氫 (H)

發現史

發現: 1766 · Henry Cavendish

1671年，羅伯特·波義耳發現鐵屑和稀釋酸之間會發生反應，並產生氣體——也就是氫氣。1766年，亨利·卡文迪什同樣利用金屬和酸之間的反應，首次發現氫氣是一種獨立的物質，並將其命名為「易燃氣」。他猜想，「易燃氣」就是當時假想的燃素。1781年，他又發現該氣體在燃燒後會生成水。故此，卡文迪什一般被後世尊為氫元素的發現者。1783年，安東萬-羅倫·德·拉瓦節和皮耶爾-西蒙·拉普拉斯重複並證實了卡文迪什的實驗。拉瓦節為這一元素命名為「Hydrogen」，詞源為希臘文中的「水」（ὑδρο）和「創造者」（-γενής）。在拉瓦節的實驗中，蒸汽在一支用火燒熱的鐵管內流通，高溫下水分子中的質子會對鐵金屬進行無氧性氧化反應，產生氫氣。此反應的方程式如下：Fe + 2H O ⟶ FeO + 2H Fe + H2O -> FeO + H2 2 Fe + 3 2H O ⟶ 2Fe 3O + 3 2H 2Fe + 3H2O -> Fe2O3 + 3H2 3 Fe + 4 2H O ⟶ 3Fe 4O + 4 2H 3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2不少金屬都可以代替鐵，進行以上的化學反應而產生氫氣，例如鋯。1898年，詹姆斯·杜瓦用再生冷卻法及他所發明的真空保溫瓶，首次製成液氫。翌年，他又製成固體氫。哈羅德·尤里於1931年12月發現氘，而歐內斯特·拉塞福、馬克·奧利芬特和保羅·哈特克則在1934年首次製備出氚。尤里的研究小組在1932年發現重水，即含有氘的水。1806年，弗朗斯瓦·伊薩克·德·利瓦製造了第一部以氫氧混合物作為燃料的內燃機──德利瓦引擎。愛德華·丹尼爾·克拉克在1819年發明了氫氣吹管。德貝萊納燈和聚光燈則在1823年被發明。1783年，雅克·沙爾發明了首個氫氣球。1852年，亨利·吉法爾發明了首個以氫氣提供升力的載人飛艇。德國的斐迪南·馮·齊柏林伯爵大力推廣了這一運輸工具，他所設計的飛船稱作齊柏林飛船，於1900年首飛。飛船的常規航班從1910年開始，到了1914年8月第一次世界大戰之始已搭載3萬5千多人，並無重大事故。氫氣飛船在戰時被用於觀測及轟炸。1919年，

用途與應用

氫氣可用於石化或礦物加工，如加氫脫烷基反應、加氫脫硫反應和裂化反應等。它也可以用作工業輔助物質及能量載體。氫作為能量載體目前已經有了初期應用，如氫動力汽車、核融合發電科技等。

同位素

氫有三種天然同位素，分別為氕、氘、氚，記作1H、2H和3H。其他不穩定同位素原子核（4H至7H）可在實驗室中合成，但不存在於自然界中。氕（1H）是最常見的氫同位素，豐度高於99.98%。氕原子不含中子，只含一個質子和一個電子。氘（2H，符號為D）是氫的另一種穩定同位素，其原子核含有一個質子和一個中子。宇宙中幾乎所有的氘皆是在大爆炸中形成的，殘留至今。氘無放射性，亦無毒性。含氘的水分子稱為重水。氘以及含氘的化合物可以在化學實驗及氕核磁共振波譜法溶劑中，作為非放射性標識。在核反應爐中，重水是一種中子減速劑和冷卻劑。氘也有潛力成為商業核融合反應的燃料。氚（3H，符號為T ) 的原子核含有一個質子和兩個中子。氚具有放射性，會β衰變成氦-3，半衰期為12.32年。它的放射性可用於發光顏料，例如夜光鐘錶等（錶玻璃可阻擋其輻射）。因為宇宙射線和大氣氣體的交互作用會造成核轉換，再加上多次核武器試驗的輻射性微塵，所以自然界中存在少量的氚。氚的應用包括：核融合反應、同位素地球化學示蹤劑以及自發光照明器材，並可在化學和生物學實驗中用作放射性標識。4H到7H是在實驗室中合成的不穩定放射性元素，擁有三到六個中子。其中，他們的半衰期分別處於10-22到10-24秒之間。它們的合成方式包括用中子轟炸等。氫是唯一一個同位素各自擁有不同名稱的元素。在放射性研究的早期，其他更重的同位素都有自己的名稱，但至今仍在廣泛使用的就只剩下氘和氚。2H和3H有時會記作D和T，但本來對應於氕（Protium）的符號P，已經是磷的元素符號，所以不再通用。根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的命名指引，D、T、2H和3H均可使用，其2H和3H較為適宜。