化學識字-宇宙中最多的元素「氫」

按質量計算，氫佔了宇宙總質量的７５%，是宇宙中含量最多的元素。當之無愧的排在元素周期表的第一位(元素周期表的位置其實不是按質量多少排的)；在地球的地殼裡，氫卻只佔總質量的1%，這又是為什麼？故事還要從宇宙的起源——宇宙大爆炸開始說起：

大爆炸理論認為宇宙由大約140億年前發生的一次大爆炸形成， 一開始，宇宙中並沒有分子和原子，只有比原子還要簡單的各種輕粒子，比如夸克、玻色子、光子等，就連中子和質子都沒有（什麼？你沒有看懂？看不懂的跳過！），然後過了０.１秒，宇宙中形成了質子和電子。對！就是０.１秒，要知道在宇宙形成的最開始，時間是以０.００……１秒（共計５０個０）為單位計時的！

形成了電子、質子後，進一步形成了最簡單的原子核和原子，而這個最簡單的原子就是只有一個質子和電子的氫原子（原子中只有一個質子，這才是氫排元素周期表第一位的原因），所以宇宙中最為豐富的元素就是氫元素。

如果以原子個數來計的話，氫原子的個數更是佔到宇宙總原子數的90%以上。那麼別的原子是怎麼來的？為何只有不到10%？

在宇宙中有了質子後，質子（以氫元素的形式）在引力的作用下積聚成原始的恆星，恆星不斷收縮，引力所做的功都轉化為能量，使冰冷的星際氣體溫度升高，進而引發氫原子聚變，產生有兩個質子的氦原子。這種反應就叫核聚變！

熱核反應產生的熱量既使恆星發光發熱，也阻止了恆星進一步收縮。但恆星到了晚年熱核反應速率下降，熱量不足以抵禦萬有引力作用導致繼續收縮，內部壓力和溫度不斷升高，發生進一步熱核反應，產生質子數更多的碳、氧、硅等原子。

核聚變過程會反覆數次，每次都產生更多質子的原子，使得恆星可以繼續苟延殘喘，直至產生成鐵元素。鐵元素在核反應中很穩定，恆星無法從中繼續獲得能量，於是恆星繼續收縮，內部的溫度和壓力不斷增加。此時，一些恆星會發生爆發。這個過程非常劇烈，會產生極高的溫度和壓力，使得鐵元素進一步聚變成銀、金等的重元素，核心成為白矮星或中子星（請注意這些核聚變反應僅僅是在恆星的中心，而外層同樣含有大量的輕元素（質子少的原子），但是外層不會產生核聚變反應，隨著恆星的爆發會大量的拋向宇宙空間，形成星雲。

如果恆星質量過大，坍縮無法阻擋，反而會在一片寂靜中滅亡——形成傳說中的黑洞。由這個過程可以看出越是重得元素（質子數多）在宇宙中含量越稀少，所以非常珍貴,，反之越輕的元素（質子數少）含量就越多。由於我們的宇宙還處於生長期，或者可以說是「嬰兒宇宙」期，所以氫元素是最多的了（什麼？你還是沒有看懂？看不懂的跳過！）。

我們地球並不是在宇宙大爆炸之初就形成的，而是過了約９０億年後由宇宙塵埃積聚而成的，宇宙塵埃來源於之前提到的超新星爆發，超新星在爆發前，形成了大量穩定的鐵元素，又因為鐵元素較重，所以在地球形成的過程中慢慢的沉積到地心，而氫元素由於本身太輕脫離了地球的束縛回到了宇宙。這就是為什麼地球上的氫很少，而地心的主要成分是鐵元素的原因（什麼？你又沒有看懂？你可以回火星去了！）。

地球上的氫雖少，但是生命卻少不了它，首先，誕生了生命的海洋有近１/９的質量是氫；其次，幾乎所有的有機物都含有氫；所以，只要是生命體就不能缺少氫！

早在16世紀就有人注意到了氫氣的存在。曾經接觸過氫氣的也不只一人，但因當時人們把接觸到的各種氣體都籠統地稱作「空氣」，因此，氫氣並沒有引起人們的注意。直到1766年，英國的物理學家和化學家卡文迪什（Cavendish H,1731─1810）用六種相似的反應制出了氫氣。這些反應包括鋅、鐵、錫分別與鹽酸或稀硫酸反應。同年，他在一篇名為「人造空氣的實驗」的研究報告中談到此種氣體與其它氣體性質不同，但由於他是燃素學說的虔誠信徒，他不認為這是一種新的氣體，他認為這是金屬中含有的燃素在金屬溶於酸後放出，形成了這種「可燃空氣」。事實上是傑出的化學家拉瓦錫（對！又是神奇的拉瓦錫！）1785年首次明確地指出：水是氫和氧的化合物，氫是一種元素。人並將「可燃空氣」命名為「Hydrogen」。這裡的「Hydro」是希臘文中的「水」，「gene」是「源」，「Hydrogen」就是「水之源」的意思。而這之前，人們一直以為水是一種元素，是神奇的拉瓦錫把水從元素家族一腳踢了出局！

作為一種高能燃料，氫氣一經發現，人們對其便是又愛又恨。

氫氣燃燒放出的熱量是甲烷的３倍，是汽油的２.５倍。如果用氫氣作為火箭的燃料，會大大降低火箭的重量，提高火箭的飛行能力，別說奔月了，逐日都不是夢想。更重要的是氫氣燃燒後的產物是水，不但對環境沒有影響反而可以回收利用。

可是只有一小部分火箭用的是氫能源，是因為氫氣的製作成本大，儲存極不便利，所以大大阻礙了人們對氫能源的利用。

氫氣是一種密度最低的氣體。常溫常壓下，每立方分米氫氣不到0.09g。作為燃料，裝載和運輸都不方便。另外它同空氣接觸容易引起爆炸，不夠安全。怎樣把氫氣儲存起來備用和運輸，就成為氫能源利用的一項很重要的課題。

一種辦法是在高壓下使氫氣連續冷凍和絕熱膨脹，使之液化成為液態氫。由於液氫的沸點很低，常溫下它的蒸汽壓又很大，所以必須把它裝在特製的高壓容器里儲存，這是利用液氫的一項很大的障礙。

另一種方法是使氫氣與某些金屬生成金屬型氫化物的儲氫方法。例如過渡金屬與氫氣在一定條件下作用，可以得到金屬氫化物，在另一條件下，這類氫化物即回分解成相應的金屬和氫氣。這是一種金屬或合金吸收氫和放出氫的可逆過程，因此叫做可逆儲氫。這類金屬或合金即稱為儲氫材料，但是又增加了燃料的重量。

氫氣不僅難以儲存，還非常危險,在學習化學的時候，老濕會反覆告誡我們「氫氣點燃前一定要先驗純」，其實氫氣的危險遠不止此。標準狀況下氫氣的密度是空氣的1/14，這是氫氣球能夠飛上天的原因。但是，隨著溫度的變化，氫氣和空氣的密度關係會發生反轉。在氫氣剛剛從沸騰的液氫中溢出的時候，它的密度是1.33kg/m3，比周圍的空氣要重一些（0℃的空氣的密度是1.29kg/m3）。於是，剛剛逃出來的氫氣會有一個向外向下流動的趨勢。氣體的擴散速度與氣體分子量的平方根成反比，對於分子量最小的氣體氫氣而言，其擴散速度是所有已知氣體中最快的。這樣快的擴散速度就意味著無論是操作液氫還是氫氣，都不能在封閉空間內進行。對於普通成年人來說，當空氣中的氧氣的含量低於12%的時候，就會出現呼吸困難，意識逐漸消失的情況。在一間密閉的，層高3米，面積為36平方米的實驗室中，如果打翻了一桶重4.6千克的液氫的話，5秒鐘內，就會讓氫氣的濃度達到75%，實驗人員將很難有機會逃出。在這樣高的濃度中，衣服上的靜電、實驗設備電路中的小火花都會讓爆燃的事故在瞬間出現。因此，對氫的使用有非常高的危險性。

偉大的化學老濕預言：如果解決了氫氣的製造、儲存和使用安全問題，你就是未來的世界首富！

最後為具有一定化學知識的人講一個與氫有關的笑話：一天H為了賣弄一下學識，向情人O求愛時說「親愛的，你是O我是H，我倆結合在一起就是幸福的水分子！」O聽聞，馬上質問H「老實交待！另外一個氫原子是誰？」

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