氢气的性质与用途

水是地球上最普通的液体，几乎无处不在，但构成水分子的氢元素却是宇宙中含量最多的元素。氢气（ $H_2$ ）作为最轻的气体，以其独特的物理性质和丰富的化学活性，在能源、冶金、食品工业等众多领域发挥着不可替代的作用。从实验室里的气泡，到氢能汽车的尾气——只排放水——氢气正在成为现代社会关注的焦点。

氢气的发现

1766年，英国科学家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）将锌放入稀硫酸中，收集到一种能够燃烧的气体，他称之为“可燃空气”。后来，法国化学家拉瓦锡通过实验证明，这种气体燃烧后生成的唯一产物是水，因此将其命名为“氢”，来源于希腊语“水的生成者”之意。

这一发现意义深远：水不是古希腊人所认为的“基本元素”，而是由氢和氧两种元素化合而成的化合物。这彻底颠覆了延续两千年的认知。

氢元素是元素周期表中排在第一位的元素，原子量最小，仅为 $1$ 。氢原子核只有一个质子，结构极为简单，却是宇宙中数量最多的原子，恒星（包括太阳）的主要燃料就是氢的核聚变。

氢气的物理性质

在标准状态下，氢气是一种无色、无味的气体，性质上与空气有几处明显区别。

例题

一个充满氢气的气球为什么会向上飘？

氢气密度约为 $0.0899\,\text{g/L}$ ，而空气平均密度约为 $1.293\,\text{g/L}$ 。充满氢气的气球所受到的浮力大于气球自身重力，因此向上飘升。正是因为氢气是密度最小的气体，在历史上曾被广泛用于气球和飞艇的充气。但由于氢气易燃易爆，现代气球和飞艇改用密度同样较小但化学性质极不活泼的氦气（ $He$ ）。

氢气是所有气体中密度最小的，约是空气密度的 $\dfrac{1}{14}$ ，这一性质使它极易向上扩散，在密闭空间内若发生泄漏，氢气会迅速积聚在顶部，形成安全隐患。

氢气的可燃性

氢气是一种可燃气体，点燃后在空气或氧气中燃烧，产生淡蓝色的火焰，同时放出大量热量。

在空气中燃烧的化学方程式为：

2H_2 + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2H_2O

这个反应的产物只有水，没有任何有害物质生成，因此氢气被认为是一种“清洁能源”。

验证氢气燃烧产物的实验

将点燃的氢气靠近一块干冷的玻璃片，玻璃片上会出现水雾，待玻璃片变干后再放入无水硫酸铜（白色）粉末，粉末变蓝，说明生成了水。

例题

$4\,\text{g}$ 氢气在足量氧气中完全燃烧，理论上可以生成多少克水？（已知 $H$ 的相对原子质量为 $1$ ， $O$ 的相对原子质量为 $16$ ）

根据方程式，在化学计量数之比下，各物质质量比等于相对分子质量之比乘以化学计量数：

2H_2 + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2H_2O

(2 \times 2)\,:\,(2 \times 18) = 4\,:\,36

设生成水的质量为 $x$ ：

\frac{4\,\text{g}}{x} = \frac{4}{36}

x = \frac{4\,\text{g} \times 36}{4} = 36\,\text{g}

$4\,\text{g}$ 氢气完全燃烧可生成 $36\,\text{g}$ 水。

氢气的爆炸性与纯度检验

氢气与空气混合后点燃，当混合比例处于一定范围内时，会发生爆炸。这一现象称为“爆炸极限”。

氢气 ( $H_2$ )
爆炸下限（体积分数）： $4\%$
爆炸上限（体积分数）： $75\%$
天然气（甲烷）( $CH_4$ )
爆炸下限（体积分数）：爆炸上限（体积分数）：

从上表可以看出，氢气的爆炸极限范围非常宽（ $4\%\sim 75\%$ ），说明氢气与空气混合后极易达到爆炸条件，使用时必须格外小心。

点燃前必须检验纯度

实验室收集氢气后，在点燃之前，必须先检验其纯度，确保收集的氢气中混入空气的比例未达到爆炸极限。

检验方法：用拇指堵住收集满氢气的试管口，靠近酒精灯火焰，移开拇指同时点火。

点燃氢气前必须检验纯度，这是实验操作的安全底线。若氢气中混有空气，直接点燃可能引发爆炸，造成人身伤害。检验纯度听到轻微“噗”声才说明氢气已足够纯净。

氢气的还原性

氢气不仅能燃烧放热，还能夺取某些金属氧化物中的氧，使金属从氧化物中“还原”出来。这种能夺取其他物质中氧的性质，称为还原性。

氢气还原氧化铜的实验

将黑色的氧化铜粉末（ $CuO$ ）置于硬质玻璃管中，通入氢气，再用酒精灯加热，观察现象。

CuO + H_2 \xrightarrow{\text{加热}} Cu + H_2O

氢气还原氧化铜实验的口诀：“先通氢气后点火，先撤酒精灯后停气”。两个顺序都不能颠倒，这是保证实验安全和结果准确的关键。

例题

用 $H_2$ 还原 $4\,\text{g}$ 氧化铜，若反应完全，理论上可以得到多少克铜？（ $Cu$ 的相对原子质量为 $64$ ， $O$ 为 $16$ ）

由方程式中各物质的质量比：

CuO + H_2 \xrightarrow{\text{加热}} Cu + H_2O

80 \hspace{2em} 64

$CuO$ 的相对分子质量为 $64 + 16 = 80$ ， $Cu$ 的相对原子质量为 $64$ ，即质量比为 $80 : 64$ 。

设生成铜的质量为 $x$ ：

\frac{4\,\text{g}}{x} = \frac{80}{64}

x = \frac{4\,\text{g} \times 64}{80} = 3.2\,\text{g}

理论上可以得到 $3.2\,\text{g}$ 铜。

氢气的制备

实验室制备

实验室通常用锌片与稀硫酸反应来制备氢气。

Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow

也可以用锌片与稀盐酸反应：

Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow

收集氢气的方法：由于氢气极难溶于水，且密度远小于空气，可以采用排水法（纯度较高）或向下排空气法（密度比空气小，氢气向上收集）收集。

工业制备

工业上大量制备氢气主要有两种途径：

方法	反应原理	原料
电解水法	$2H_2O \xrightarrow{\text{通电}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$

电解水法得到的氢气纯度极高，但耗电量大；工业合成法成本较低，是目前主流的工业氢气生产方式。

电解水制备氢气时，正极产生氧气，负极产生氢气，且氢气的体积是氧气体积的两倍。这与水的化学式 $H_2O$ 中氢、氧原子个数之比 $2:1$ 完全对应，是验证水的组成的经典实验。

氢气的用途

氢气凭借其独特的物理和化学性质，在多个领域都有重要应用。

其中，氢燃料电池是近年来最受关注的应用之一。氢燃料电池将氢气与氧气发生的化学能直接转化为电能，转化效率远高于传统内燃机，且尾气只有水，不排放任何有害气体。

氢气被认为是未来最理想的清洁能源之一。它的燃烧热值极高（每千克约 $142\,\text{MJ}$ ，是汽油的三倍），燃烧产物只有水，不产生 $CO_2$ 等温室气体，对于实现碳中和目标具有重要意义。

练习题

选择题

第一题　下列关于氢气物理性质的描述，正确的是（　　）

A. 氢气是有刺激性气味的气体

B. 氢气密度大于空气，不会向上飘散

C. 氢气极难溶于水，可用排水法收集

D. 氢气在常温下为液态

答案：C

氢气无色无味（A 错误）；氢气密度约为空气的 $\dfrac{1}{14}$ ，远小于空气（B 错误）；氢气极难溶于水，可用排水法收集，纯度较高（C 正确）；氢气的沸点为 $-252.9\,°C$ ，常温下为气态（D 错误）。

第二题　实验室点燃氢气前，必须先检验其纯度，其根本原因是（　　）

A. 氢气纯净时火焰更明亮

B. 混有空气的氢气点燃后可能发生爆炸

C. 纯净的氢气燃烧速度更快

D. 氢气与氧气混合后会自行燃烧

答案：B

氢气的爆炸极限为 $4\%\sim 75\%$ （体积分数），混入空气后点燃极易引起爆炸，造成安全事故。这是点燃前必须检验纯度的根本原因。选项 D 错误：混合气体需要点燃（提供能量）才能燃烧，不会自行燃烧。

第三题　用氢气还原氧化铜的实验中，正确的操作顺序是（　　）

A. 先点燃酒精灯加热，再通入氢气

B. 先通入氢气，再点燃酒精灯；结束时先停通氢气，再撤酒精灯

C. 先通入氢气，再点燃酒精灯；结束时先撤酒精灯，再停通氢气至冷却

D. 先通入氢气，再点燃酒精灯；加热结束后直接停止一切操作

答案：C

正确顺序是“先通氢气后点火，先撤酒精灯后停气”。先通氢气是为了排尽玻璃管内的空气，防止氢气与空气混合点燃时爆炸；结束时先撤酒精灯后继续通氢气至冷却，是为了防止高温下的铜被空气氧化重新变为氧化铜（黑色）。

第四题　下列关于氢气用途的说法，不正确的是（　　）

A. 氢气可以作为燃料，燃烧产物只有水，是清洁能源

B. 氢气可用于还原某些金属氧化物，在冶金工业中有应用

C. 氢气密度小，可用于充气球，现代飞艇也大量使用氢气

D. 氢气可以合成氨，用于生产氮肥

答案：C

氢气密度小，历史上确实用于充气球，但由于氢气易燃易爆，现代飞艇和气球已改用化学性质极不活泼的氦气（ $He$ ），不再使用氢气充填。选项 A、B、D 均为正确表述。

计算题

第五题　实验室用锌片与足量稀硫酸反应制备氢气，现有 $6.5\,\text{g}$ 锌（ $Zn$ ），试计算：

（1）理论上可以生成氢气多少克？

（2）若将这些氢气全部通过足量灼热的氧化铜（ $CuO$ ），理论上可以得到铜多少克？（已知： $Zn$ 的相对原子质量为 $65$ ， $Cu$ 为 $64$ ， $O$ 为 $16$ ，为）

解题过程：

第（1）问：

反应方程式及各物质质量比：

Zn \quad + \quad H_2SO_4 \quad \rightarrow \quad ZnSO_4 \quad + \quad H_2\uparrow

第六题　某次氢气燃烧实验中，点燃一定量的纯净氢气，将燃烧产生的水蒸气全部收集并冷却，得到 $18\,\text{g}$ 水。试计算：

（1）参与反应的氢气质量是多少？

（2）消耗的氧气质量是多少？

（已知： $H$ 的相对原子质量为 $1$ ， $O$ 的相对原子质量为 $16$ ）

解题过程：

写出反应方程式及各物质质量比：

2H_2 \quad + \quad O_2 \quad \xrightarrow{\text{点燃}} \quad 2H_2O

5\%

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