氢气（英语： 氢 ）是氢（H）元素的单质形态， 化学式 为H₂。氢气在常温常压下是一种无色、无味、无毒、易燃易爆炸气体，分子量为2.01588，在0℃、101.325kPa条件下的密度为0.089g/L。氢气难溶于水中，在21℃时，水中 溶解度 仅为1.62mg/L。氢气是世界上已知密度最小的气体，只有空气的1/14，也是自然界中最轻的气体，其具有可燃性、还原性、氧化性等化学性质。 氢气不仅可以用于填充气球、治疗疾病，在工业上作氢化剂和 还原剂 ，而且它也是21世纪主要研究的一种新型的清洁能源，可以作为航空燃料或以燃烧电池的方式为汽车提供动力。氢气可以通过电解水、水煤气、烃类转化法等方法制备。
2026年，中国科学院地质与地球物理研究所称，该研究所 刘传周 和 吴福元 领衔的研究团队在青藏高原的蛇绿岩中，首次发现了封存于微观包裹体内的天然氢气。相关成果会在国际学术期刊《 科学通报 》发表。
发现历史
16世纪初， 瑞士 医生帕拉赛斯·菲利普斯·奥利奥卢斯（Paracelsus Philippus Aureolus）发现当 铁 屑投入到 硫酸 会生成一种气体，这是最早通过将金属与强酸反应人工制得氢气的方法。这个气体就是氢气。 17世纪， 比利时 科学家 扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特 （van Helmont）说过“干馏 有机化合物 会生成可燃气体”，该可燃气体就是 甲烷 、氢气、 一氧化碳 的 混合物 。 17世纪中叶， 英国 化学家 罗伯特·波义尔 （Robert Boyle）将装满稀硫酸的长颈瓶倒置在同样盛有硫酸的液面上，将铁粒投入到大瓶里，一段时间后，长颈瓶中收集到一种气体，该气体即为氢气。 这些科学家均未对氢气有进一步的研究。
早在1700年，法国药剂师勒梅里也曾在巴黎科学院的《报告》上提到过它。1766~1781年，英国化学家 亨利·卡文迪许 （Henry Cavendish）发现了 氢 ，是历史上公认的氢气发现者。1766年，卡文迪许发表的一篇研究报告 《论人工空气》 中描述利用一定量的铁、 锌 金属与足量的酸（如 硫酸 、 稀盐酸 ）反应可制得“可燃空气”（即氢气）。最为重要的是，他利用 普利斯特里 发明的排水法将该气体收集起来进行了仔细研究，发现该气体与空气混合后遇 火星 会爆炸，并发现氢气与 氧气 化合生成水，这一发现表明氢气与其它已知气体截然不同。然而， 亨利·卡文迪许 由于受到燃素说的影响，认为氢气是金属溶解时释放出的燃素，且一度设想氢气就是燃素，还通过实验得出氢气的密度仅为空气的9%的结论。他还观察到，氢气充入气球时会使气球上升，这一现象被当时的燃素学派用来“证明”燃素具有负重力。直到1787年， 法国 化学家安托万-洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）正式提出氢是一种元素并对其命名为“hydrogenium”。
1808年， 英国 物理学家 约翰·道尔顿 （John Dalton）在前人发现的基础上，创立了新的 原子学说 ，主张用 原子 来解释各种 化学 现象，并且首次在化学领域引用原子量的概念，认为每种元素的原子重量是不变的。1811年， 意大利 化学家 阿莫迪欧·阿伏伽德罗 （Amedeo Avogadro）提出分子假说，分子是由原子构成的，双原子分子是由两个原子构成的，而稀有气体这类单原子分子则是由单子原子构成的。1858年，意大利化学家斯塔尼斯劳·康尼查罗（Stanislao Cannizzaro）对分子假说进行了验证。至此，确定了氢气是一种双原子分子组成的单质。
2026年，中国科学院地质与地球物理研究所称，该研究所 刘传周 和 吴福元 领衔的研究团队在青藏高原的蛇绿岩中，首次发现了封存于微观包裹体内的天然氢气。这一发现不仅填补了中国国内该领域的研究空白，也为中国寻找下一代清洁能源指明了新的地质方向。相关成果会在国际学术期刊《 科学通报 》发表。
化学结构
H₂是H元素的单质形态，是最轻的双原子分子。每一个H原子在1s 原子轨道 上有一个电子，H₂分子的成键模型可以描述为两个H原子分别提供一个电子形成 共价键 。当两个H原子的核间距达到一定值时，体系能量达到最小值，此时平衡距离为0.0746 nm，键能为4.52 eV。
两个H原子的1s原子轨道可以线性组合成σ₁s（成键 分子轨道 ）和σ₁s*（反成键分子轨道）。当电子进入成键分子轨道时，系统能量降低，电子进入反键分子轨道时，系统能量升高。两个H原子提供的两个1s电子会以 自旋 相反的方式进入能量较低的σ₁s成键分子轨道，形成1个以σ键结合的H₂分子，其分子轨道排布式为H₂[(σ₁s)²]。
由于 原子核 的自旋不同，氢气会形成两种不同的自旋异构体。当两个原子自旋方向相同时，为正氢；当两个原子自旋方向相反时，为仲氢。二者的 波函数 彼此正交，分别处于奇数和偶数旋转 量子数 的自旋态。氢气通常是正氢和仲氢的平衡 混合物 ，室温下，处于平衡状态的氢（即正常氢）由75%浓度的正氢和25%浓度的仲氢组成，在温度为20K时，平衡氢中仲氢浓度为99.8%。正氢和仲氢之间可以相互转换，当温度降低时，正氢会转换为仲氢，并释放出热量。
理化性质
物理性质
常温常压下，H₂是一种无色、无味、无臭、无毒的气体，具有体积小、分子量小、黏度低、抗磁性的特点。在100kPa时， 熔点 为-259.2℃， 沸点 为-252.8℃，在25℃时的蒸气压为1.6×10⁵kPa，在0℃，101.325kPa的密度为0.08987g/L，难溶解于水中，在21℃时水中 溶解度 仅为1.62mg/L，爆炸极限为4.0%-75.6%。
同素异形体
由于 氢 具有多种 同位素 （如H、D、T），这使得氢气的 原子 组成也会大不相同，其中比较常见的有H₂、D₂、T₂、HD、HT、DT。
表2：氢气 同素异形体 的 三相点 与临界点
氢有H、H₂、H₃和金属氢四种同素异形体。H₃是由三个H原子构成的不稳定分子，一般化学反应中不能形成，但是可以利用H₂轰击处在 基态 的H原子而得到。 H₃极易失去 电子 形成H₃⁺离子，H₃⁺是最简单的稳定多原子分子，H₃⁺广泛存在于 宇宙 中，已在 木星 、 天王星 、 土星 等 行星 中探测到。 金属氢 是氢另一种不常见的 同素异形体 ，在高压下，固体氢可以从绝缘相转变为金属导电相。金属氢拥有良好的导电性、导热性以及高密度、高 超导 转变温度，并且储存着巨大的能量。有学者认为 木星 、土星等行星中存在着金属氢。
化学性质
氢气的 可燃性
氢气具有可燃性，能在空气或 氧气 中燃烧，发出淡蓝色的火焰，燃烧中释放热量。氢气的 爆炸极限 是4.0%-75.6%（体积浓度） ，即氢气在空气中的体积浓度在该极限之间时，遇火源就会爆炸，因此氢气在点燃前需要验纯。
氢气的还原性
氢气的还原性较强，常作为 还原剂 参与 化学 反应，可以和许多金属 氧化物 、 卤化物 、 卤族元素 等在加热、高温等条件下反应。氢气能够还原金属活性在Mn（包括Mn）之后的元素形成的氧化物，而且其还原能力与温度、气体流量等条件均有关系。
氢气的氧化性
氢气中的每个 氢原子 可以分别获得一个 电子 形成 负氢离子 （H⁻），所以氢气也具有氧化性。由于氢原子的 电负性 比大多数金属的电负性大，可以和 碱金属 、 碱土金属 （除Mg、Be外）、部分 稀土 金属 和过渡金属相互反应，生成金属的 氢化物 。
碱金属和碱土金属（除Mg、Be外）的氢化物均为离子型化合物，常温下的离子型化合物均为 白色晶体 ，熔 沸点 较高，其中的H⁻离子同样具有还原性。许多过渡金属还可以与氢形成 二元化合物 。这些 金属氢化物 可以作为一种储氢材料运输氢气。
电解 熔融的金属氢化物，在 阴极 发生还原反应生成金属固体， 阳极 发生氧化反应生成氢气，这一现象可证明金属氢化物中存在H⁻离子。
氢气参与的 加成反应
氢气可以与不饱和化合物（如含 双键 、三键、 醛基 化合物）发生加成反应，对于不饱和数目较多（n≥2）的化合物时，在不同的 催化 条件下可获得不同产物。
双氢配合物 是包含完整氢分子作为 配体 的 配位化合物 。自从1984年首次发现无 解离 的双氢 配位 以来，已报道了数百个双氢配合物，如[IrH₂(H₂)₂(PCy₃)₂]⁺、Cr(CO)₄(H₂)₂、RuH₂(H₂)₂(PCy₃)₂、W(CO)₃(PCy₃)₂(H₂)等。双氢 配合物 大多数都是过渡金属离子形成配合物。
制备方法
实验室制氢方法
①活泼金属（如金属Ca、Na、Mg）与水或其他 质子 溶剂 （如 醇 、 液氨 等）反应。
②金属与酸的反应，常用金属Zn、Fe与 稀盐酸 反应。金属纯度越高，反应则越慢。若金属中有含S、P的杂质，则会生成H₂S、 PH₃ 刺激性 有毒气体 。
③金属（如金属Al、Zn）与 强碱 的反应。
④ 金属氢化物 与水的反应，氢化物 LiH 、CaH₂、NaBH₄等与适量的水反应可生成氢气。
⑤实验室规模 电解水 ，在 直流电 作用下，水分解为氢气和 氧气 。
工业制氢方法
工业制氢的方法非常多，主要有以下几种：
电解 水法
水电解制氢 技术是通过 电能 ，将水分解为纯氢气和氧气，通常情况下，氢气在 阴极 析出。电解法可根据 电解质 的不同，分为碱性溶液电解法和固体聚合物水电解法。碱性溶液电解技术是利用 氢氧化钾 或 氢氧化钠 水溶液 为电解质，这两种碱性溶液为强电解质溶液可增加溶液的电导性，隔膜采用 石棉网 或者 高分子材料 。与碱性溶液电解法不同的是，固体聚合物水电解法是以固体聚合物作电解质，利用 质子交换膜 作为隔膜，具有高效率、绿色环保等优点，减少了 强碱 溶液的使用与浪费。
电极反应如下：
阳极 ：
阴极 ：
总的电极反应：
除直接 电解 水外，电解 饱和食盐水 （氯碱工业）也可得到 副产品 氢气。
烃类 转换法
目前，世界上大多数氢气通过 天然气 、 丙 、 石脑油 等这些 烃类 混合物 重整制得。在高温蒸气或部分氧化工艺工程中，烃类化合物在1250-1500 ℃下被分解成H₂、 CO₂ 、CO。烃类蒸汽转换方法是目前工业方法中最常用的方法，产率高达70%-90%。不仅如此，天然气（主要成分为 甲烷 ）还可以在 催化剂 作用下直接裂解得到氢气。
烃类蒸汽转化法方程式：
烃类 部分氧化法方程式：
甲烷 裂解制备氢气方程式：
水煤气 法
水煤气法是先在隔绝空气的条件下制取 焦炭 ，然后焦炭与 水蒸气 在高温条件下反应制得H₂。所生成的CO，可以净化后与水蒸气在 催化 下反应，再次得到H₂。气化主要反应如下：
生物制氢
生物制氢可以分为生物法制氢和 生物质 气化制氢两种方式。
生物法制氢包含光合生物制氢和生物发酵制氢。光合细菌和 藻类 可在光照 厌氧 或好氧黑暗条件下，代谢 有机化合物 过程中产生H₂。 肠杆菌属 、 梭菌属 、埃希氏肠杆菌属等菌体可利用厌氧发酵将 糖类 转化为H₂。
生物质气化制氢是将生物质中的各种有机物溶解成液体，然后在高温高压的条件下，使液体气化，最终得到H₂、CO、少量 CO₂ 、 H₂O 和烃。在气化过程中，可加入 催化剂 加速过程。相比于烃类转化法，几乎不会产生含硫等有害气体，所造成的 空气污染 较小。而且 生物质 灰分含有一定的钾，可以作为肥料使用。
甲醇 转化法
蒸汽转化法
甲醇可以在 铜 锌 Cr催化剂、转化温度240-260℃、压力0.8-1.0 MPa的条件下反应，原料甲醇几乎可以完全转化为H₂和CO₂ 。
甲醇直接热裂解
甲醇直接热裂解是早期的技术，采用Mo-Ni或Ni-Al催化剂，反应温度400-500℃，产品主要为CO和H₂。但若要制纯氢，粗制的气体还需通过 一氧化碳 变换、脱碳、纯化等工艺过程。
光催化制氢
光 催化 制氢是利用 太阳能 光能在半导体催化下分解水制得氢气。半导体 光催化剂 可以从光谱中吸收 光子 ，激发 电子 跃迁产生能量，使 吸附 在其表面的水发生裂解。目前大多数的半导体光 催化剂 为dº、d¹º电子构型的金属的 氧化物 、 硫化物 、 氮化物 ，如TiO₂，是目前研究最广泛半导体光催化剂，具有廉价、无腐蚀性、稳定、环保等优点。
储存方式
氢气是一种新型清洁 绿色能源 ，但氢气在常温常压下储存和运输都较为困难，有泄漏的风险，因此可以采用高压气态和低温液态的方式储存氢气。从20世纪70年代起，科学家发现某些材料可以可逆吸收和释放氢气，这类材料被称为储氢材料，也可以用于储存氢气。
高压气态储氢
氢气可以在高压（一般储氢压力为12-15 MPa，有的可高达20M Pa）装进气体瓶中，通过减压阀控制氢气的释放。该方法具有成本低、能耗低、充放氢速度快等优点，是最普通和最直接的储存方式，也是如今最常用的储氢方式；中国使用水容积为40升的钢瓶在15MPa高压储存氢气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，钢瓶通常都是耐压厚重，而且由于常在高压的环境下，容易因氢脆导致钢瓶内部出现裂缝，存在泄露氢气的潜在危险，因此氢气的存储罐（如钢瓶）和管道需要使用特殊材料（如蒙乃尔合金），设计也更加复杂。现如今，为解决厚重容器的问题，已研发多种新型轻质气瓶：纤维环向缠绕钢瓶、金属内胆纤维全缠绕复合材料气瓶、全复合轻质纤维缠绕储氢氢罐等。
低温液态储氢
氢气在 熔点 沸点 温度区间时，氢气会以液态的形式存在，因此可以使用液氢储存。 液氢 储存质量小、体积小、质量储氢密度高、纯度高，是一种理想的储氢方式，但是该储氢技术的液化过程耗能大、易挥发，为了保持低温、防止液氢挥发，需要花费较大的成本制造储氢装置，所以该储氢技术目前基本只用于航天航空行业。
储氢材料
以上两种传统方式虽然具有充放氢速度较快的优点，但所需厚重的耐压容器或耗能较高，而运输过程中也有氢气泄露的安全隐患，因此，人们研发出了一系列性能较好的储氢材料。
碳 纳米管 又名 巴基管 ，有单层或多层 石墨片 卷曲360°而成的无缝、中空纳米管，由于碳纳米管的尺寸较小，具有较大的比表面，稳定性能好，氢可以填充到碳纳米管的管体内部以及碳纳米管束之间的孔隙，因此被认为是一种非常有前景的储氢材料。通过对碳纳米管的研究发现，只有使用合适的原料（如CO）得到的碳纳米管在常温常压下才可以 吸附 氢气，而且可以通过改善其 晶体结构 或掺杂其他金属来提高储氢能力。
MOFs 材料
金属-有机 配位聚合物 （Metal Organic Frameworks，简称MOFs）是 无机化合物 金属中心与多齿状有机 配体 键合而成的 晶态 材料，具有永久孔隙、高度规则的孔道结构、孔径尺寸可调、表面结构易修饰等优点，即使除去客体分子，仍能保持 骨架 完整，是现阶段储氢的热点材料之一。此外，MOFs多孔材料可以通过连接不同的有机配体调控孔径尺寸以提高储 氢能 力。由于合成 MOFs 的影响因素较多，使得不同实验室合成的MOFs 化学性质 有差异，这对MOFs储氢研究造成一定的局限性。不仅如此，MOFs常用的合成方法 溶剂 热、扩散法均使用了大量溶剂，合成出的MOFs空隙中充满客体分子，若后续处理中对客体分子去除不完全，则影响其吸氢能力。
由于氢的 电负性 较强，易与 碱金属 、 稀土 金属 等金属形成 氢化物 ，可以把氢以这种形式储存到合金中。LiBH₄、LaNi₅H₆、MgH₂、NaAlH₄因其热稳定性能好、可逆充放氢、吸振性、可回收性被广泛用作储氢材料。在一定温度和压力下，把它们放置在氢气氛中时，就可吸收大量的氢气，生成 金属氢化物 在加热条件下又释放出氢。
应用领域
氢能源
氢气能是一种绿色环保的能源，具有高能量密度且易储存运输等优点，发展 氢能 技术对于构建清洁低碳、改善大气环境质量、推动新型能源发展有重要意义，一些国家已经将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分。氢能可应用于燃料电池领域，燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，在转化过程中不排放CO₂和NOx，对大气污染较小，具有转换效率高、零排放等特点，是氢能利用的技术形式之一。此外，在电力领域，氢能的应用还涉及储能、远距离电力传输及电力供应等方面，可用于平衡电网峰谷需求和保障可再生能源并网的稳定性；同时，氢气也可作为 分布式能源系统 的能源载体，通过与可再生能源协同配合实现能源的存储与调配，进一步提升能源利用效率，降低对化石燃料的依赖。
氢化剂
在玻璃制造的高温加工过程及电子 微芯片 制造中，可在 氮气 保护气中加入氢气以去除残余氧；氢气是化工企业提高 石脑油 收率、改善产品质量的原料，成熟的化石能源清洁利用技术对氢气的需求量巨大，其中包括炼油化工过程中的催化重整、加氢裂化、加氢精制。加氢精制是在高温高压 催化剂 的条件下，往油品中加入氢，使氢与油品中的非烃类化合物等杂质发生反应，从而达到精制。其中催化重整过程也会生成副产物氢气，这使得氢源在炼油厂中可循环利用。不仅如此，煤清洁利用过程中的煤加氢气化、煤制油直接液化等工艺过程中也需要用到氢气。
合成工业级化合物
氢气可以作为 氨气 、 盐酸 、 甲醇 等多种工业产品的合成原料。氢气与 二氧化碳 在催化剂作用下可生成甲醇；在高温高压条件下，氢气与二氧化碳还能反应生成 甲烷 和水。此外，氢气可以通过Haber-Bosch法在高温高压催化剂的条件下固定氮生成氨，氨是制作植物肥料、 硝酸 及 硝酸盐 重要原料之一。此外，用酮或醛和氢气还原烷化还能制各种有机产品，例如N- 烷基 N 苯基 苯二胺 、 防老剂4010 、 防老剂4020 等。
由于氢气具有可燃性，与 氯气 可发生燃烧反应，生成 氯化氢 气体，溶于水制得盐酸。
氢气与一氧化碳可以制备粗 甲醇 ，粗甲醇再经过精馏和 化学 处理 提纯 。
医疗领域
氢是一种尚未在医学广泛使用的物质，但经研究发现，它可以应用于多种疾病的治疗。氢拥有较强穿透性和极强的 自由扩散 能力，可以快速通过细胞膜并在体内扩散。再加上氢较强的还原性，使其具有选择性地 抗氧化 、 抗炎药 、抗细胞凋亡等作用。其具体作用机制还包括：激活Keap1-Nrf2抗氧化系统，上调超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶的表达；保护 线粒体 功能，维持 细胞 能量代谢稳定；与 氧化数 血红素相互作用，发挥细胞保护作用。 氢可以通过吸入、含氢溶液 静脉注射 等多种手段应用于疾病的治疗。
氢气在癌症治疗中的作用
氢气不仅可以缓解常规化疗药物引起的副作用，也可以抑制 癌细胞 的生长。在化疗期间，体内会产生过量的活性氧（ROS），由于其高反应活性，会攻击 细胞 中的 蛋白质 、脂质等，导致细胞损伤或凋亡，氢气可以调节某些能消除ROS的抗氧化酶。前期氢气会使ROS水平下降，但由于 补偿效应 ，后期ROS的增加反而会导致癌细胞的死亡。加上氢气的抗炎症特性，会缓解化疗后的不良反应。不仅如此，经研究，分子氢能够抑制 胸腺 淋巴瘤 的生长 速率 ，含氢盐水可以促进癌细胞凋亡，增加普通细胞存活率。
氢气对器官缺血再灌注损伤的保护作用
缺血再灌注（Ischemia-Reperfusion）损伤是组织或器官在缺血的基础上，由于血液和 氧气 重新供应所发生的不可逆性损伤。2007年， 日本 科学家Oshawa等人发现氢可以通过选择性地减少 细胞 毒性的羟基自由基（·OH），作为一种治疗性 抗氧化剂 保护 神经元 ，改善脑缺血再灌注损伤。
经不断地研究可知，氢对心脏、肺、肝、肠和肾的缺血再灌注损伤均有器官保护功能，因为氢气具有 抗氧化 能力，可以减少体内的 自由基 或ROS，抑制氧化应激反应，从而保护组织免受损坏。
氢气在肾病治疗中的作用
顺铂是治疗癌症广泛使用的一种化合物，但顺铂的大量使用可能会造成肾毒性。然而吸入氢气或者饮用含 氢水 ，可以对顺铂有保护作用，改善由顺铂引起的肾功能不全。富氢盐水对 II型 糖尿病 也具有良好的治疗效果，不仅可以改善患者的 胰岛素 抵抗、促进 脂类 和 葡萄糖 的代谢，而且可以缓解糖尿病所引起的肾脏炎症反应。
安全事宜
危险性
氢气是极端易燃气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸。氢气被列入《危险化学品名录》，并按照《 危险化学安全管理条例 》管控。在铂及其它 金属催化剂 上，氢气和 氧气 在常温下即能发生爆炸反应。与 氧化剂 、 卤族元素 （ 氟 、氯、 溴 、 碘 ）、 乙炔 、 一氧化氮 等化合物接触后，在一定条件下会剧烈反应，甚至爆炸。所以需要避免在 静电 、热、潮湿的环境下储存，应与氧气、压缩空气、氧化剂、卤素等分开存放。
消防相关
当发生氢气泄漏时，应迅速将泄漏污染区人员撤离至上风处并进行隔离，严格限制区域出入，同时切断火源。建议应急处理人员佩戴自给正压式呼吸器、穿防静电工作服；尽可能切断泄漏源，通过合理通风加速泄漏气体扩散；如有条件，可将漏出气用排风机送至空旷区域或装设适当喷头烧掉，漏气容器需妥善处置，经修复、检验合格后方可再次使用。由氢气引发的火灾应用水雾、干粉、泡沫或 二氧化碳 灭火剂灭火。避免使用直流水灭火，直流水可能导致可燃性液体的飞溅，使火势扩散。当火灾发生时，应迅速切断气源。若不能立即切断气源，则不能熄灭泄漏处的火焰，应喷水冷却燃烧容器和临近容器，尽可能将容器从火场移至空旷处，防止容器受热爆炸。
急救措施
当吸入少量氢气时，应立即转移至新鲜空气处。皮肤和眼睛与 液氢 接触冻伤时，用大量水冲洗，冲洗后立即前往医院。当不小心误食时，立即 漱口 ，禁止催吐，并前往医院就医。