氢

1s11蒸气压主条目：氢的同位素氢是一种化学元素，其化学符号为H，原子序为1。氢的原子量为7000100794000000000♠1.00794 u，是元素周期表中最轻的元素。单原子氢（H）是宇宙中最常见的化学物质，占重子总质量的75%。等离子态的氢是主序星的主要成分。氢的最常见同位素是“氕”（此名称甚少使用，符号为 H 1 {displaystyle {ce {^1H}}} ），含1个质子，不含中子；天然氢还含极少量的同位素“氘”（ H 2 {displaystyle {ce {^2H}}} 或 D {displaystyle {ce {D}}} ），含1个质子和1个中子。氢原子最早在宇宙复合阶段出现并遍布全宇宙。在标准温度和压力之下，氢形成双原子分子（俗称氢气，分子式为H2），呈无色、无臭、无味非金属气体，不具毒性，高度易燃。氢很容易和大部分非金属元素形成共价键，所以地球上大部分的氢都以分子的形态存在，比如水和有机化合物等。氢在酸碱反应中尤其重要，因为在这类反应中各种分子须互相交换质子。在离子化合物中，氢原子可以获得一个电子成为氢阴离子（ H − {displaystyle {ce {H-}}} ），或失去一个电子成为氢阳离子（ H + {displaystyle {ce {H+}}} ）。虽然在一般写法中，氢阳离子就是质子，但在实际化合物中，氢阳离子的实际结构是更为复杂的。氢原子是唯一一个有薛定谔方程解析解的原子，所以对氢原子模型的研究在量子力学的发展过程中起到了关键的作用。16世纪，人们通过混合金属和强酸，首次制备出氢气。1766至1781年，亨利·卡文迪什第一次发现氢气是一种独立的物质，燃烧后会产生水。安东万-罗伦·德·拉瓦锡根据这一性质，将其命名为“Hydrogen”，在希腊文中意为“生成水的物质”，日文也翻译为“水素”，即“生成水的元素”。19世纪50年代，英国医生合信编写《博物新编》（1855年）时，把元素名翻译为“轻气”，意旨“最轻的气体”，成为今天中文“氢”字的来源。氢气的工业生产主要使用天然气的蒸汽重整过程，或通过能源消耗更高的水电解反应。大部分的氢气都在生产地点直接使用，主要应用包括化石燃料处理（如裂化反应）和氨生产（一般用于化肥工业）。在冶金学上，氢气会对许多金属造成氢脆现象，使运输管和储存罐的设计更加复杂。氢在自然界中较常以氢气（双原子氢气分子）的形式存在，少数情况下会出现单原子的氢。氢气是一种高度易燃的物质，只要在空气中体积比例在4%和75%之间就可燃烧。氢的燃烧热为−286kJ/mol：氢气与空气混合浓度处于4%至74%时，或与氯气混合浓度处于5%至95%时，会形成爆炸性混合物，可经火花、高温或阳光点燃。氢气在空气中的自燃温度为500 °C。纯氢氧混合气在燃烧时发出紫外光，且在氧气比例较高时，火焰是无色的──例如，太空航天飞机主引擎的火焰呈淡蓝色，但航天飞机固体助推器的火焰则颜色鲜艳。正在燃烧的氢气泄漏点需要火焰探测器（英语：Flame detector）才能发现，所以非常危险。在其他情况下，氢气的燃烧火焰呈蓝色，与天然气的火焰颜色相似。H2可以和所有氧化性元素发生反应。氢气可以在室温下与氯气和氟气自发产生剧烈反应，分别形成氯化氢和氟化氢两种酸。氢原子的电子基态能级为−13.6eV，对应于波长约为91纳米的紫外线光子。用玻尔原子模型可以很准确地计算出氢原子的各个能级，该模型假设电子围绕着中心质子“公转”，就像地球绕太阳公转一样。不同的是，电子和质子通过电磁力互相吸引，行星和恒星则通过重力相吸。早期量子力学假定角动量分立原理，电子和质子的距离只能取特殊的数值，因此电子在原子中也只能拥有特殊的能量值。要更准确地描述氢原子，须用到标量子力学理论中的薛定谔方程、狄拉克方程，甚至是费曼路径积分表述，来计算电子在质子周围的概率密度。最复杂的计算可考虑到狭义相对论和真空极化效应。在量子力学的氢原子模型中，位于基态的电子不含任何角动量，可见“行星轨道”模型与事实情况有着根本性的分别。虽然 H 2 {displaystyle {ce {H2}}} 在标准条件下的反应性不高，但它却可以和大部分元素形成化合物。氢可以和电负性更高元素结合，如卤素（氟、氯、溴、碘）和氧，这些化合物中的氢带有部分正电荷。氢与氟、氧和氮结合而成的分子之间可以形成氢键。这种中等强度的非共价化学键，正是许多生物分子能够稳定存在的原因。氢也可以和电负性更低的元素结合，如各种金属和类金属，这些化合物称为氢化物，其中氢带有部分负电荷。氢和碳可形成名目繁多的化合物，称为碳氢化合物，又称烃；再加上各种杂原子，所能形成的化合物数量则更大。由于这些物质和生物息息相关，所以统称有机化合物。有机化学是对此类化学物属性的研究，而对有机化合物在生物体中的作用之研究，则称为生物化学。根据某些定义，有机化合物囊括所有含有碳的化合物。然而，大部分有机化合物同时也含有氢，而且是其中的碳-氢键赋予了它们独特的化学性质，因此在另一些定义中，有机化合物必须含有碳-氢键。现在已知的碳氢化合物以数百万计，它们的合成途径一般都十分复杂，而且很少会直接使用单质氢。含氢的化合物有时会称为氢化物，但这一用词并没有严格的定义。氢化物一般是氢和电负性更低的元素结合而成，当中的氢呈负价，记作 H − {displaystyle {ce {H-}}} 。吉尔伯特·路易斯在1916年提出，1族和2族的氢盐中存在氢阴离子。1920年，K. Moers通过电解氢化锂（ LiH {displaystyle {ce {LiH}}} ），在阳极提取出氢气，证明了氢阴离子的存在。由于氢的电负性较低，所以“氢化物”一词对于1、2族以外元素的氢化物并不完全准确。2族元素氢化物中有一个例外，即高聚物氢化铍（ BeH 2 {displaystyle {ce {BeH2}}} ）。在氢化铝锂的 AlH 4 − {displaystyle {ce {AlH4-}}} 离子中，四个氢阴离子紧靠着铝(III)。几乎所有主族元素都可以形成氢化物，不过化种类数量却有着巨大的差异。例如，已知的硼氢二元化合物共有100多种，但铝氢二元化合物却只有一种。二元氢化铟还未被发现，但它存在于更大的铟氢配合物中。在无机化学中，氢化物还可用作桥接配体，连接配合物中的两个金属中心。这一用途在13族元素配合物中最为常见，特别是硼烷、铝配合物和碳硼烷簇。氢在氧化后会失去它的电子，形成氢阳离子（ H + {displaystyle {ce {H+}}} ）。氢阳离子不含电子，其原子核通常只含一个质子，所以 H + {displaystyle {ce {H+}}} 经常被直接称为质子。氢阳离子是酸碱理论中不可或缺的化学物质。酸碱质子理论把酸、碱分别定义为质子供体和质子受体。质子 H + {displaystyle {ce {H+}}} 不能在溶液或离子晶体中裸露存在，因为它不可避免地会靠近其他含有电子的原子或分子。除非在高温等离子状态，原子和分子的电子云会一直附在质子的周围，质子是无法脱离开来的。然而，人们常以“质子”来不严谨地表示与其他原子或离子键合的氢阳离子和带正电荷的氢原子，并记作H+。此时写“ H + {displaystyle {ce {H+}}} ”，并不意味着质子自由存在。为了避免认为溶液中存在裸露的质子，人们有时会把酸性水溶液中的阳离子记作 H 3 O + {displaystyle {ce {H3O+}}} ，称为水合氢离子。这其实是一种假想的情况，现实中水分子和氢离子会结合组成更接近 H 9 O 4 + {displaystyle {ce {H9O4+}}} 的化学物质。当酸溶液同时含有水和其他溶剂时，会形成其他的