元素的奥秘——氢

从今天起，我们开始探索微观的宇宙。顺着门捷列夫元素周期表一路前行，通过一系列的文章来了解构成这个世界最基本物质的奥秘。

氢是宇宙中分布最广泛，含量最多的元素，没有之一。氢的总质量约占宇宙中所有重子质量的75%，原子数量占到了90%以上。

太阳有73.46%的质量是氢，之所以这个比例比氢在宇宙中的平均含量要低，是因为在这45.7亿多年里，每秒有约600万吨的氢被聚变成了氦（这是我们下一篇文章要介绍的元素）。不仅是太阳，宇宙中绝大多数的恒星基本上都是一颗颗巨大的氢气球。

在地球上，氢的含量要少得多。如果按原子数量算，氢大约占到地球总原子量的17%，看起来不少。但因为氢很轻，所以按质量算，氢只占不到1%。

在地球表面，你很难找到天然游离状态的氢，它们很轻，气态的氢通常位于大气的最外层。有人据氢在地球大气中分子数量的比值来判断说氢只占地球大气总体积的千万分之五，这是不准确的。因为在地球大气的外层，氢的密度极低，所以它据的范围是非常广阔的。由于氢独特的化学性质，它几乎能与所有其它元素发生反应，因此我们可以到处找到氢元素的影子：水分子中就有两个氢；在组成我们身体和大自然所有所机体中，也都有氢的身影。

氢随处可见，似乎没什么秘密可言。

果真如此吗？并不。氢对于我们来说就像是个“熟悉的陌生人”，它有许多秘密有待揭开。

孩子们都喜欢玩气球，将红色的、黄色的、蓝色的气球用细线拴着抓在手里，看它们在半空中飘着，是件十分快乐的事情。

在我们小的时候，气球里面充的是氢气。由于氢很容易燃烧甚至发生爆炸，酿成伤害事故，现在大多以不活泼的氦气来代替了。

历史上最著名的一起氢气爆燃事故还是1937年5月6日的德国兴登堡号飞艇坠毁事件，当这艘长达248米的世界最大飞艇在美国新泽西州海军航空站着陆时，由于静电引发火花，点燃了飞艇内部约20万立方米的氢气和高度易燃的硝酸纤维蒙皮，事故造成36人丧生。

事实上，兴登堡号并不是第一艘也不是唯一一艘被氢气烧毁的飞艇，早在第一次世界大战之前，德国和法国军方就已经有多艘飞艇因氢气燃烧坠毁，造成数以百计的伤亡。为什么德国人不吸取教训坚持要用氢气来造飞艇呢？这一方面是因为当时氦气很稀少，只有美国人有开采，他们不卖；另一方面还是因为氢气比氦气更轻，并且可以大量生产，相比于氦气来说便宜很多。

氢高度易燃，如果空气中混有4~74％的氢，只需一个火星就可以引发爆炸；而如果氯气中有5~95%的氢，甚至阳光都能够引爆它。

正常情况下，氢都会在氧气中安静地燃烧，火焰的颜色接近紫外线，我们几乎看不见它。氢气与氧气燃烧反应的产物是水和大量的热能，因此它可以当作火箭推进的燃料。

氢气分子在大多数情况下是比较稳定的，但是氢原子在高温时则显现出强还原性特征。它不仅能与元素周期表中除惰性气体外的几乎所有元素反应生成氢化物，还能与金属化合物发生反应，在条件合适时，氢还能与有机物发生反应。

这一切都是由氢的特殊化学性质决定的。

氢不同于其它所有的元素，它的原子核里只有一个质子，与之相对应的，氢的原子核外也仅有一个电子。如果氢失去电子，氢就变成H⁺，事实上它就是一个带正电的质子。氢能与几乎所有呈电负性的元素形成化合物，比如在与氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）等卤素元素组成化合物时，氢呈现部分正电荷；而当氢与氟（F）、氧（O）或氮（N）结合时，氢可以以一种中等强度的非共价键的形式与其他类似分子的氢结合，这种现象就是我们常说的氢键。

氢与氟（F）、氧（O）、氮（N）结合时形成的氢键是相应化合物拥有许多独特物理和化学特性的重要原因。

氢也能与金属和准金属形成具有较少电负性元素的化合物，在这些化合物中氢带部分负电荷。这些化合物通常被称为氢化物。

科学家们发现，元素周期表中除了He，Ne，Ar，Kr，Pm，Os，Ir，Rn，Fr和Ra之外，几乎所有元素都能与氢反应形成各种氢化物。这些氢化物通常又被分为离子氢化物（具有显著的离子键合特性）、共价氢化物（包括烃和许多其他与氢原子共价键合的化合物）和具有金属键合的间隙氢化物。

与氢化物极其丰富的形式以及应用相比，氢与碳的结合无疑更具有革命性的意义。

学过高中化学的朋友们也许还记得有机化合物的定义：它是部分含碳化合物，或碳氢化合物及其常见衍生物的总称。有机化合物是地球生命之基。

含碳化合物不一定是有机物，比如二氧化碳、碳酸、碳酸盐、金属碳化物等等属于无机物，但碳氢化合物以及以碳 - 氢键为基础加上其它杂原子组成的化合物阵列都是有机物。有机化合物中的绝大多数除了含有碳外，还含有氢。并且因为碳 - 氢键赋予这类化合物大部分特定的化学特性，所以在化学中“有机”一词的某些定义中需要其拥有C-H键。

DNA的双螺旋结构很大程度上归因于其碱基对之间的氢键（以及pi堆叠相互作用），它将一条互补链连接到另一条互补链并且能够复制。

有的朋友会说，地球上的生命是碳基，外星球有可能不是碳基生命，他们可能是硅基生命。硅在地球上是第三多的元素（占15.1%），但它在宇宙中硅的质量丰度排在第八位。碳是宇宙中丰度第4位的元素，仅排在氢、氦、氧之后，主要原因是碳可以在恒星内部直接由氦聚变合成。

我们知道一个碳原子与四个氢原子组成的烃（CH₄），也就是我们常说的甲烷，是许多其他有机化合物的基体。如果有硅基生物，它的化合物基体是什么？是硅烷（SiH₄）吗？即便硅烷是某些星球上“生命”的基体，它也离不开氢，以及硅 - 氢键所赋予它的化学特性。

目前已知Si-H键强度约为384kJ/mol，比氢气分子H₂中的H-H键弱约20％。尽管硅烷与碳基的甲烷在化学方面有许多类似之处，但硅烷更活泼更不稳定，它能在空气中发生自燃和爆炸。所谓的硅基生命是存有疑问的，或许外星球的一切都与我们相差甚远。

宇宙中有如此多的氢，这些氢是如何产生的？

“大爆炸理论”认为宇宙中如此多的氢是由“奇点爆炸”产生的，这个假说称在“大爆炸”的前三分钟内，宇宙中产生了大量简单的原子核，又过去了数千年后，氢和氦开始形成。尽管“宇宙大爆炸理论”到目前为止已经相当完善，许多科学也都相信它，但它依然只是假说，还有许多谜题等待解开。

我们知道，氢参与了恒星中最开始的核聚变，宇宙中绝大多数其它的重元素都可以由氢到氦再一步一步地聚变形成。同样地，元素在聚变和裂变的过程中也可以释放氢。

氢在地球表面的丰度居第三位，但它大多是以氢化合物或氢化物的形式存在，我们要想得到游离态的氢，需要使用物理或化学的方法从这些物质中将氢分解出来。工业上制取氢的方法有很多，在这里就不一一介绍了。

本文主要介绍了氢这种最基础、最丰富元素的化学性质、氢在宇宙中的重要性，以及氢对于生命的意义。由于篇幅的关系，关于氢的丰富形态以及它强大的同位素，我们将在后续的文章中为你揭示。