氢气(Hydrogen)是世界上已知的最轻的气体。它的密度非常小,只有空气的1/14即在标准状况(1大气压,0℃)下,氢气的密度为0.0899克/升。所以用氢气充灌的气球,必须用手牢牢捉住。否则,只要一撒手它就会缓缓升上天空。灌好的氢气球,往往过一夜,第二天就飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔,溜之大吉。不仅如此,在高温、高压下,氢气甚至可以穿过很厚的钢板。要气球能够在空中飘扬,那么就要在气球内的气体密度较小(比空气小)。
同位素
在自然界中存在的同位素有: H1(氕piē)、H2(氘dāo,重氢)、H3(氚chuān,超重氢)
以人工方法合成的同位素有: 氢4、氢5、氢6、氢7
别名、英文名 氘;Deuterium、Heavy hydrogen.
毒性·安全防护
重氢无毒,有窒息性。
重氢有易燃易爆性,所以对此须引起足够的重视。
氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中,氢气的密度最小。标准状况下,1升氢气的质量是0.0899克,比空气轻得多)。因为氢气难溶于水,所以可以用排水集气法收集氢气。另外,在101千帕压强下,温度-252.87℃时,氢气可转变成无色的液体;-259.1℃时,变成雪状固体。常温下,氢气的性质很稳定,不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时(如点燃、加热、使用催化剂等),情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性(特别是被钯吸附)。金属钯对氢气的吸附作用最强。
总结为: 分子式:H2
沸点:-252.77℃(20.38K)
密度:0.09kg/m3
相对分子质量:2.016
生产方法:电解、裂解、煤制气等
分子量: 4.032
三相点: -254.4℃
液体密度(平衡状态,-252.8℃): 169kg/m3
气体密度(101.325kPa,0℃):0.0899kg/m3
比容(101.325kPa,21.2℃): 5.987m3/kg
气液容积比(15℃,100kPa): 974L/L
压缩系数:
压力kPa
100
1000
5000·
10000
温度℃ 15 50 1.0087
1.0008
1.0060
1.0057
1.0296
1.0296
1.0600
1.0555
临界温度: -234.8℃
临界压力: 1664.8kPa
临界密度: 66.8kg/m3
溶化热(-254.5℃)(平衡态):48.84kJ/kg
气化热△Hv(-249.5℃): 305kJ/kg
比热容(101.335kPa,25℃,气体):Cp=7.243kJ/(kg·K)
Cv=5.178kJ/(kK·K)
比热比(101.325kPa,25℃,气体): Cp/Cv=1.40
蒸气压力(正常态,17.703): 10.67kPa
(正常态,21.621): 53.33kPa
(正常态,24.249K): 119.99kPa
粘度(气体,正常态,101.325kPa,0℃):0.010lmPa·S
(液体,平衡态,-252.8℃):0.040mPa·s
表面张力(平衡态,-252.8℃): 3.72mN/m
导热系数(气体101.325kPa,0℃):0.1289w/(m·K)
(液体,-252.8℃):’ 1264W/(m·K)
折射系数nv(101.325kPa,25℃): 1.0001265
空气中的燃烧界限: 5%~75%(体积)
易燃性级别: 4
毒性级别:0
易爆性级别: 1
重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体,是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%~0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同。但因质量大,反应速度小一些。
主要性能 高燃烧性,还原剂,液态温度比氮更低
a. 可燃性:
纯氢的引燃温度为400℃。
氢气在空气里的燃烧,实际上是与空气里的氧气发生反应,生成水。
2H2 O2=2H2O(点燃)
这一反应过程中有大量热放出,火焰呈淡蓝色。燃烧时放出热量是相同条件下汽油的三倍。因此可用作高能燃料,在火箭上使用。我国长征3号火箭就用液氢燃料。
不纯的H2点燃时会发生爆炸。但有一个极限,当空气中所含氢气的体积占混合体积的4%-74.2%时,点燃都会产生爆炸,这个体积分数范围叫爆炸极限。
用试管收集一试管氢气,然后用燃着木条放到试管口,如果听到轻微的“噗”声,表明氢气是纯净的。如果听到尖锐的爆鸣声,表明氢气不纯。这时需要重新收集和检验。
如用排气法收集,则要用拇指堵住试管口一会儿,使试管内可能尚未熄灭的火焰熄灭,然后才能再收集氢气(或另取一试管收集)。收集好后,用大拇指 堵住试管口移近火焰再移开,看是否有“噗”声,直到试验表明氢气纯净为止。
氢气在空气中燃烧会发出淡蓝色的火焰,其装置就是直接在玻璃尖管中点燃,那么我们真的能看到淡蓝色的火焰吗?
在玻璃里,含钠离子,而钠离子的焰色却是黄色的,所以,用上述方法只能看到黄色的火焰,却不能看到淡蓝色的火焰。如果要实现淡蓝色的火焰,可采取以下方法:
方法一:用石英导管(天价,不适于普通中学的实验室)
方法二:用铜管(具有欺骗成分,因为铜元素的焰色为绿色,而且铜能导热,对用橡皮管连接铜管,点燃时会影响气密性)
方法三:用小试管,直接在小试管中加入镁与硫酸,在试管口点燃(对于刚接触化学的中学生,以他们的实验操作能力,对反应如此剧烈的实验,似乎要求太高)
b. 还原性
氢气与氧化铜反应,实质是氢气夺取氧化铜中的氧生成水,使氧化铜变为红色的金属铜。
CuO H2=Cu H2O(加热)
CO 3H2=CH4 H2O(催化剂)
在这个反应中,氧化铜失去氧变成铜,氧化铜被还原了,即氧化铜发生了还原反应。这种含氧化合物失去氧的反应,叫做还原反应。能夺取含氧化物里的氧,使它发生还原反应是的物质,叫做还原剂。还原剂具有还原性。
根据氢气所具有的燃烧性质,它可以作为燃料,可以应用与航天、焊接、军事等方面;根据它的还原性,还可以用于冶炼某些金属材料等方面。
此外,氢气与有机物的加成反应也体现了氢气的还原性,如
CH2=CH2 H2→CH3CH3
安全注意事项 氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体,和氟、氯、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险,其中,氢与氟的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸,与氯的混合比为1:1时,在光照下也可爆炸。氢由于无色无味,燃烧时火焰是透明的,因此其存在不易被感官发现,在许多情况下向氢气中加入乙硫醇,以便感官察觉,并可同时付予火焰以颜色。氢虽无毒,在生理上对人体是惰性的,但若空气中氢含量增高,将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样,直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧,并有可能和空气一起形成爆炸混合物,引发燃烧爆炸事故。