯壁上见到水珠。氢气在发生燃烧的浓度范围为4-74%，低于或超过这个浓度，即使在高压下也不会燃烧或爆炸。在氧气环境中，氢气的燃烧浓度范围4-94%。当氧气浓度低于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。人们利用氢气的这个特点把氢气用于潜水作业，也可以利用氢气这些特点设计安全呼吸氢气的设备。

氢气具有还原性。氢气的化学性质活泼，与氧发生化合反应生成水，容易发生燃烧和爆炸。可燃性也是氢气具有还原性的体现，是氢气还原氧气的性质所决定的。氢气不但能跟氧单质反应，也能跟某些化合物里的氧发生反应。例如：将氢气通过灼热的氧化铜，可得到红色的金属铜，同时有水生成。在这个反应里，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，证明，氢气具有还原性，是很好的还原剂，氢气还可以还原其它一些金属氧化物，如三氧化钨、四氧化三铁、氧化铅和氧化锌等。

尽管氢气具有还原性，不等于氢气在溶液中或生物体内也具有同样的性质，例如氢气和氧气发生燃烧需要氢气的浓度为4%以上，燃点为400℃。在人体环境下，氢气即使在纯氢的环境下，溶解浓度也只有1.8%，而由于机体温度只有37℃，这种条件距离氢气和氧气发生反应的条件非常远，因此氢气和氧气在人体内无法发生反应。这正是长期以来人们把氢气作为生理学惰性气体的重要原因。

氢气不仅具有还原性，也具有氧化性。氢气是由氢原子共价形成的双原子分子，而每个氢原子可以分别获得一个电子形成负氢离子，这种情况见于和强还原性金属发生反应，其作用类似于氯气，在这类反应中氢气属于氧化剂，可以氧化金属为金属离子。严格意义上讲，氢气和金属反应的产物为氢化物，这种物质的特点是具有强还原性，非常容易与水发生反应释放大量氢气。