氫在科學(xué)技術(shù)和社會中的應(yīng)用與展望

潘國榮

氫元素的性質(zhì)與其它元素相比，具有許多特殊性。因而，除了我們所熟知的氫氣可以用來充填氣球和飛船氣囊外，氫在科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)以及現(xiàn)代社會生活中還有著廣泛的用途。

一、氫在科學(xué)中的應(yīng)用

1.以氫為標(biāo)準(zhǔn)制定科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

（1）以氫離子作為水溶液酸度標(biāo)準(zhǔn)

1909年，丹麥生理學(xué)家索侖生（Srensen）提出用pH來表示水溶液的酸度，它是用氫離子濃度（嚴(yán)格地說是活度）的負(fù)對數(shù)來計算得到的，即 pH=-lg[H+]。pH的范圍是0～14，在常溫下，pH=7為中性溶液，pH>7為堿性溶液，pH<7為酸性溶液。

（2）以水合氫離子為標(biāo)準(zhǔn)制定水合離子的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，

在編制水溶液中水合離子的熱力學(xué)數(shù)據(jù)時，都是以水合氫離子的標(biāo)準(zhǔn)自由能ΔfGm（H+，aq）、標(biāo)準(zhǔn)生成焓ΔfGm（H+，aq）以及標(biāo)準(zhǔn)熵Sm都定為零值作為標(biāo)準(zhǔn)；這個數(shù)值用于氫離子活度為1單位的水溶液；其它離子的這三個熱力學(xué)函數(shù)值是跟氫離子作比較而得的相對值。

（3）以標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極

由于氫電極的電極電勢十分穩(wěn)定，可以用來測定其它半反應(yīng)的電極電勢。1953年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）建議采用標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)氫電極的國際規(guī)定是：在298K下，氣相中H2的分壓為p，液相中H+活度為1（mH+=1.0 mol·kJ-1， γm=1，αH+=1）時的電極電勢φ（H+/H2）=0，即標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位是人為地定為零值的，和氫電極比較而得出其它一切電極的電位。

（4）以氫離子活度測定水溶液中的平衡常數(shù)

許多在水溶液中的熱力學(xué)平衡常數(shù)如酸與堿的電離常數(shù)、水解常數(shù)、指標(biāo)劑常數(shù)等都可以用氫離子活度予以測定。如：

HIn+H2O=In-+H3O+

KHIn=[In-][H+][HIn]

2.從氫的角度建立化學(xué)理論

（1）酸堿電離理論

諾貝爾化學(xué)獎獲得者瑞典科學(xué)家阿侖尼烏斯（Arrhenius）于1884年提出的酸堿電離理論認(rèn)為：在水溶液中，電離時所生成的陽離子全部是氫離子的化合物叫做酸；電離時所生成的陰離子全部是氫氧根離子的化合物叫做堿。H+是酸的特征，OH-是堿的特征。

酸：HNO3→H++NO-3

堿：NaOH→Na++OH-

酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)就是生成鹽和水：

HCl+NaOHNaCl+H2O

（2）酸堿質(zhì)子理論

1923年，丹麥化學(xué)家布朗斯特（Brnsted）和英國化學(xué)家勞瑞（Lowry）各自獨(dú)立提出了他們的酸堿定義，

即酸堿質(zhì)子理論，認(rèn)為：凡是能夠給出質(zhì)子H+的物質(zhì)就是酸；凡是能夠接受質(zhì)子H+的物質(zhì)就是堿。氫離子即質(zhì)子H+可以從一個載體轉(zhuǎn)移給另一個載體，如：

NH+4+NH-2NH3+NH3（液氨中）

HCl（g）+NH3（g）NH+4+Cl-（s）

酸堿反應(yīng)過程就是兩個共軛酸堿對之間相互傳遞質(zhì)子H+的過程。酸堿質(zhì)子理論擴(kuò)大了酸堿反應(yīng)的范圍，適用于任何溶劑體系和無溶劑體系（如氣相反應(yīng)體系）。

（3）以得失氫原子論氧化-還原反應(yīng)

有機(jī)化合物的氧化-還原反應(yīng)可以從得、失氫原子的角度來討論。通常把失去氫原子的反應(yīng)叫做氧化反應(yīng)；得到氫原子的反應(yīng)叫做還原反應(yīng)。因此，有氫原子得、失的反應(yīng)就是氧化一還原反應(yīng)。如

氧化反應(yīng)：

CH3CH2OHCu275℃～300℃H3CHO+H2

還原反應(yīng)：

CH3CH2COOC2H5Na-乙醇CH3CH2CH2OH

（4）以氫粒子體系的推算創(chuàng)立結(jié)構(gòu)化學(xué)理論

氫原子是一個最簡單的原子，原子核只有一個質(zhì)子，核外只有一個電子。最簡單的分子是氫分子離子H+2，兩個原子核只為一個電子聯(lián)系在一起，其鍵能約為267 kJ·mol-1。氫分子是一種最簡單的共價分子，在其中的電子體系也是最簡單的，對它們最容易進(jìn)行理論處理，因而，它們成了創(chuàng)建近代量子理論的原子結(jié)構(gòu)理論和共價分子結(jié)構(gòu)理論的物質(zhì)基礎(chǔ)。量子力學(xué)理論計算應(yīng)用于其它比較復(fù)雜的電子體系所求得的精確結(jié)果，往往都是由氫體系出發(fā)經(jīng)過大量理論推導(dǎo)而求得的。氫原子和氫分子的結(jié)構(gòu)概念在近代結(jié)構(gòu)化學(xué)理論中占有重要的位置。

3.用氫同位素研究反應(yīng)機(jī)理應(yīng)用

氫的兩種同位素氘和氚除了在核反中應(yīng)用外，在研究許多化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的工作中，常常使用氘作為示蹤原子。氚為β-放射體，其半衰期為31±8年，在化學(xué)、醫(yī)藥或生物體系中，常用作人工放射性示蹤原子。

4.氫分子醫(yī)學(xué)

2007年7月，日本醫(yī)科大學(xué)的OhsawaI等在國際著名期刊《自然醫(yī)學(xué)》上率先報道動物吸入2%的氫氣能有效地清除體內(nèi)自由基和顯著地改善腦缺血再灌注損傷，拉開了氫分子醫(yī)學(xué)研究的序幕。氫氣的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究是當(dāng)今國際醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究熱點(diǎn)。氫氣具有極強(qiáng)的還原性，氫分子小，具有強(qiáng)大的穿透能力，可非常容易地進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)如細(xì)胞核和線粒體等任何部位，因為許多抗氧化物質(zhì)難以迅速達(dá)到這些部位而無法實現(xiàn)理想的抗氧化作用，這是奠定氫氣可以用于治療疾病的一個重要特征。氫分子可跨越血腦屏障，這有利于氫氣用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。中國有科學(xué)家認(rèn)為，日常飲用一定量的富氫水，對人們的健康和保健也是很有益處的。根據(jù)目前動物實驗和初步臨床研究，氫氣對人類常見疾病具有理想的治療效果，有望成為臨床治療和預(yù)防保健的新手段。

二、在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

氫在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的用途。

1.固定氮以生產(chǎn)氮肥

目前為止，氫氣在世界上最大的用途是作為工業(yè)原料從空氣中固定氮來合成氨氣以生產(chǎn)氮肥。其中，生產(chǎn)尿素的主要反應(yīng)為：

N2+3H2催化劑高溫、高壓2NH3

2NH3+CO2催化劑高溫、高壓NH4COONH2

NH4COONH2△CO（NH2）2+H2O

2.生產(chǎn)高純硅與貴金屬

在電子工業(yè)與冶金工業(yè)上用來冶煉高純硅及鎢和鉬等貴重單質(zhì)。如下是高純硅生產(chǎn)中的部分有關(guān)化學(xué)方程式：

SiO2+2C3273KSi（粗）+2CO↑

Si（粗）+2Cl2723K～773KSiCl4

SiCl4+2H21373K～1453KSi（純）+4HCl

3.氫在工業(yè)上的其它應(yīng)用

氫在工業(yè)上的應(yīng)用是非常廣泛的，所涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式不再例舉。其它的主要應(yīng)用還包括：（1）在無機(jī)化學(xué)工業(yè)中合成鹽酸、金屬氫化物等；（2）在有機(jī)化學(xué)工業(yè)中，用于合成甲醇、合成人造石油，用于不飽合烴的加成，用于植物油的氫化來合成人造脂肪和人造黃油等；

（3）在石油工業(yè)中用于加氫裂化和氫處理脫硫；

（4）在國防工業(yè)上液態(tài)氫是火箭與導(dǎo)彈等的高能燃料。此外，液態(tài)氫的溫度非常低，因而在低溫實驗法和超導(dǎo)研究中有重要的作用，等等。

三、氫在現(xiàn)代技術(shù)和社會生活中的應(yīng)用

1.原子氫焰用于切割和焊接高熔點(diǎn)金屬

當(dāng)將一注氫氣流吹向電弧時，即在空氣中燃燒，產(chǎn)生非常熾熱的火焰，稱之為原子氫焰，這種火焰可用于切割和焊接熔點(diǎn)高達(dá)5000℃的金屬。

2.作環(huán)保電池原料

氫鎳電池與氫氧燃料電池是在研究新能源基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技產(chǎn)品，是一種新型的化學(xué)能源。鎳氫電池正極為氫氧化鎳，負(fù)極為儲氫合金，電解質(zhì)采用氫氧化鉀溶液。鎳氫電池單顆電芯的電壓為1.2 V。在1995年10月的第31屆東京汽車展覽會上，豐田公司就展出了用鎳氫電池的RAV4電動汽車。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池以鉑為催化劑，以全氟磺酸膜為電解質(zhì)，它同樣能用于汽車甚至飛機(jī)的動力。負(fù)極灌輸氫氣，正極灌輸氧氣，通過催化劑讓它們在電池中反應(yīng)轉(zhuǎn)化為水，并產(chǎn)生電能以開動汽車。我國2008年北京奧運(yùn)會車隊、2010年上海世博會園區(qū)中的百余輛交通車，就是以氫氧燃料電池為動力的。2012年同濟(jì)大學(xué)等共同研制的我國第一架質(zhì)子交換膜氫燃料電池作為動力的無人機(jī)“飛躍一號”，在上海奉賢海邊首次試飛成功。專家說，該無人機(jī)不僅綠色環(huán)保，而且工作溫度低、噪音小、易于維護(hù)，非常適合用于環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域。

3.金屬氫的作用

氫在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)時，都是絕緣體。有人推算，如果氫金屬化變成金屬氫，它可能成為優(yōu)良的高溫超導(dǎo)材料。在超高壓下，金屬氫將會有較高的密度，可以是固態(tài)氫密度的幾倍。因而它有很高的氫貯存量，可作為體積和質(zhì)量都很小的火箭高能燃料。在金屬氫中儲藏的能量是同等質(zhì)量TNT炸藥所儲藏能量的25 倍。

4.核能作用

太陽所發(fā)出的強(qiáng)光，就是氫不斷地發(fā)生核聚變反應(yīng)生成氦時，所釋放出的巨大能量。1克氫聚變成氦放出大約6.3×108kJ能量。太陽每秒鐘大約要消耗500萬噸氫。從太陽誕生至今，若以50億年計，大約已消耗了其5%的氫。1 kg氘和氚的混合物發(fā)生核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量可以使一列火車從地球升到月球。氫彈是利用原子彈爆炸的能量點(diǎn)燃氘、氚發(fā)生核聚變反應(yīng)而再一次爆炸的熱核武器?？梢姎鋸検潜仍訌椡?qiáng)大得多的核武器。用氚發(fā)動原子電池組，中間不進(jìn)行充電就能連續(xù)使用20年。

5.氫氣燃料的優(yōu)點(diǎn)

我們?nèi)绻诶锰柲芑蛘呶⑸锓纸馑戎迫錃獾姆椒ㄉ厦嬗型黄?，能夠大量獲得廉價氫氣的時候，氫氣就可以成為我們?nèi)祟惿罾硐氲母吣墉h(huán)保燃料了。氫氣作為一種二級能源，有許多十分突出的優(yōu)點(diǎn)：

①燃燒發(fā)熱量高，約為汽油的3倍；

②資源豐富，氫的主要來源是水，燃燒后又生成水，循環(huán)快，可以無限循環(huán)使用；

③氫氣無毒害，燃燒后生成水無污染，實現(xiàn)了碳的零排放，是環(huán)保燃料；

④和電力比較，可以儲存，輸送方便，損耗?。?/p>

⑤氫氣是氣體中導(dǎo)熱性最好的，是良好的傳熱載體。

6.負(fù)氫離子H-的功用

（1）作強(qiáng)堿性還原劑

氫元素的電負(fù)性為2.2，處于中間位置，氫原子可以得失一個電子，但是都不容易。負(fù)氫離子H-很容易失去它奪得的電子而體現(xiàn)出較強(qiáng)的還原性，是優(yōu)良的強(qiáng)堿性還原劑。在有機(jī)反應(yīng)中常常用能夠提供負(fù)氫離子H-的物質(zhì)作還原劑如

LiAlH4等。

有關(guān)反應(yīng)如下：

CNLiAlH4

CH2NH2

（2）作人體的抗氧化劑

負(fù)氧離子在醫(yī)學(xué)上有空氣維生素，長壽素的美稱，能有效清除人體自由基，提高機(jī)體抗氧化系統(tǒng)的力量，防衰老，降低血液粘稠，暢通心腦血管，調(diào)節(jié)植物神經(jīng)，改善睡眠的功效。

負(fù)氫離子的抗氧化功效卓越，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的宇宙當(dāng)中最小、最強(qiáng)、最優(yōu)越的抗氧化劑，能有效清除導(dǎo)致各種疾病的元兇——活性氧自由基，延緩衰老，有效對抗人類健康的三大殺手——癌癥、心腦血管疾病、糖尿病，對消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等人體各大系統(tǒng)的疾病都有很好的效果。及川胤昭在《氫的革命》一書認(rèn)為，負(fù)氫離子能作用于線粒體DNA，修復(fù)受損的片段，增強(qiáng)生命動能ATP，提高機(jī)體的代謝能力，增強(qiáng)機(jī)體免疫系統(tǒng)的力量，從而使很多絕癥不再是絕癥。

隨著科學(xué)的發(fā)展，氫的用途將進(jìn)一步得到開拓和發(fā)展，氫這個在元素周期表中居于第一號的元素將會為人類美好的生活做出更大的貢獻(xiàn)。

（收稿日期：2014-12-08）