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氢的物理性质 原子氢的原子半径量1.00794,原(共价半径子体积14.1)37.1cmp3/mmol,离子半径。比热容101.43×10-3pm(+14J/(),k154g·pKm),(-1熔点); -259.14℃形态不同、,密度各异沸点-252.87℃:气体氢密度,汽化热0.08987451.872g/dmkJ3/,kg液体氢密度,溶解热58.5760.07gkJ/kg3,。固体氢的密度0.088g/cm3,金属氢密度0.6g/cm3。
氢是无色无味无臭的气体,双原子分子;氢是密度最低的气体,只有空气密度的1/14;即便是液态氢也轻得很,1L只有70g,密度约为水的1/14。氢具有很高的扩散速度,在0℃时,氢分子在空气中每秒钟飞驰1.7km,因此导热性能也很好;其他气体元素从高压空间经过多孔物质流入低压空间后,温度都是降低的,唯独氢在此情况下温度升高。氢的沸点很低,很难液化,当温度高于它的临界温度-239.9℃时,即使增加压力也不能使其变成液体。氢难溶于水,常压下0℃时, 100体积的水只能溶进两体积的氢气。但是,在铂、钯、铑、镍等过渡金属及其合金中溶解得多,比如在常温常压下,一单位体积的钯,可溶进850个单位体积的氢;一单位体积的镧镍合金(LaNi5),可溶进985单位体积的氢。氢的晶体结构类型为分子晶体、六方晶系。在高压、低温下的晶体氢能导电,被称为金属氢。但若压力降至100万个大气压以下,或者温度略高于-268.8℃,金属氢便由导体变成绝缘体。氢为反磁性物质,金属氢有超导性。
氢的化学性质 氢的价层电子构型1s1,电负性2.1,第一电子亲和能72.375kJ/mol,第一电离能1310kJ/mol,标准电极势0.00V,氧化数+1、-1,常见化合价+1。 氢的价层电子虽然只有一个,但它却是已经充填到半满的程度,故活泼性介于活泼金属与活泼非金属之间。在常温下,分子氢不活泼,只能跟氟化合,有紫外线照射条件下可与氯化合,在铂粉催化下能跟氧化合;原子氢比较活泼,它不仅可用离子键与活泼金属组成类盐型氢化物,也可用共价键与稀有气体以外的所有非金属组成分子型氢化物,还可以不用任何键,以自己微小的身躯充填到过渡金属晶格内的空隙中,组成金属型氢化物。尤其是氢对氧的亲和力特别强,它是从不活泼金属氧化物中夺取氧的高手,对一些非金属氧化物中的氧,照样也能夺过来。
氢还是打开碳双键和碳三键的一把金钥匙,在进行氢化反应时,可把有机大分子分解为小分子。氢具有可燃性,纯净的氢气在空气中燃烧,产生蓝色火焰;在跟氯气或氧气反应时可以点燃;而且氢占4.5%~45%(体积分数)的氢氧混合气能够爆炸,氢占4%~74.2%(体积分数)的氢与空气的混合气也能够爆炸。正因如此,才使它很快就退出了充填气球和飞艇的舞台。不过,氢虽然容易着火,却不能助燃;相反,很容易灭火,将任何燃着的物质投入纯氢气中,都会立即熄灭。 氢是两性元素,氧化物水的pH值为中性。氢在元素中是一个多面手,既参与形成各种碱,又参与形成各种酸,还可以形成某些盐,更是形成有机物的有生力量。 氢的代表性化合物有:水(H2O,水有3种:氧与氕组成的是普通水,氧与氘组成的称为重水,氧与氚组成的称为超重水)、过氧化氢(又称双氧水,H2O2)、甲烷(CH4)、氨(NH3)、苯(C6H6)、盐酸(HCl)、硫化氢(H2S)与氢氧化钠(NaOH)等。 转化为氦衰变,在核反应方面转化为氦,而且,它不仅在宇宙大爆炸、恒星大爆炸和恒星演化的氢燃烧过程中,以氕、氘、氚3重身份分别参与了对氦、锂、铍、硼等轻元素的合成,还在质子俘获过程中,又分别参与了对锌至汞之间50多种较重元素的合成;也曾在人造多种放射性元素和某些稳定性元素的放射性同位素时充当“炮弹”。
氢的主要用途 ①用氢合成氨、提炼石油和制造硫酸,用氢和煤粉人造石油,用氢与一氧化碳代替木材制造甲醇。 ②用3000℃左右的氢氧焰切割和焊接金属,用金属氢在室温下作为超导体使用。 ③氘、氚是制造氢弹的材料,重水是原子反应堆中理想的中子减速剂和载热剂。用氚发动原子电池组,中间不进行充电就可连续使用20年。 ④超重水在生物研究中作示踪原子,了解生物体内的生理变化和新陈代谢情况。 ⑤用液态氢获得低温,可使氦以外气体变成固体,也用作航天飞机的燃料。 ⑥用氢作燃料、氧为氧化剂的燃料电池,既可以发电又可以供水,不仅能量转化效率最高,可达60%~80%,而且使用寿命长,既可用作民用发电,更是宇 航事业理想的能源。 ⑦氢是人体的常量元素,按质量占体重的10%左右。它参与水、糖、脂肪、蛋白质、核酸与各种酶的组成。氢还是一种对有害自由基的清除剂,而且呼吸含氢2%的空气,可治疗新生儿脑缺血和缺氧损伤;饮用饱和氢水,可治疗心脏移植后的心肌损伤和肾脏移植后的慢性肾病。 氢的制取途径利用稀盐酸或稀硫酸与锌反应,可制备不太纯的氢气;电解氢氧化钾或氢氧化钠,可得到比较纯的氢气。 |
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