说说氢这个“小个子”

冯大诚

我首次知道氢气是小时候逢年过节看到人们拿着的氢气球，如果没拉住拴着气球的那根线，气球就会飘到空中。而且气球很容易漏气，口子扎得再紧也没用。不过，我那时认为气球里装着的是“轻气”，读书以后才知道那应当写作“氢气”。我相信，在这个问题上，大多数人的经历应当与我相似。

氢气原来是“轻气”

氢气球的上升和容易漏气都与氢气的结构有关。氢气分子是由两个氢原子构成的，而氢原子是最小最“轻”的原子，氢分子也是最小的双原子分子。氢气比空气轻得多，所以氢气球能够上升；又由于氢分子很小，所以能够慢慢地透过被吹得很薄的乳胶气球壁，造成氢气球比一般的气球更容易“漏气”。

现在，氢气球很少有了，而代之以氦气，因为氢气一遇到火星很容易爆炸。前几年有企业用氢气球做广告宣传就引起过爆炸。危害非常严重的日本福岛核电站事故中，也有氢气爆炸所造成的危害。

氢是人体最主要的组成部分之一，从原子个数来说，人体中最多的原子就是氢原子。有人统计过，按原子个数来数，人体内排在前六位的化学元素是氢、氧、碳、氮、钙和磷，它们之间的原子个数比例是375∶132∶85.7∶6.4∶1.5∶1，剩下的硫、钠、钾、氯、镁、硅、铁等元素加起来不到0.8。也就是说，氢原子的数量占了人体原子总数的62%，是其他原子总和的1.6倍还多。

氢也是地壳中最主要的元素之一，从质量的比例来说，氢在所有的元素中排名第10。按地表1千米深浅的范围来说，氢原子的质量占总质量的1%，但是，按原子个数来说，却占全部总数的15.4%。因为氢这个“小个子”虽然不压秤，数量却多。

氢元素在已知的宇宙物质中，无论从质量还是原子数量上说，毫无疑问都是占绝对第一的。从太阳的化学组成来看，氢元素的质量就占了75%，剩下的几乎都是氦，而氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量加起来不到2%。

氢气与氧气反应能够生成水，这是氢气最重要的反应。所以，氢气在西方各国的语言（比如英语hydrogen）中都是从“水的生成者”派生出来的。它的化学符号H就来源于此。汉语最早根据它的物理性质翻译成“轻气”，后来又特意造了一个汉字“氢”。

氢气与氧气反应生成水的时候，能够放出大量的热，在通常情况下，燃烧1克氢气，能够放出约34千卡的热量。做一个比较，燃烧1克纯碳，只能得到不到8千卡的热量，燃烧1克汽油或煤油也大约只有11千卡。也就是说，携带相同重量的燃料，氢气放出的热量几乎是汽油或煤油的3倍，纯碳的4倍多。所以说，氢是非常高效的化学能源。在液态火箭燃料中，液态氢就是最好的一种。

氢能的利用

氢气燃烧放出这么多热量，生成的产物又是水，几乎没有污染，所以，氢气作为燃料是非常理想的。于是，就有人说，想办法把水分解成氢气和氧气，然后让氢气在氧气中燃烧放出热量，就相当于把水当作燃料了，岂不是天大的好事？但是，仔细一想，氢气和氧气燃烧为什么会放出热量？那是氢原子与氧原子结合成键，要放出热量。那么，与这个过程相反，把水分子分解成氢原子和氧原子，就需要把氢原子与氧原子之间的键拉断，却是需要能量的。拉断H-O键需要大约110千卡/摩尔能量，结合起来又放出110千卡/摩尔能量，我们哪里有多余的能量可以利用呢？这样简单的道理，凡是学习过一点化学的人都会知道的。了解这样的道理，就不会给那些声称可以“水变油”的骗子以可乘之机。

既然水解离成氢气和氧气所需要的能量与氢气和氧气化合所放出的能量一样，那么是不是水解离出的氢气就不能作为能源使用了呢？当然不是。比如，火力发电需要能量，这种能量可以来自燃煤、燃油或燃气，尽管发电所需要的能量比电所能做的功还要大，但电仍然可以作为能源使用。因为二者不是在同一个地方，发电是在发电厂，而用电则可以随时随地，图的是方便。这样的能源称为二次能源。与发电一样的道理，我们解离水需要能量，但是，解离得到的氢气我们可以在需要的地方使用。比如氢能汽车在城市街道运行，就不产生污染。又如火箭燃料使用液态氢，有极高的能量密度，图的是高效。如今更接近百姓生活、用途更广的是氢能源汽车。在这个意义上，氢能也是一种重要的和优良的二次能源。当然，我们得到氢气不一定要通过电解水，用煤或石油等矿石原料来制取氢气是我国制氢的主要方法。

氢气作为能源虽然很好，但问题是不容易储存和携带。氢气在常温下是气态，常压下要到-183℃时才能够液化。如果储存和运输过程都用气态，那么它的体积就会很大。如果把氢气加压，放在钢瓶里，那也需要很厚的钢瓶，重量很大。而且，前面说过，氢气分子非常微小，很容易泄漏，泄漏出来就容易爆炸，这是很大的麻烦。如果储存和运输的是液态氢，那么又要随时带着冷却设备。这些方法都不便于氢能用于普通交通工具。

然而，氢原子“个子小”有一个特别的好处，那就是可以钻到某些金属或合金的晶格之中去。我们知道，金属在一般情况下都是晶体，一个又一个金属原子紧紧地挨在一起，形成金属的晶格。要知道，相对于氢原子，金属原子堪称“大个子”，挨得再紧，原子之间仍然有空隙，而“小个子”的氢原子就可以钻到这些空隙里去。这个过程，我们称为氢被金属吸附。这种吸附可以形成金属与氢原子之间的化学键，也就是说，可以形成金属的氢化物。这样，氢原子就不容易“乱跑”了。但是，这种金属氢化物并不牢固，在一定的条件下，它能够释放出氢原子，两个氢原子又结合成氢分子。这样，这种金属就可以用來储存氢气，我们把这样的金属称为储氢金属。

储氢金属一般都是合金，它们能够储存比自身体积大1000多倍的氢气，从而可以在汽车这样的交通工具上实际使用。在储存氢气的问题上，产生困难的原因之一是氢原子很小，但是，用合金来储氢的原理，也是因为氢原子很小。

“小个子”引起的大革命

我们知道，各元素有它们自己的特征光谱线，可以用这些光谱线来识别所对应的化学元素。19世纪末到20世纪初，人们陆续发现了氢原子光谱的6个谱系，也就是氢原子所发出光的若干特定频率。据此，就可以判定发光物质中氢原子的存在。

同时，人们发现发光物质中某种原子的浓度与它们的谱线的强度相关。也就是说，发光物质中某一种元素越多，它的特征谱线就越强。这样，人们就可以估计出在发光物质中各种化学元素量的相对比例。

人们还要问，为什么原子会发出这些特定频率的光线呢？为什么氢原子会发出这6个谱系的特定频率的光呢？这在20世纪初确实是一个大问题。当时人们发现了元素周期表，那是按照原子量的相对大小来排列的，但是，为什么按照原子量大小排列的元素能够显示出元素性质的周期性，人们也不清楚。因为当时人们还不清楚原子到底是什么，不知道它们的组成，更不知道它们的结构。人们只知道氢原子是最轻的从而也可能是最简单的原子，这样，解开原子结构的秘密当然就要从氢原子开始。

1897年，英国物理学家汤姆孙发现了电子，所有原子中都有这种带负电荷的成分。既然原子中有带负电荷的电子，那也一定有带有正电荷的物质，这样原子才可能呈电中性。1911年英国物理学家卢瑟福发现，带有正电荷的物质比原子小得多，但却占了绝大部分的质量。他提出一个类似太阳系那样的原子模型，即带正电荷的原子核处在原子的中心，带负电荷的电子像地球绕太阳旋转那样围绕原子核运动。但是，这样的模型显然是不符合已知的物理学理论的。如果氢原子有一个电子绕着带正电荷的原子核运动，它必定会发出电磁波，这种能量的损耗将使电子离原子核越来越近，很快就会撞到原子核上，因而这样的原子不可能稳定存在。

1913年，28岁的丹麦天才物理学家玻尔把普朗克和爱因斯坦关于量子的新假设用到卢瑟福的类太阳系原子模型上，成功地解释了氢原子的光谱。他提出，氢原子核外的电子只能在某些特定的轨道上运动，这时电子既不发射也不吸收能量。当电子恰好吸收一定频率的电磁波时（光波就是一种电磁波，而且根据爱因斯坦的理论，一定频率的波就具有一定的能量），能够从靠近原子核的轨道“跃迁”到较远的轨道上去。当电子从离原子核较远的轨道“跃迁”到较近的轨道时，就会发射出一定频率的电磁波。这样的假设当然是革命性的，它不符合传统的力学和电磁学。

由于玻尔提出的这些电子运动的轨道之间的能量差是不连续的，也就是所谓量子化的（这里量子化的意思是一份一份的，像数学上从0一下子跳到1或者2，而不是从0一点一点地變到1或2），这样的结果就与光谱上分立而不连续的谱线对上了。但是，玻尔的量子化的原子模型在解释氦原子光谱的时候就失败了。因为他假设的原子轨道还是在宏观中常见的用确定位置和动量来说明的。实际上，在原子这种微观体系中，电子的位置已经不是用来描述体系状态的合适的物理量，这是微观体系与宏观体系的最大差别之一。

1925～1927年间，人们终于找到了微观粒子所服从的运动规律，这就是量子力学。就像宏观世界的物体运动要符合牛顿定律所确定的运动方程一样，微观粒子也服从它所适合的方程，这就是薛定谔方程。氢原子体系的薛定谔方程能够严格的解出，得到描述氢原子运动的状态，也就是氢原子的波函数。对于多电子原子，如果忽略电子与电子之间的相互作用，就可粗略地认为这些电子处于类似于氢原子那样的原子轨道中，人们就能够用各种近似计算方法，得到这些原子的足够精确的波函数，从而解释清楚它们的原子光谱以及其他种种的物理及化学性质。人们也知道了，化学元素的各种性质，正是各原子中电子所处的状态所决定的，从而就能够更加深刻地理解元素周期表以及由此表达的化学元素性质的周期性规律。

玻尔的原子模型只经过十几年光景，就被更符合实际情况的量子力学模型所取代。人们把玻尔的原子模型称为“旧量子论”模型。实际上，根据量子力学，人们不可能知道在某一时刻电子在什么确切位置。人们根据波函数只能知道在该时刻电子出现在某处的概率。因此，用量子力学方法所确定的所谓原子轨道仅仅是沿用了“旧量子论”中的术语罢了。

现在我们知道，量子力学是人类在20世纪所取得的最伟大的科学进展，量子力学的概念以及以此为理论基础发展出来的技术革新使得20世纪所取得的科技成就超过了有史以来人类科技成就的总和。这场伟大革命的起始之一，就是研究和解释氢原子这个“小个子”的性质。