氢：1号元素的“王者风范”

苏更林

20世纪杰出的美国天文学家沙普利曾说过：“如果上帝用一个词创造了世界，那个词就是氢。”当然，在这里我们可以把“上帝”理解为“自然法则”。氢是自然界中最轻、最简单的元素，也许正是这一特质才使得其在宇宙演化进程中扮演了主要角色。

科学家对“1号元素”的迷恋，不仅因为它为我们带来了无数的科学启迪，而且它帮助科学家揭开了许多大自然的谜团，同时还为我们带来了更多的惊喜。让我们一同去领略氢元素的“王者风范”吧！

氢键的“生命之约”

水是生命之源，哺育了天地间的万千生物。在大多数生物体内，水分的含量占到了体重的70%～80%。含水量最高的生物要数水母了，其体内水分的含量竟然占到了体重的98%以上。在人体内，大约有58%～67%的重量是体液。正是这些不平凡的体液维持着人体正常的新陈代谢，从而创造了一个个生命的奇迹。

为什么水能够成为生命之源？这与水的物理、化学性质是分不开的，赋予水许多奇特性质的“英雄”居然是一种神秘的静电作用力——氢键。氢键也是一种力的作用，它比化学键弱得多，但比分子间的作用力强。一个水分子中的氢原子能够与附近另一个水分子中的氧原子发生正负电荷相吸现象，所形成的这种吸引力就是氢键。由于氢键的存在，水的熔点和沸点分别为0℃和100℃。这样就决定了地球上必然存在大量的液态水，从而为生命的诞生和生存创造了条件。如果水分子中没有了氢键的存在，那么根据元素周期表“正常”元素化合物熔点、沸点变化规律，水的熔点和沸点将分别为-85℃和-60℃。倘若如此，地球上还能有液态水存在吗？生命的奇迹还能诞生吗？

在多姿多彩的生命世界里，氢键的价值着实不容小觑，比如，那美妙绝伦的DNA双螺旋结构，如果没有了氢键的固定作用就将不复存在。原来，DNA双螺旋结构中的两条链上的碱基是通过氢键进行配对的，DNA的复制和变异都与氢键有关。用氨基酸构建的蛋白质具有极其复杂的结构，其中的氢键发挥了重要作用。比如，细胞中的蛋白质分子需要经过折叠才能具有特殊的功能，在这个过程中氢键也参与其中。

充满神奇色彩的氢键，其存在也许要比生命的历史还要漫长，但真正走进科学家的视野已到了20世纪初期。1912年，英国科学家摩尔和温米尔最早注意到了氢键的存在。1920年，美国科学家拉蒂默和罗德布什首次明确提出了氢键的概念。1931年，美国科学家鲍林第一次使用了“氢键”一词……近些年来，氢键已成为科学家研究的重要课题。2012年，中国科学家利用非接触式原子力显微镜在世界上首次得到了氢键的图像，从而为揭示氢键的本质、进一步实现氢键的人工控制提供了基础，因此具有极其重要的科学意义和实用价值。

氢能利用的“接力赛”

氢能以其清洁、高效而成为能源家族中的佼佼者。早在第二次世界大战期间，氢的化合物就在火箭液体推进剂中扮演了重要角色。20世纪60年代，液体氢首次被用作航天动力燃料，把“阿波罗”号飞船送上了月球。如今氢已经成为火箭领域的常用燃料了，氢汽车也在紧锣密鼓地研发之中……

最近，世界上首列氢燃料混合动力有轨电车在我国唐山下线，标志着氢燃料电池正在走向实际应用。该有轨电车采用燃料电池和超级电容混合动力，最大载客量为336人。燃料电池是一种清洁环保的能源，兼备了无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作等优点，因此能够在容量相同的情况下把电池做得更小些，或者在电池体积和重量相同的情况下把电池容量做得更大些。

氢燃料电池是一种只产生水的清洁能源，最初主要是应用于航天工业，现在开始在民用交通方面发挥作用了。氢燃料电池在本质上是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极和电解质。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。在两极之间是电解质。只要源源不断地向燃料电池的阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载中连续不断地输出电能。科学家还设想利用氢燃料电池建设大型洁净电站呢！

贮氢电池也是一种发展中的电池技术。贮氢电池是一种以贮氢合金作为阴极，金属材料作为阳极，碱性溶液作为电解液的新型二次电池。这种电池具有能量密度高、充放电能力强、清洁无毒性等特点，因此具有广阔的发展空间。

运载火箭始终是衡量一个国家航天能力的重要标志。预计今年下半年迎来首飞的我国“长征”五号运载火箭，由于首次采用了极低温的液氢和液氧作为推进剂，又被形象地称为“冰箭”。液氢的温度为-252℃，液氧的温度为-183℃。大约869吨重的火箭，光液氢和液氧就占去了90%重量，用“冰箭”来形容无疑是十分贴切的。这种“冰箭”的最大特色就是绿色环保。“长征”五号运载火箭具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力，可以完成近地轨道卫星、地球同步转移轨道卫星、太阳同步轨道卫星、空间站、月球探测器和火星探测器等各类航天器的发射任务。

目前科学家还在研究一种“固态氢”宇宙飞船，在这里固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。因此固态氢结构材料也可以转化为能源给飞船提供动力，这样可以节约发射费用和延长飞行时间，因此其意义是十分深远的。

用氘点亮一盏灯泡

氢同位素氘的发现可以说是一个里程碑式的事件。1910年，英国人索迪发现了化学元素的同位素现象。1919年，英国人阿斯顿制成了质谱仪，并用质谱仪发现了很多元素的同位素。可是，科学家在寻找氢的同位素时花费了不少功夫，十几年间一无所获。

1931年初，有人从理论上推导出氢应该有质量数为2的同位素存在。当年年底，美国科学家尤里及其助手们，在蒸发了大量液体氢之后对液氢进行了光谱分析，从而发现了一些新的谱线，它们的位置正好与预期的氢同位素谱线相吻合。尤里因此获得了1934年诺贝尔化学奖。根据尤里的建议，这种氢同位素被命名为Deuterium，在希腊语中是“第二”的意思。中文译作“氘”。后来，科学家又发现了质量数为3的氢同位素——氚，这是一种具有放射性的物质。氘、氚与氧化合而成的水，分别叫作重水、超重水。

尤里关于氘的发现之所以能够在极短的时间内获得诺贝尔奖，是因其具有非同寻常的意义。氘是核聚变反应的燃料，比原子弹威力大得多的氢弹的杀伤力就来源于氘的“燃烧”反应。在核电站，重水还被用作慢化剂和冷却剂。据计算，海水中大约每6500个氢原子中有1个氘原子，这样每升水中大约含有30毫克的氘。而反应堆所需的重水纯度要求在 99.75%以上，因此重水的浓缩就成为了一个具有挑战性的课题。1931年底，尤里提出了用电解水法浓缩重水的设想。1935年，挪威建立了世界第一座重水工厂，生产重水供研究用。后来，世界上才开始以工业规模大量生产重水。

我国实施的“东方超环”（EAST）项目，俗称“人造太阳”，其基本思路是，把氢弹的爆炸过程用人为的手段进行控制，使得反应产生的能量缓慢地释放出来并转化为电能，这样就可以源源不断地为人类提供能量了。要让人类享受到核聚变能的恩惠，需要把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度，并至少持续1000秒，这样才能形成持续的反应。

2016年1月，“东方超环”已经成功实现了温度超过5000万摄氏度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电，标志着我国在核聚变研究领域处于世界领先地位。“东方超环”项目的领衔者李建刚院士曾说：“我的梦想是在有生之年，有一盏灯泡被核聚变能点亮，而这一盏灯泡一定要在中国！”这是李院士的梦想，也是我们每一个人的期待。

【责任编辑】庞 云