氢(Hydrogen)，最轻的 化学元素 ，原子序数1。它的 原子 由一个 质子 ( 原子核 )和一个 电子 组成， 同位素 和 分别有一个和两个额外的 中子 。它是十分重要的且基础的元素，组成了 宇宙 中75%的物质。 单质 以 双原子分子 H 2 的形式存在，是一种无色、无臭、无味、易燃的气态物质，能够作为燃料使用。含氢的重要物质有 氢气 、水、 有机化合物 、氨及其 衍生物 等。大多数酸的性质，特别是在 水溶液 中，是由 氢离子 (H+)产生的。 氢气广泛应用于 化学 、冶金、电子等工业部门。 液氢 则应用于宇航、火箭事业上。新能源的开发中, 氢能 是十分有前景的领域。 医疗上根据氢的特性设计出检测手段核磁共振 ，工业上因为其特殊的 化学性质 用作原料、保护气及还原气 ，能源上 氢能 是未来极具潜力的 绿色能源 ，受到众多学者的研究 。
历史
十六世纪， 瑞士 医生兼炼金术士 帕拉采尔苏斯 （ 英语 ： Paracelsus ，1493年11月11日-1541年9月24日），发现把铁片放入 稀 硫酸 中会产生大量气泡，并且承装硫酸的容器变得滚烫。但是他并没有做出深入的研究，其他人则是把这个现象用作 古彩戏法 之中。
十七世纪， 比利时 科学家简· 巴普蒂斯塔· 范·赫尔蒙特（ 法语 ：Jan Baptista van Helmont，1577-1644）证明了金属不会因溶解在酸中而被破坏。他称了银的重量，把它溶解在酸里，然后把溶液和铜反应，把原来的银都找回来。这个实验为后世认识 氢离子 与 金属 单质 的 置换反应 奠定了基础。 英国 物理学家、化学家罗伯特•波义尔（ 英语 ：Robert Boyle，1627年1月25日—1691年12月30日）发现紫色 石蕊 溶液在酸碱环境下会变换为红色和蓝色，并将其用为 酸碱指示剂 ，这为溶液中氢离子的检测提供了启发。
十八世纪， 瑞典 药剂师 卡尔·舍勒 （ 瑞典语 ：Carl Wilhelm Scheele，1742年12月19日——1786年5月21日）收集了 铁屑 与 硫酸 混合后产生的气体。他将气体用 玻璃管 导出，把带有火苗的 蜡烛 放在试管口,发现管口产生了蓝色的火焰具有可燃的特性,并把它叫做可燃空气。
在同一个世纪， 英国 化学家和物理学家 亨利·卡文迪许 （ 英语 ：Henry Cavendish，1731年10月10日—1810年2月24日）用铁、锌等与稀硫酸、 稀盐酸 反应制得这种气体并用 排水法 收集了起来，对该气体展开了各类研究。他得出该气体与同体积的空气相比，质量之比是0.09：1；该气体与空气混合后点燃会发生爆炸；且与 氧气 化合生成水。
1787年， 法国 科学家安托万-洛朗·德·拉瓦錫（ 法语 ：Antoine-Laurent de Lavoisier ，1743年8月26日－1794年5月8日）用可燃空气与氧气反应得到了 纯水 ，认为水不是一种元素，而是氧和可燃空气的化合物。他将水分解成氧气和可燃空气论证了这一观点，并给可燃空气起名为 Hydrogen。
1898年， 苏格兰 物理学家，化学家，发明家 詹姆斯·杜瓦 爵士 （英文：Sir James Dewar，1842年9月20日－1923年3月27日）用他在皇家研究所建造的大型再生冷却机，成功地 液化 了 氢气 。他不断改进他的方法，最终成功地将温度降低到 绝对零度 以上13度，在这个温度下，除了氦以外的所有气体都会液化。
1931年， 美国 宇宙 化学家、物理学家 哈罗德·尤里 (Harold Clayton Urey，1893年4月29日-1981年1月5日 ) 获得了氘富集的氢样本和一个他对氘的预测的光谱。1934年， 尤里 因这一发现获得了 诺贝尔奖 ，以及美国化学学会 芝加哥 分会颁发的 威拉德·吉布斯 奖章。
1900年，费迪南德·格拉夫·冯·齐柏林（ 德语 ：Ferdinand, Graf von Zeppelin，1838年7月8日-1917年3月8日）设计的氢气飞艇LZ-1 的首次飞行在 德国 的 康斯坦茨 湖上。这收到德国政府的关注和支持，他被委托为飞艇舰队设计生产，使得 第一次世界大战 中德国使用了超过100艘 齐柏林飞艇 。
分布情况
宇宙中
氢存在于星际空间，是 丰度 最高的元素。宇宙中的氢主要以单 原子 形态和 带电粒子 态存在，幼年星体几乎100%是氢， 太阳 中氢也占质量的99%。 其他元素均是由氢在宇宙大爆发中的 核聚变 产生的。 太阳内部存在巨大的压力和极高的温度，能将四个 氢原子 聚合为一个氦，并释放出巨大的能量，这个过程叫做核聚变（ 热核 反应）。因此，氢为太阳的发光发热提供能量，是太阳的燃料。
地球中
地壳 中氢的丰度也很高，在地壳中它的含量仅次于氧和硅，排名第三，主要以化合态的形式存在。化合态氢的重量组成占地壳1km范围内1%的重量和15.4%的 原子 组成。 氢能 同大部分元素结合,而且其中有许多重要的化合物。水（氧和氢的化合物）在 地球 表面以液体的形式存在，构成海洋河流； 有机化合物 （碳元素和氢元素为主）构成了地球上生命体的重要部分。 氢在地球上很少以气体的形式存在，约占大气中的10 7 分之一。因为游离氢的密度非常小,因而平均扩散速度很高(1.84km/s),足以使它脱离 地球 的重力场,很快地从大气圈逃逸到 外层空间 。 游离态 氢气 大多由机物质腐烂分解产生，和石油、天然气一样深埋在地下。
人体中
氢元素在人体内占全体 原子 的三分之二，在生命体中起着极其重要的作用。氢和碳组成的碳链作为生命体中重要的化合物如 蛋白质 、 核酸 ， 糖类 ， 脂类 等的 骨架 ，是组成生物体的基础元素。与 氧 一起组成与生命密不可分的水，保证人体的个物质的输送；以 氢离子 和 氢氧根 的形态，维持和保障了人体中的酸碱平衡,并构成了人体中的消化液。最重要的是它在人体中的生化反应中扮演了不可缺少的角色,很多生化反应实际上就是传递氢离子以及 电子 的过程。
原子特点
原子结构
氢元素的的 原子核 内有1个 质子 ，在核外有一个电子，是电子数和 原子数 最少的元素。当处于 基态 时，氢原子核外只有一个轨道，即1s轨道， 核外的这个电子就位于这个轨道上。因此，H 原子 非常容易失去其核外的这1 个电子而成为正价 氢离子 H + ，这种特征与ⅠA族的元素比较类似； 氢原子 也能够得到 1个电子，使1s轨道达到全充满的状态，而成为负价氢离子H - ，这一特征又与Ⅶ A族元素较为接近。除此之外，氢的 电子 在1s轨道上的占据还表明可以被看作是轨道半充满状态的原子，这种特征又与lV A族元素相似
同位素
氕
（ 1 H）， 质量数 为1， 原子核 内有一个 质子 。氕是氢的主要稳定同位素，其天然 丰度 为99.985%。 氕现在仅用于极小的范围，主要是用它来配制氕水。氕水被小量地生产出来作为化学实验室的标准液，以及在 生物实验室 用来作为硏究氘对有机体影响的实验用。
氘
氘（ 2 H或D），质量数为2，原子核内有一个质子和一个 中子 。氕是氢的另一稳定同位素，其天然丰度为0.015 %。 氘被称为重氢，适宜于作为示踪 原子 。将氘替代到含有氢元素的化合物中，再放入研究目标中，可以对光合过程等复杂的化学反应过程进行研究。氘作为示踪原子的优点是它沒有放射性。另外，氘还是是 热核 聚合反应的原料，作为 反应堆 的 中子减速剂 。氘的化合物较氕的化合物惰性为大，普通的 过氧化 氢 可以用作 氧化剂 时有易爆的危险，而用过氧化氘来代替就能避免风险。
氚
氚（ 3 H或T）， 质量数 为3， 原子核 内有一个 质子 和两个 中子 ，被称为 超重氢 。氚是氢的 放射性同位素 ， 半衰期 1为2.5年。它在天然水中仅痕量存在，其含量为天然氢的10 -18 倍，可能是宇宙射线对大气氮的作用产生的。根据 化学 方程 D + D→H + T，用高能氘(氘原子的原子核)轰击氘可以得到氚。根据 方程 6 Li + 1 n→ 4 He + T， 6 Li与核裂变反应堆的中子之间的 核反应 最有效地产生氚。
其他同位素
氢在自然界有最大的 同位素 丰度 变异，如 地球 样品的变异范围达 700‰， 宇宙 样品的变异达 150‰。 目前氢共有7个已知同位素， 质量数 范围从1到7，其中有2个是稳定的，其他都具有放射性。天然存在的 氢同位素 有3个，分别是 氕氘氚 ，另外四个同位素（ 4 H到 7 H）都不出现在自然界中，只有在实验室制造出来过，且 半衰期 都少于10 -21 秒，极为不稳定。
同素异构体
由于两个 氢原子 的核 自旋 有两种可能的 耦合 方式，分子氢存在自旋异构现象，有两种 同素异构体 ， 正氢 (反转氢分子)和仲氢(并转氢分子)。目前的 科学理论 认为,氢分子中的两个氢原子核在同一轴的垂直的平面上迅速旋转。两个 原子核 的自旋方向相同(↑↑)的是正氢原子，对应于自旋 量子数 J的 奇数 值;而两个原子核的自旋方向相反(↑↓)的则是仲氢，对应于J的偶数值。在其原子核具有自旋 动量 的其他分子中也发现自旋异构现象。正常的 氢气 是正氢和仲氢的互变异构 混合物 。而混合物的组成服从 化学平衡 定律。在某一温度下,混合物的平衡组成为固定比例,在273K及273K以上时, 正氢 和仲氢的统计比为3:1,而且,正氢的百分比不超过 75%。
氢键
原子 吸引 电子 倾向(即 电负性 )很强的 氮 (N) 及 氧原子 (O)与氢结合而产生的X—H型 氢原子 (X为N或O或其他)，通过X—H…Y型氢原子结合( 氢键 )，可与其他原 子Y形成松散结合。 水中的水分子也非单独存在。因为有O—H…O这种氢键，大量 水分子 之间 连成 一种网状。而相对分子质量与水 (H 2 O， 沸点 100℃)极其相似的 甲烷 (CH 4 ，沸点为−164 ℃)， 其沸点要比水低264 ℃。 蛋白质 分子内的氨基酸之类就是 氢键 所形成，其蛋白质 分子分布并不是 无序 线状延伸，而是一种非常密集的构造。作为 遗传物质 的 脱氧核糖核酸 (DNA)，其核酸碱基呈一 列锁状分子，两列这样的分子 螺旋 缠绕呈细长状。在 双螺旋 构造的稳定化上， 氢键 起了很大的作用。氢键很容易切断。正因为如此， DNA 的双螺旋结构的分解很容易，这给遗传因子的复制制造了机会。
性质
理化性质
氢(H 2 )由两个 氢原子 组成，常温常压下是 无色 、无味、几乎不溶于水、 易燃 的气态物质，是已知的最轻气体，具有很大的扩散速度和很高的导热性。 氢气 极低的 熔点 和 沸点 是由于分子之间的吸引力很弱。当氢气在室温下从高压膨胀到低压时，其温度会升高，而大多数其他气体的温度会下降，这一事实也揭示了这种弱 分子间作用力 的存在。根据 热力学 原理，这意味着在室温下，氢分子之间的斥力大于吸引力，否则，膨胀会使氢冷却。事实上，在- 68.6°C时， 引力 起主导作用，因此，氢在被允许膨胀到低于该温度时就会冷却。当温度低于 液氮 (- 196°C)时，冷却效果变得非常明显，以至于该效果被用来达到 氢气 本身的 液化 温度 。
化学性质
可燃性
氢气同 卤族元素 或氧的 混合物 经引燃或光照都会猛烈地互相化合：
2H 2 +O 2 =H 2 O（条件：点燃）
H2+ F2 =2HF（条件：暗处混合）
H 2 +Cl 2 =2HCl（条件：点燃或燃烧）
还原性
当锰的 氧化物 (Mno)以及在活泼性顺序中在锰之后的金属的氧化物,在适当温度加热下同分子氢反应时，它们能被还原成金属：
H₂+ CuO = Cu+ H₂O （条件：加热）
3H₂+Fe₂O₃=2Fe+3H₂O（条件：加热）
3H₂+WO₃=W+3H₂O（条件：加热）
化合物
水
水(H 2 O)由氢和氧 化学元素 组成，具体由一个氧原子与两个氢原子通过共价键连接构成。水通常以气态、液态和固态三种状态存在，是一种无味的液体，具有良好的溶解性，作为 溶剂 对生物体而言具有重要作用。生命被认为起源于地球上的海洋，体依赖于水溶液（如血液和消化液）进行生物过程。同时，水也存在于 太阳系 内外的其他 行星 和卫星上。
酸
酸是由一个或多个 氢原子 与其他元素组成的化合物。在溶液中酸会释放带正电的 氢离子 ，改变某些 指示剂 的颜色，与某些金属反应释放氢，与碱反应生成盐，并促进某些化学反应(酸 催化 )。酸的种类包括 无机酸 ，如 硫酸 、 硝酸 、 盐酸 和磷酸，以及包括 羧酸 、 磺酸 和 苯酚 族在内的化合物。
有机物
有机化合物 是含有碳(C)的物质，碳链为 骨架 提供了产生多种有机化合物的关键结构框架。氢则在 有机物 中是与碳链相伴存在，是有机化合物的另一种要有元素。有机化合物对地球上的生物有着至关重要的作用。脂肪、 蛋白质 和 糖类 等都可作为食物保证生命的摄入； 血色素 、 叶绿素 、酶、激素和 维生素 等物质维持生命体正常运行；常见的燃料如木材、煤、石油和天然气为人类发张与生存提供能量。
氨
氨( NH3 )， 无色 刺激性气体，由氮和氢组成。它是这些元素中最简单的 稳定化合物 ，是生产许多商业上重要的氮化合物的起始材料。氨可以用作肥料,变成 铵盐 的形式，如 硝酸铵 、 硫酸铵 和各种 磷酸铵 ，其中 尿素 是世界上最常用的肥料。氨还被用作 合成纤维 的的原料、染色剂、清洁剂、 催化剂 、纯碱原料和石油精炼的酸性 副产品 中和剂 等。
制备方法
活泼金属与水反应
用 钠 或 钠汞齐 ,最好用 金属钙 ，同水反应，产生金属氢 氧化物 和 氢气 。镁可以同热水反应快速地放出氢气，在特定的情况下这也可以成为发生氢气的一种有用的途径。
金属与酸反应
在金属中锌是最方便的一种,在历史上则常用铁来同酸反应在酸中用 盐酸 最好，但也常用 硫酸 (由于价廉)。如果在反应的金属中含有杂质，则会同时产生 磷化氢 、 砷化氢 或 硫化氢 ，它们有毒性，应予注意，金属纯度越高，同酸的反应越慢，所以用纯锌同酸反应时，可在酸中加入少许铜盐,生成的 锌铜偶 有利于加速释放 氢气 的反应速度。
金属与强碱反应
用铝或硅(或 硅铁 )同 氢氧化钠 的作用也可以用其他的两性金属：
2Al+2 NaOH +2H 2 O=2NaAlO 2 +3H 2 ↑
金属氢化物与水反应
可以用 氢化锂 LiH、 氢化钙 CaH 2 或 氢化铝锂 LiAlH 4 与水作用来产生 氢气 。这个方法产生的氢气则比较纯净但是成本高，另外在这类反应中发生的氢气有一半是从水里来的，所以从单位重量的 氢化物 可以得到较大量的 氢气 。这在野外工作中是有其优点的，例如在野外充填气象观测气球。 氢化物 同水的反应表示如下式:
LiH +H 2 O= 氢氧化锂 +H 2 ↑
CaH 2 +2H 2 O=Ca(OH) 2 + 2H 2 ↑
LiAlH 4 +4H 2 O=LiOH+Al(OH) 3 +4H 2 ↑
电解水
在工业上常用镀 的铁 电极 电解 氢氧化钾 溶液来生产 氢气 。这样发生的氢气较为纯净，一般用在电子工艺中和有机合成工艺中：
2H 2 O=2H 2 ↑+O 2 ↑（条件： 电解 ）
热分解天然气或裂解石油气
从含 烃类 的天然气或裂解石油气制造 氢气 是现时大规模工业制氢的主要方法。虽然上述两种原料都可以通过热分解而产生氢气，但最常用的是它们同 蒸汽 的反应,因为这类反应可以在较低的温度(110℃)下进行：
CH 4 +H 2 O=CO+3H 2
水煤气法
令 过热 水蒸气在高于100℃的温度通过赤热的 冶金焦 ,即发生水煤气反应:
H 2 O(g)+C(s)=CO(g)+ H 2 (g)
令水煤气和水蒸气一起通过装填有 氧化铁 钻 催化剂 的变换炉，将CO变换成 氢气 和CO 2 ：
CO(g)+H 2 O(g)=H 2 (g)+ CO 2 (g)
在加压下用水洗除CO 2 ，然后经过 铜洗 塔用 氯化亚铜 的 水溶液 洗除最后痕量的CO和CO 2。
应用领域
核磁共振
人体主要组织和器官中都有 水和 蛋白质 ,这些物质的重要组成元素都是 氢原子 。人体内大量的氢原子核 自旋 产生 磁场 而具有方向，磁场的变化会使氢核发生弛豫现象。弛豫时，氢核就会由于释放能量而发出微弱的核磁共振信号。由于人体各部位含水量不同,含氢核的量也不同,因此产生的核磁共振信号也就大小不同,将微弱的能量信号经过 计算机 处理转换成影像,就能得到 核磁共振成像 。因此，人们研究发明了核磁共振扫描成像系统。将人体放入大型圆筒状电磁室内，根据体内水分的分布不同，可对脏器和人骨进行扫描。 磁共振成像 (MRI)的方法已经得到广泛利用，无任何伤害即可对人体进行 断层 拍照，用于医疗诊断。
低温研究
液态氢 的温度在 -253°C以下，因此当液态 氢气 化为 氢气 时需要吸收大量的热，能够为提供及低温的环境。
浮力填充气
氢气是已知最轻的气体，因此具有很大的 升力 最早 德国 的科学家 费迪南德 便利用这一原理制造了氢气飞艇。
示踪气体
氢气示踪法是将5％氢气和95％ 氮气 混合气，即所谓的“示踪气体”，代换或溶入试压介质( 压缩空气 )。氢气的可燃极限为5.7％，因此，5％氢气和95％氮气混合气是绝对安全 的气体。这种示踪气体无毒、无味、无腐蚀性、不可燃，是工业焊接作业中用来保护 不锈钢 避免氧化的常用气体。而且，这种气体非常便宜，容易获得。
石化领域
在石油 化学工业 的生产中，应用不同组份的 含 氢气 体 作为 合成氨 、 甲醇 、石油炼制生产的原料气、加氢气体等，其用量大约占 氢气 总产量的93%左右。在 尼龙 、塑料、农药和油脂 化学工业 中，都需加入一定纯度的氢气，生产相应的产品。
冶金工业
在 有色金属 （钨、 、钛）、 硬质合金 、 粉末冶金 材料 、 硅钢片 、磁性材料、磁性合金等的生产和加工中，高纯氢气可以作为还原气和保护气；薄板、 带钢 的 轧制 中 氮气 和 氢气 混合气可作为保护气。在精密合金的光亮 火和 退火 时，高纯氢气可以提高产品质量，简化工序。
半导体
在电子工业中，高纯氢气主要用于 电子材料 、 半导体材料 和器件、 集成电路 以及电真空器件的生产，作为还原气、携带气和保护气。如在 多晶硅 制取、硅、 化镓 外延 生长时，都需用纯度很高的 氢气 作为还原气。半导体的发展有赖于 氢气 为其提供的良好环境。在 电子管 生产中，也需用高纯氢气作为另件 退火 等的保护气。
轻工业
在 建筑材料 和轻工业中，也常常应用氢气作保护气、还原气或燃烧气体。如 高纯二氧化硅 、人造宝石的制造和加工，广泛使用氢一氧焰获得高温，在 浮法玻璃 生产中，使用氢气一 氮气 混合气作保护气等。
能源
氢气 作为能源在来源丰富、使用干净，适应性强，储运方便等方面，是很有前途的。 氢能 的主要利用方式有三种：直接燃烧、 燃料电池 和 核聚变 。 氢气 作为燃料时，直接燃烧的唯一产物是水，具有绿色环保的优点。氢在燃料电池方面的应用对于 可再生能源 研究十分重要，包括 太阳能 、 风能 、 潮汐能 、 波浪能 、 地热能 和水力能等在内，这些可再生能源都需要具有“可储存”特性的氢作为能源载体。最后，氢的核聚变是目前仍是一种理想化的产能方式。要想将核聚变作为能源使用，一定要在严格的条件下缓缓释放能量，即称为受控核聚变。利用 核能 的最终目标是要实现受控核聚变。受控核聚变比受控核裂变（现 核电站 主要产能方式）要困难得多，必须同时具备以下3个条件，极高的点火温度、极低的气体密度和超过 1s能量的约束时间。
安全事宜
如果不慎吸入 氢气 可能会引起头晕或窒息。气态氢气易燃，与皮肤接触可能会导致皮肤被烧伤；液态的氢气极低温，与皮肤接触时，会快速吸热导致冻伤。另外，氢气着火可能与其他物质产生刺激性或 有毒气体 。
如遇事故请拨打120或紧急医疗服务。确保医务人员了解所涉及的材料，并采取预防措施保护自己。如果安全的话，将病人转移到空气新鲜的地方。如果病人停止呼吸，给予人工呼吸。如果 呼吸困难 ，应该及时供氧。脱掉并隔离被污染的衣服和鞋子。冻在皮肤上的衣服在脱下之前应该先解冻。接触 液化气 时，用温水解冻磨砂部位。如果发生烧伤，立即用冷水尽可能长时间地冷却受影响的皮肤。如果衣服粘在皮肤上，不要脱掉。保持受害者冷静和温暖。