氢在科学技术和社会中的应用与展望

潘国荣

氢元素的性质与其它元素相比，具有许多特殊性。因而，除了我们所熟知的氢气可以用来充填气球和飞船气囊外，氢在科学技术与工业生产以及现代社会生活中还有着广泛的用途。

一、氢在科学中的应用

1.以氢为标准制定科学标准

（1）以氢离子作为水溶液酸度标准

1909年，丹麦生理学家索仑生（Srensen）提出用pH来表示水溶液的酸度，它是用氢离子浓度（严格地说是活度）的负对数来计算得到的，即 pH=-lg[H+]。pH的范围是0～14，在常温下，pH=7为中性溶液，pH>7为碱性溶液，pH<7为酸性溶液。

（2）以水合氢离子为标准制定水合离子的热力学数据，

在编制水溶液中水合离子的热力学数据时，都是以水合氢离子的标准自由能ΔfGm（H+，aq）、标准生成焓ΔfGm（H+，aq）以及标准熵Sm都定为零值作为标准；这个数值用于氢离子活度为1单位的水溶液；其它离子的这三个热力学函数值是跟氢离子作比较而得的相对值。

（3）以标准氢电极作为标准电极

由于氢电极的电极电势十分稳定，可以用来测定其它半反应的电极电势。1953年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）建议采用标准氢电极作为标准电极。标准氢电极的国际规定是：在298K下，气相中H2的分压为p，液相中H+活度为1（mH+=1.0 mol·kJ-1， γm=1，αH+=1）时的电极电势φ（H+/H2）=0，即标准氢电极的电位是人为地定为零值的，和氢电极比较而得出其它一切电极的电位。

（4）以氢离子活度测定水溶液中的平衡常数

许多在水溶液中的热力学平衡常数如酸与碱的电离常数、水解常数、指标剂常数等都可以用氢离子活度予以测定。如：

HIn+H2O=In-+H3O+

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

2.从氢的角度建立化学理论

（1）酸碱电离理论

诺贝尔化学奖获得者瑞典科学家阿仑尼乌斯（Arrhenius）于1884年提出的酸碱电离理论认为：在水溶液中，电离时所生成的阳离子全部是氢离子的化合物叫做酸；电离时所生成的阴离子全部是氢氧根离子的化合物叫做碱。H+是酸的特征，OH-是碱的特征。

酸：HNO3→H++NO-3

碱：NaOH→Na++OH-

酸碱中和反应的实质就是生成盐和水：

HCl+NaOHNaCl+H2O

（2）酸碱质子理论

1923年，丹麦化学家布朗斯特（Brnsted）和英国化学家劳瑞（Lowry）各自独立提出了他们的酸碱定义，

即酸碱质子理论，认为：凡是能够给出质子H+的物质就是酸；凡是能够接受质子H+的物质就是碱。氢离子即质子H+可以从一个载体转移给另一个载体，如：

NH+4+NH-2NH3+NH3（液氨中）

HCl（g）+NH3（g）NH+4+Cl-（s）

酸碱反应过程就是两个共轭酸碱对之间相互传递质子H+的过程。酸碱质子理论扩大了酸碱反应的范围，适用于任何溶剂体系和无溶剂体系（如气相反应体系）。

（3）以得失氢原子论氧化-还原反应

有机化合物的氧化-还原反应可以从得、失氢原子的角度来讨论。通常把失去氢原子的反应叫做氧化反应；得到氢原子的反应叫做还原反应。因此，有氢原子得、失的反应就是氧化一还原反应。如

氧化反应：

CH3CH2OHCu275℃～300℃H3CHO+H2

还原反应：

CH3CH2COOC2H5Na-乙醇CH3CH2CH2OH

（4）以氢粒子体系的推算创立结构化学理论

氢原子是一个最简单的原子，原子核只有一个质子，核外只有一个电子。最简单的分子是氢分子离子H+2，两个原子核只为一个电子联系在一起，其键能约为267 kJ·mol-1。氢分子是一种最简单的共价分子，在其中的电子体系也是最简单的，对它们最容易进行理论处理，因而，它们成了创建近代量子理论的原子结构理论和共价分子结构理论的物质基础。量子力学理论计算应用于其它比较复杂的电子体系所求得的精确结果，往往都是由氢体系出发经过大量理论推导而求得的。氢原子和氢分子的结构概念在近代结构化学理论中占有重要的位置。

3.用氢同位素研究反应机理应用

氢的两种同位素氘和氚除了在核反中应用外，在研究许多化学反应机理的工作中，常常使用氘作为示踪原子。氚为β-放射体，其半衰期为31±8年，在化学、医药或生物体系中，常用作人工放射性示踪原子。

4.氢分子医学

2007年7月，日本医科大学的OhsawaI等在国际著名期刊《自然医学》上率先报道动物吸入2%的氢气能有效地清除体内自由基和显著地改善脑缺血再灌注损伤，拉开了氢分子医学研究的序幕。氢气的医学应用研究是当今国际医学生物学研究热点。氢气具有极强的还原性，氢分子小，具有强大的穿透能力，可非常容易地进入细胞内如细胞核和线粒体等任何部位，因为许多抗氧化物质难以迅速达到这些部位而无法实现理想的抗氧化作用，这是奠定氢气可以用于治疗疾病的一个重要特征。氢分子可跨越血脑屏障，这有利于氢气用于中枢神经系统疾病的治疗。中国有科学家认为，日常饮用一定量的富氢水，对人们的健康和保健也是很有益处的。根据目前动物实验和初步临床研究，氢气对人类常见疾病具有理想的治疗效果，有望成为临床治疗和预防保健的新手段。

二、在工业生产中的应用

氢在工业生产中具有重要的用途。

1.固定氮以生产氮肥

目前为止，氢气在世界上最大的用途是作为工业原料从空气中固定氮来合成氨气以生产氮肥。其中，生产尿素的主要反应为：

N2+3H2催化剂高温、高压2NH3

2NH3+CO2催化剂高温、高压NH4COONH2

NH4COONH2△CO（NH2）2+H2O

2.生产高纯硅与贵金属

在电子工业与冶金工业上用来冶炼高纯硅及钨和钼等贵重单质。如下是高纯硅生产中的部分有关化学方程式：

SiO2+2C3273KSi（粗）+2CO↑

Si（粗）+2Cl2723K～773KSiCl4

SiCl4+2H21373K～1453KSi（纯）+4HCl

3.氢在工业上的其它应用

氢在工业上的应用是非常广泛的，所涉及的化学反应方程式不再例举。其它的主要应用还包括：（1）在无机化学工业中合成盐酸、金属氢化物等；（2）在有机化学工业中，用于合成甲醇、合成人造石油，用于不饱合烃的加成，用于植物油的氢化来合成人造脂肪和人造黄油等；

（3）在石油工业中用于加氢裂化和氢处理脱硫；

（4）在国防工业上液态氢是火箭与导弹等的高能燃料。此外，液态氢的温度非常低，因而在低温实验法和超导研究中有重要的作用，等等。

三、氢在现代技术和社会生活中的应用

1.原子氢焰用于切割和焊接高熔点金属

当将一注氢气流吹向电弧时，即在空气中燃烧，产生非常炽热的火焰，称之为原子氢焰，这种火焰可用于切割和焊接熔点高达5000℃的金属。

2.作环保电池原料

氢镍电池与氢氧燃料电池是在研究新能源基础上发展起来的高科技产品，是一种新型的化学能源。镍氢电池正极为氢氧化镍，负极为储氢合金，电解质采用氢氧化钾溶液。镍氢电池单颗电芯的电压为1.2 V。在1995年10月的第31届东京汽车展览会上，丰田公司就展出了用镍氢电池的RAV4电动汽车。

质子交换膜氢燃料电池以铂为催化剂，以全氟磺酸膜为电解质，它同样能用于汽车甚至飞机的动力。负极灌输氢气，正极灌输氧气，通过催化剂让它们在电池中反应转化为水，并产生电能以开动汽车。我国2008年北京奥运会车队、2010年上海世博会园区中的百余辆交通车，就是以氢氧燃料电池为动力的。2012年同济大学等共同研制的我国第一架质子交换膜氢燃料电池作为动力的无人机“飞跃一号”，在上海奉贤海边首次试飞成功。专家说，该无人机不仅绿色环保，而且工作温度低、噪音小、易于维护，非常适合用于环境监测、战场侦察等领域。

3.金属氢的作用

氢在气态、液态和固态时，都是绝缘体。有人推算，如果氢金属化变成金属氢，它可能成为优良的高温超导材料。在超高压下，金属氢将会有较高的密度，可以是固态氢密度的几倍。因而它有很高的氢贮存量，可作为体积和质量都很小的火箭高能燃料。在金属氢中储藏的能量是同等质量TNT炸药所储藏能量的25 倍。

4.核能作用

太阳所发出的强光，就是氢不断地发生核聚变反应生成氦时，所释放出的巨大能量。1克氢聚变成氦放出大约6.3×108kJ能量。太阳每秒钟大约要消耗500万吨氢。从太阳诞生至今，若以50亿年计，大约已消耗了其5%的氢。1 kg氘和氚的混合物发生核聚变反应所产生的能量可以使一列火车从地球升到月球。氢弹是利用原子弹爆炸的能量点燃氘、氚发生核聚变反应而再一次爆炸的热核武器。可见氢弹是比原子弹威力强大得多的核武器。用氚发动原子电池组，中间不进行充电就能连续使用20年。

5.氢气燃料的优点

我们如果在利用太阳能或者微生物分解水等制取氢气的方法上面有突破，能够大量获得廉价氢气的时候，氢气就可以成为我们人类生活理想的高能环保燃料了。氢气作为一种二级能源，有许多十分突出的优点：

①燃烧发热量高，约为汽油的3倍；

②资源丰富，氢的主要来源是水，燃烧后又生成水，循环快，可以无限循环使用；

③氢气无毒害，燃烧后生成水无污染，实现了碳的零排放，是环保燃料；

④和电力比较，可以储存，输送方便，损耗小；

⑤氢气是气体中导热性最好的，是良好的传热载体。

6.负氢离子H-的功用

（1）作强碱性还原剂

氢元素的电负性为2.2，处于中间位置，氢原子可以得失一个电子，但是都不容易。负氢离子H-很容易失去它夺得的电子而体现出较强的还原性，是优良的强碱性还原剂。在有机反应中常常用能够提供负氢离子H-的物质作还原剂如

LiAlH4等。

有关反应如下：

CNLiAlH4

CH2NH2

（2）作人体的抗氧化剂

负氧离子在医学上有空气维生素，长寿素的美称，能有效清除人体自由基，提高机体抗氧化系统的力量，防衰老，降低血液粘稠，畅通心脑血管，调节植物神经，改善睡眠的功效。

负氢离子的抗氧化功效卓越，它是迄今为止发现的宇宙当中最小、最强、最优越的抗氧化剂，能有效清除导致各种疾病的元凶——活性氧自由基，延缓衰老，有效对抗人类健康的三大杀手——癌症、心脑血管疾病、糖尿病，对消化系统、呼吸系统、神经系统、内分泌系统等人体各大系统的疾病都有很好的效果。及川胤昭在《氢的革命》一书认为，负氢离子能作用于线粒体DNA，修复受损的片段，增强生命动能ATP，提高机体的代谢能力，增强机体免疫系统的力量，从而使很多绝症不再是绝症。

随着科学的发展，氢的用途将进一步得到开拓和发展，氢这个在元素周期表中居于第一号的元素将会为人类美好的生活做出更大的贡献。

（收稿日期：2014-12-08）