潘國(guó)榮

氫元素的性質(zhì)與其它元素相比，具有許多特殊性。因而，除了我們所熟知的氫氣可以用來(lái)充填氣球和飛船氣囊外，氫在科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)以及現(xiàn)代社會(huì)生活中還有著廣泛的用途。

一、氫在科學(xué)中的應(yīng)用

1.以氫為標(biāo)準(zhǔn)制定科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

（1）以氫離子作為水溶液酸度標(biāo)準(zhǔn)

1909年，丹麥生理學(xué)家索侖生（Srensen）提出用pH來(lái)表示水溶液的酸度，它是用氫離子濃度（嚴(yán)格地說(shuō)是活度）的負(fù)對(duì)數(shù)來(lái)計(jì)算得到的，即 pH=-lg[H+]。pH的范圍是0～14，在常溫下，pH=7為中性溶液，pH>7為堿性溶液，pH<7為酸性溶液。

（2）以水合氫離子為標(biāo)準(zhǔn)制定水合離子的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，

在編制水溶液中水合離子的熱力學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，都是以水合氫離子的標(biāo)準(zhǔn)自由能ΔfGm（H+，aq）、標(biāo)準(zhǔn)生成焓ΔfGm（H+，aq）以及標(biāo)準(zhǔn)熵Sm都定為零值作為標(biāo)準(zhǔn)；這個(gè)數(shù)值用于氫離子活度為1單位的水溶液；其它離子的這三個(gè)熱力學(xué)函數(shù)值是跟氫離子作比較而得的相對(duì)值。

（3）以標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極

由于氫電極的電極電勢(shì)十分穩(wěn)定，可以用來(lái)測(cè)定其它半反應(yīng)的電極電勢(shì)。1953年，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）建議采用標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)氫電極的國(guó)際規(guī)定是：在298K下，氣相中H2的分壓為p，液相中H+活度為1（mH+=1.0 mol·kJ-1， γm=1，αH+=1）時(shí)的電極電勢(shì)φ（H+/H2）=0，即標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位是人為地定為零值的，和氫電極比較而得出其它一切電極的電位。

（4）以氫離子活度測(cè)定水溶液中的平衡常數(shù)

許多在水溶液中的熱力學(xué)平衡常數(shù)如酸與堿的電離常數(shù)、水解常數(shù)、指標(biāo)劑常數(shù)等都可以用氫離子活度予以測(cè)定。如：

HIn+H2O=In-+H3O+

KHIn=[In-][H+][HIn]

2.從氫的角度建立化學(xué)理論

（1）酸堿電離理論

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者瑞典科學(xué)家阿侖尼烏斯（Arrhenius）于1884年提出的酸堿電離理論認(rèn)為：在水溶液中，電離時(shí)所生成的陽(yáng)離子全部是氫離子的化合物叫做酸；電離時(shí)所生成的陰離子全部是氫氧根離子的化合物叫做堿。H+是酸的特征，OH-是堿的特征。

酸：HNO3→H++NO-3

堿：NaOH→Na++OH-

酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是生成鹽和水：

HCl+NaOHNaCl+H2O

（2）酸堿質(zhì)子理論

1923年，丹麥化學(xué)家布朗斯特（Brnsted）和英國(guó)化學(xué)家勞瑞（Lowry）各自獨(dú)立提出了他們的酸堿定義，

即酸堿質(zhì)子理論，認(rèn)為：凡是能夠給出質(zhì)子H+的物質(zhì)就是酸；凡是能夠接受質(zhì)子H+的物質(zhì)就是堿。氫離子即質(zhì)子H+可以從一個(gè)載體轉(zhuǎn)移給另一個(gè)載體，如：

NH+4+NH-2NH3+NH3（液氨中）

HCl（g）+NH3（g）NH+4+Cl-（s）

酸堿反應(yīng)過(guò)程就是兩個(gè)共軛酸堿對(duì)之間相互傳遞質(zhì)子H+的過(guò)程。酸堿質(zhì)子理論擴(kuò)大了酸堿反應(yīng)的范圍，適用于任何溶劑體系和無(wú)溶劑體系（如氣相反應(yīng)體系）。

（3）以得失氫原子論氧化-還原反應(yīng)

有機(jī)化合物的氧化-還原反應(yīng)可以從得、失氫原子的角度來(lái)討論。通常把失去氫原子的反應(yīng)叫做氧化反應(yīng)；得到氫原子的反應(yīng)叫做還原反應(yīng)。因此，有氫原子得、失的反應(yīng)就是氧化一還原反應(yīng)。如

氧化反應(yīng)：

CH3CH2OHCu275℃～300℃H3CHO+H2

還原反應(yīng)：

CH3CH2COOC2H5Na-乙醇CH3CH2CH2OH

（4）以氫粒子體系的推算創(chuàng)立結(jié)構(gòu)化學(xué)理論

氫原子是一個(gè)最簡(jiǎn)單的原子，原子核只有一個(gè)質(zhì)子，核外只有一個(gè)電子。最簡(jiǎn)單的分子是氫分子離子H+2，兩個(gè)原子核只為一個(gè)電子聯(lián)系在一起，其鍵能約為267 kJ·mol-1。氫分子是一種最簡(jiǎn)單的共價(jià)分子，在其中的電子體系也是最簡(jiǎn)單的，對(duì)它們最容易進(jìn)行理論處理，因而，它們成了創(chuàng)建近代量子理論的原子結(jié)構(gòu)理論和共價(jià)分子結(jié)構(gòu)理論的物質(zhì)基礎(chǔ)。量子力學(xué)理論計(jì)算應(yīng)用于其它比較復(fù)雜的電子體系所求得的精確結(jié)果，往往都是由氫體系出發(fā)經(jīng)過(guò)大量理論推導(dǎo)而求得的。氫原子和氫分子的結(jié)構(gòu)概念在近代結(jié)構(gòu)化學(xué)理論中占有重要的位置。

3.用氫同位素研究反應(yīng)機(jī)理應(yīng)用

氫的兩種同位素氘和氚除了在核反中應(yīng)用外，在研究許多化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的工作中，常常使用氘作為示蹤原子。氚為β-放射體，其半衰期為31±8年，在化學(xué)、醫(yī)藥或生物體系中，常用作人工放射性示蹤原子。

4.氫分子醫(yī)學(xué)

2007年7月，日本醫(yī)科大學(xué)的OhsawaI等在國(guó)際著名期刊《自然醫(yī)學(xué)》上率先報(bào)道動(dòng)物吸入2%的氫氣能有效地清除體內(nèi)自由基和顯著地改善腦缺血再灌注損傷，拉開(kāi)了氫分子醫(yī)學(xué)研究的序幕。氫氣的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究是當(dāng)今國(guó)際醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究熱點(diǎn)。氫氣具有極強(qiáng)的還原性，氫分子小，具有強(qiáng)大的穿透能力，可非常容易地進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)如細(xì)胞核和線粒體等任何部位，因?yàn)樵S多抗氧化物質(zhì)難以迅速達(dá)到這些部位而無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的抗氧化作用，這是奠定氫氣可以用于治療疾病的一個(gè)重要特征。氫分子可跨越血腦屏障，這有利于氫氣用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。中國(guó)有科學(xué)家認(rèn)為，日常飲用一定量的富氫水，對(duì)人們的健康和保健也是很有益處的。根據(jù)目前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和初步臨床研究，氫氣對(duì)人類常見(jiàn)疾病具有理想的治療效果，有望成為臨床治療和預(yù)防保健的新手段。

二、在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

氫在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的用途。

1.固定氮以生產(chǎn)氮肥

目前為止，氫氣在世界上最大的用途是作為工業(yè)原料從空氣中固定氮來(lái)合成氨氣以生產(chǎn)氮肥。其中，生產(chǎn)尿素的主要反應(yīng)為：

N2+3H2催化劑高溫、高壓2NH3

2NH3+CO2催化劑高溫、高壓NH4COONH2

NH4COONH2△CO（NH2）2+H2O

2.生產(chǎn)高純硅與貴金屬

在電子工業(yè)與冶金工業(yè)上用來(lái)冶煉高純硅及鎢和鉬等貴重單質(zhì)。如下是高純硅生產(chǎn)中的部分有關(guān)化學(xué)方程式：

SiO2+2C3273KSi（粗）+2CO↑

Si（粗）+2Cl2723K～773KSiCl4

SiCl4+2H21373K～1453KSi（純）+4HCl

3.氫在工業(yè)上的其它應(yīng)用

氫在工業(yè)上的應(yīng)用是非常廣泛的，所涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式不再例舉。其它的主要應(yīng)用還包括：（1）在無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)中合成鹽酸、金屬氫化物等；（2）在有機(jī)化學(xué)工業(yè)中，用于合成甲醇、合成人造石油，用于不飽合烴的加成，用于植物油的氫化來(lái)合成人造脂肪和人造黃油等；

（3）在石油工業(yè)中用于加氫裂化和氫處理脫硫；

（4）在國(guó)防工業(yè)上液態(tài)氫是火箭與導(dǎo)彈等的高能燃料。此外，液態(tài)氫的溫度非常低，因而在低溫實(shí)驗(yàn)法和超導(dǎo)研究中有重要的作用，等等。

三、氫在現(xiàn)代技術(shù)和社會(huì)生活中的應(yīng)用

1.原子氫焰用于切割和焊接高熔點(diǎn)金屬

當(dāng)將一注氫氣流吹向電弧時(shí)，即在空氣中燃燒，產(chǎn)生非常熾熱的火焰，稱之為原子氫焰，這種火焰可用于切割和焊接熔點(diǎn)高達(dá)5000℃的金屬。

2.作環(huán)保電池原料

氫鎳電池與氫氧燃料電池是在研究新能源基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高科技產(chǎn)品，是一種新型的化學(xué)能源。鎳氫電池正極為氫氧化鎳，負(fù)極為儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)采用氫氧化鉀溶液。鎳氫電池單顆電芯的電壓為1.2 V。在1995年10月的第31屆東京汽車展覽會(huì)上，豐田公司就展出了用鎳氫電池的RAV4電動(dòng)汽車。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池以鉑為催化劑，以全氟磺酸膜為電解質(zhì)，它同樣能用于汽車甚至飛機(jī)的動(dòng)力。負(fù)極灌輸氫氣，正極灌輸氧氣，通過(guò)催化劑讓它們?cè)陔姵刂蟹磻?yīng)轉(zhuǎn)化為水，并產(chǎn)生電能以開(kāi)動(dòng)汽車。我國(guó)2008年北京奧運(yùn)會(huì)車隊(duì)、2010年上海世博會(huì)園區(qū)中的百余輛交通車，就是以氫氧燃料電池為動(dòng)力的。2012年同濟(jì)大學(xué)等共同研制的我國(guó)第一架質(zhì)子交換膜氫燃料電池作為動(dòng)力的無(wú)人機(jī)“飛躍一號(hào)”，在上海奉賢海邊首次試飛成功。專家說(shuō)，該無(wú)人機(jī)不僅綠色環(huán)保，而且工作溫度低、噪音小、易于維護(hù)，非常適合用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察等領(lǐng)域。

3.金屬氫的作用

氫在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)時(shí)，都是絕緣體。有人推算，如果氫金屬化變成金屬氫，它可能成為優(yōu)良的高溫超導(dǎo)材料。在超高壓下，金屬氫將會(huì)有較高的密度，可以是固態(tài)氫密度的幾倍。因而它有很高的氫貯存量，可作為體積和質(zhì)量都很小的火箭高能燃料。在金屬氫中儲(chǔ)藏的能量是同等質(zhì)量TNT炸藥所儲(chǔ)藏能量的25 倍。

4.核能作用

太陽(yáng)所發(fā)出的強(qiáng)光，就是氫不斷地發(fā)生核聚變反應(yīng)生成氦時(shí)，所釋放出的巨大能量。1克氫聚變成氦放出大約6.3×108kJ能量。太陽(yáng)每秒鐘大約要消耗500萬(wàn)噸氫。從太陽(yáng)誕生至今，若以50億年計(jì)，大約已消耗了其5%的氫。1 kg氘和氚的混合物發(fā)生核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量可以使一列火車從地球升到月球。氫彈是利用原子彈爆炸的能量點(diǎn)燃氘、氚發(fā)生核聚變反應(yīng)而再一次爆炸的熱核武器?？梢?jiàn)氫彈是比原子彈威力強(qiáng)大得多的核武器。用氚發(fā)動(dòng)原子電池組，中間不進(jìn)行充電就能連續(xù)使用20年。

5.氫氣燃料的優(yōu)點(diǎn)

我們?nèi)绻诶锰?yáng)能或者微生物分解水等制取氫氣的方法上面有突破，能夠大量獲得廉價(jià)氫氣的時(shí)候，氫氣就可以成為我們?nèi)祟惿罾硐氲母吣墉h(huán)保燃料了。氫氣作為一種二級(jí)能源，有許多十分突出的優(yōu)點(diǎn)：

①燃燒發(fā)熱量高，約為汽油的3倍；

②資源豐富，氫的主要來(lái)源是水，燃燒后又生成水，循環(huán)快，可以無(wú)限循環(huán)使用；

③氫氣無(wú)毒害，燃燒后生成水無(wú)污染，實(shí)現(xiàn)了碳的零排放，是環(huán)保燃料；

④和電力比較，可以儲(chǔ)存，輸送方便，損耗??；

⑤氫氣是氣體中導(dǎo)熱性最好的，是良好的傳熱載體。

6.負(fù)氫離子H-的功用

（1）作強(qiáng)堿性還原劑

氫元素的電負(fù)性為2.2，處于中間位置，氫原子可以得失一個(gè)電子，但是都不容易。負(fù)氫離子H-很容易失去它奪得的電子而體現(xiàn)出較強(qiáng)的還原性，是優(yōu)良的強(qiáng)堿性還原劑。在有機(jī)反應(yīng)中常常用能夠提供負(fù)氫離子H-的物質(zhì)作還原劑如

LiAlH4等。

有關(guān)反應(yīng)如下：

CNLiAlH4

CH2NH2

（2）作人體的抗氧化劑

負(fù)氧離子在醫(yī)學(xué)上有空氣維生素，長(zhǎng)壽素的美稱，能有效清除人體自由基，提高機(jī)體抗氧化系統(tǒng)的力量，防衰老，降低血液粘稠，暢通心腦血管，調(diào)節(jié)植物神經(jīng)，改善睡眠的功效。

負(fù)氫離子的抗氧化功效卓越，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的宇宙當(dāng)中最小、最強(qiáng)、最優(yōu)越的抗氧化劑，能有效清除導(dǎo)致各種疾病的元兇——活性氧自由基，延緩衰老，有效對(duì)抗人類健康的三大殺手——癌癥、心腦血管疾病、糖尿病，對(duì)消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等人體各大系統(tǒng)的疾病都有很好的效果。及川胤昭在《氫的革命》一書認(rèn)為，負(fù)氫離子能作用于線粒體DNA，修復(fù)受損的片段，增強(qiáng)生命動(dòng)能ATP，提高機(jī)體的代謝能力，增強(qiáng)機(jī)體免疫系統(tǒng)的力量，從而使很多絕癥不再是絕癥。

隨著科學(xué)的發(fā)展，氫的用途將進(jìn)一步得到開(kāi)拓和發(fā)展，氫這個(gè)在元素周期表中居于第一號(hào)的元素將會(huì)為人類美好的生活做出更大的貢獻(xiàn)。

（收稿日期：2014-12-08）