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最轻的化学元素——氢


实验室k / 2019-04-10

       在众多的化学元素中,氢是最轻的。它是元素周期表中的第1个元素(原子序数为1,原子量为1),故又可称其为1号元素。氢是一种无色、无臭和无味的气体。怎样知道它是最轻的呢?我们不妨来做一个实验,大家都知道,用肥皂水和竹管可以吹出一个个透明的肥皂泡。如果我们用金属锌和盐酸发生反应,就会产生氢气。把氢气通入肥皂水中,也会吹出肥皂泡,充满氢气的肥皂泡和普通的(充满空气)肥皂泡有一点不同,那就是充满氢气的肥皂泡在空气中上升得更高。这就是因为氢气特别轻,它只是空气质量的1/29。

       人们利用氢气特别轻这个特性,用它来充气球和飞艇,例如曾经号称世界上最大的飞艇劳斯・安极立司号的里面充填的就是氢气。1924年10月,劳斯・安极立司号飞艇从德国出发,航行了81个小时,航程8000多公里,最后到达美国。因为氢气容易着火和爆炸,很不安全,现在已经用比氢重4倍的氦代替。氦是惰性气体,不会着火。现在,人们只利用氢气球进行高空气象探测;在节日里放飞五彩缤纷的氢气球以点缀节日气氛。

       氢气球为什么会爆炸呢?这是因为氢气能和空气中的氧气发生剧烈化学反应,化合成水。爆炸就是剧烈的伴随光和声音的化学反应。纯净的氢气(即不混杂空气时)是可以安全贮存的。

       除了氧以外,氢气还能与许多非金属元素化合,如生成硫化氢,也可以与金属元素化合,生成金属氢化物,例如氢与金属钠化合,形成了氢化钠。

       氢是宇宙中蕴藏量最丰富的化学元素。繁星灿烂的银河系,包括太阳和它的行星,就是在120~150亿年前由蕴藏量最丰富的氢元素逐渐演变而来的。即在高于7×10(6次方)K(绝对温度)时,氢的原子核发生聚变反应,变成氦的原子核,然后再由氦原子核变为碳原子核和氧原子核,以至于其他许许多多的化学元素。因此,氢往往被认为是化学元素的起源。

       尽管氢在宇宙间的含量特别多,但它在地壳中的蕴藏量并不很丰富,按其丰度只能排行第9位。在地球上氢主要以化合物的形式(如水、碳氢化合物、碳水化合物)存在。游离状态的氢气比较集中的地方有两处:一处是在火山爆发时喷出的气体中;另一处是天然气中。在大气中,氢气含量少于1/10(6次方),大多是各种有机化合物(包括动、植物体的腐败产物)分解所产生的。

       在当今世界上,能源成为人类关注的重大问题。纵观世界能源状况,所利用的主要是石油、煤炭和天然气。它们的蕴藏量毕竟有限,随着世界经济的发展,将被逐渐耗尽,有面临枯竭的危险。石油、煤炭和天然气的燃烧产物给自然界带来严重的环境污染,还给地球带来温室效应,影响生态平衡。

       为摆脱世界性的能源危机,科学家们开始探索氢能源。氢作为能源的优点有:(1)氢的储量丰富,仅利用海水产生的氢气所能提供的能量将比地球上所有化石燃料大9000倍;(2)氢气燃烧以后生成水,它对环境不造成任何污染,因此氢有“无污染能源”的美称;(3)从广义的角度来说,氢能还包括氢的两种同位素(氘和氚)发生核聚变以后释放的能量,它比氢释放的能量要大得多。

       由于氢气是一种无污染的能源,所以首先在汽车行业中试用。氢发动机汽车是1970年开始研制的,从1980年起,日本的研制工作一直领先于欧美。1982年,国际氢能源协会在美国洛杉矶召开国际氢汽车行车距离比赛,日本武藏工业大学研究小组制造的“武藏5号”氢发动机汽车,用80升液氢,行驶了400公里。1990年,武藏大学在日产汽车公司协助下,推出了以氢为燃料,时速可达125公里的新型汽车。现在,美国和德国也正在研制使用氢气为燃料的小型客车。

       现在,各国还在研究将氢气用作飞机燃料。1988年4月,前苏联的一架图154喷气式客机,采用液氢和天然气组成的混合燃料,成功地进行了一次飞行试验,虽然只飞行了21分钟,但却是一次有益的尝试。1990年,前苏联便在国际航空航天技术博览会上展示了第一架以氢为动力的飞机。

       氢一共有三种同位素,它们是氢、氘(dāo,又名重氢)和氚(chuān,又名超重氢)。这三种同位素的原子核含有相同的质子数,都是1,但是所含的中子数却不相同。氢原子核中不含中子,氘原子核含有1个中子,氚原子核含有2个中子,因此它们的质量数分别是1、2和3。在天然的氢气中,氢占99.984%;氘只占0.016%;氚的含量更少,氚大部分是由宇宙射线中的中子和质子轰击上层大气中的氮而形成的。

       氘和氧的化合物称为重水,在原子核反应堆中用作减速剂。这是因为重水能使核反应产生的中子减速,受控制的中子再去引发其他铀原子裂变,使原子核反应才能持续进行,反应堆才能正常运转。否则裂变失控将发生原子爆炸。

       近年来,氘和氚已经成为引人注目的元素,这是因为它们的原子核在高温下可以聚合起来,并放出大量的热能。通常把这一反应称为热核反应,它放出的热能比原子核裂变反应(即原子弹和原子核反应堆所发生的反应)大10倍。

       在地球上,第一次利用热核反应的是氢弹。氢弹里面其实没有氢,里面装的是氘和一颗原子弹。当原子弹爆炸后,它所产生的能量把氘加热到非常高的温度,从而引发了热核反应。

       现在,科学家正在积极地研究能够人为控制的热核反应,希望它能够把热量慢慢地释放出来,称为“受控热核反应”。


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