最轻的气体

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世界上最难的物理题世界上密度最小的气体

前面介绍了密度最小的金属，现在我们一起来看一下密度

最小的气体吧

密度最小的气体：

氢气：

常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味

的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的质量只

有空气的1/14，即在0℃时，一个标准大气压下，氢气的密度

为0.0899g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于

氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充)。氢气是

相对分子质量最小的物质，主要用作还原剂。

氢气(H2)最早于16世纪初被人工制备，当时使用的方法是

将金属置于强酸中。1766–1781年，亨利·卡文迪许发现氢元

素，氢气燃烧生成水(2H₂+O₂=2H₂O)，拉瓦锡根据这一性质

将该元素命名为“hydrogenium”(“生成水的物质”之意，

"hydro"是“水”，"gen"是“生成”，"ium"是元素通用后

缀)。

19世纪50年代英国医生合信()编写《博物新

编》(1855年)时，把"hydrogen"翻译为“轻气”，意为最轻气

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体。现在工业上一般从天然气或水煤气制氢气，而不采用高耗

能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反应

和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢

脆”现象，使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐

尔合金)，设计也更加复杂。医学上用氢气来治疗部分疾病。

研究历史：

1766年由卡文迪许(ish)在英国发现。在化学史

上，人们把氢元素的发现与“发现和证明了水是氢和氧的化合

物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家和物理

学家卡文迪许(Cavendish，H.1731-1810)。在化学史上，有一

个与这些论文稿有关的有趣的故事。卡文迪许1785年做过一个

实验，他将电火花通过寻常空气和氧气的混合体，想把其中的

氮全部氧化掉，产生的二氧化氮用苛性钾吸收。实验做了三个

星期，最后残留下一小气泡不能被氧化。他的实验记录保存在

留下的文稿中，后面写道：“空气中的浊气不是单一的物质(氮

气)，还有一种不与脱燃素空气(氧)化合的浊气，总量不超过全

部空气的1/12.一百多年后，1892年，英国剑桥大学的物理学

家瑞利(Ragleigh，L.1842-1919)测定氮的密度时，发现从空气

得来的氮比从氨氧化分解产生的氮每升重0.0064克，百思不得

其解。化学家莱姆塞(Ramsay，W.1852-1916)认为来自空气的氮

气里面能含有一种较重的未知气体。

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这时，化学教授杜瓦(Duvel，J.1842-1923)向他们提到剑

桥大学的老前辈卡文迪许的上述实验和小气泡之谜。他们立即

把卡文迪许的科学资料借来阅读，瑞利重复了卡文迪许当年的

实验，很快得到了小气泡。莱姆塞设计了一个新的实验，除去

空气中的水蒸气、二氧化碳、氧气和氮气后，也得到了这种气

体，密度比氮气大，用分光镜检查后，肯定这是一种新的元

素，取名氩。这样，卡文迪许当年的工作在1894年元素氩的发

现中起了重要作用。从这个故事可看出卡文迪许严谨的科研作

风和他对化学的重大贡献。

1871年，剑桥大学建立了一座物理实验室，以卡文迪许的

名字命名，这就是著名的卡文迪许实验室，它在几十年内，一

直是世界现代物理学的一个重要研究中心。在18世纪末以前，

曾经有不少人做过制取氢气的实验，所以实际上很难说是谁发

现了氢，即使公认对氢的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许

本人也认为氢的发现不只是他的功劳。早在16世纪，瑞士著名

医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生;17世

纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特(vanHelmont，

J.B.1579-1644)曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收

集起来;波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们

只知道它可燃，此外就很少了解;1700年，法国药剂师勒梅里

(Lemery，N.1645-1715)在巴黎科学院的《报告》上也提到过

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它。

但是，最早把氢气收集起来，并对它的性质仔细加以研究

的是卡文迪许。1766年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研

究报告《人造空气实验》，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸

作用制得“易燃空气”(即氢气)，并用普利斯特里发明的排水

集气法把它收集起来，进行研究。他发现一定量的某种金属分

别与足量的各种酸作用，所产生的这种气体的量是固定的，与

酸的种类、浓度都无关。他还发现氢气与空气混合后点燃会发

生爆炸;又发现氢气与氧气化合生成水，从而认识到这种气体和

其它已知的各种气体都不同。但是，由于他是燃素说的虔诚信

徒，按照他的理解：这种气体燃烧起来这么猛烈，一定富含燃

素;硫磺燃烧后成为硫酸，那么硫酸中是没有燃素的;而按照燃

素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解

出来的，而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时，“它们

所含的燃素便释放出来，形成了这种可燃空气”。

他甚至曾一度设想氢气就是燃素，这种推测很快就得以当

时的一些杰出化学家舍勒、基尔万(Kirwan，R.1735-1812)等的

赞同。由于把氢气充到气球中，气球便会徐徐上升，这种现象

当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素

具有负重量的根据。但卡文迪许究竟是一位非凡的科学家，后

来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题，通过精确研究，证

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明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。他是这样做实验的：

先把金属和装有酸的烧瓶称重，然后将金属投入酸中，用排水

集气法收集氢气并测体积，再称量反应后烧瓶及内装物的总

量。

这样他确定了氢气的比重只是空气的9%.但这些化学家仍

不肯轻易放弃旧说，鉴于氢气燃烧后会产生水，于是他们改说

氢气是燃素和水的化合物。水的合成否定了水是元素的错误观

念，在古希腊：恩培多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、

土四种元素，它们组成万物。从那时起直到18世纪70年代，

人们一直认为水是一种元素。

1781年，普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中，用

电火花引爆，发现瓶的内壁有露珠出现。同年卡文迪许也用不

同比例的氢气与空气的混合物反复进行这项实验，确认这种露

滴是纯净的水，表明氢是水的一种成分。这时氧气也已发现，

卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验，不仅证明氢和氧化合成

水，而且确认大约2份体积的氢与1份体积的氧恰好化合成水

(发表于1784年)。这些实验结果本已毫无异议地证明了水是氢

和氧的化合物，而不是一种元素，但卡文迪许却和普利斯特里

一样，仍坚持认为水是一种元素，氧是失去燃素的水，氢则是

含有过多燃素的水。

他用下式表示“易燃空气”(氢)的燃烧：(水+燃素)+(水-

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燃素)→水易燃空气(氢)失燃素空气(氧)1782年，拉瓦锡重复

了他们的实验，并用红热的枪筒分解了水蒸气，明确提出正确

的结论：水不是元素而是氢和氧的化合物，纠正了两千多年来

把水当做元素的错误概念。1787年，他把过去称作“易燃空

气”的这种气体命名为“Hydrogen”(氢)，意思是“产生水

的”，并确认它是一种元素。

物理性质

氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中，氢气

的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.0899克，相同

体积比空气轻得多)。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气

法收集氢气。另外，在101千帕压强下，温度-252.87℃时，氢

气可转变成无色的液体;-259.1℃时，变成雪状固体。常温下，

氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条

件改变时(如点燃、加热、使用催化剂等)，情况就不同了。如

氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性(特别是被钯吸

附)。金属钯对氢气的吸附作用最强。当空气中的体积分数为

4%-75%时，遇到火源，可引起爆炸。氢气是无色无味的气体，

标准状况下密度是0.09克/升(最轻的气体)，难溶于水。在-

252℃,变成无色液体,-259℃时变为雪花状固体。

汽化热：305kJ/kg(△Hv，-249.5℃)临界密度：66.8kg/m3

气体密度：0.0899kg/m3(101.325kPa，0℃)比容：

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11.12m3/kg(101.325kPa，21.2℃)导热系数：

0.1289w/(m·K)(气体101.325kPa，0℃)、1264W/(m·K)(液

体，-252.8℃)比热容：Cp=14.30kJ/(kg·K)，

Cv=10.21kJ/(kg·K)(101.325kPa，25℃，气体)蒸气压力：

10.67kPa(正常态，17.703)53.33kPa(正常态，

21.621)119.99kPa(正常态，24.249K)粘度：0.010lmPa·S(气

体，正常态)101.325kPa(0℃)0.040mPa·s(液体，平衡态，-

252.8℃)

化学性质

氢气常温下性质稳定，在点燃或加热的条件下能多跟许多

物质发生化学反应。①可燃性(可在氧气中或氯气中燃烧)：

2H2+O2=点燃=2H2O(化合反应)(点燃不纯的氢气要发生爆炸,点

燃氢气前必须验纯，相似的，氘(重氢)在氧气中点燃可以生成

重水(D2O))H2+Cl2=点燃=2HCl(化合反应)H2+F2=2HF(氢气与氟

气混合立刻爆炸，生成氟化氢气体)②还原性(使某些金属氧化

物还原)H2+CuOCu+H2O(置换反应)3H2+Fe2O3=高温=2Fe+3H2O(置

换反应)3H2+WO3W+3H2O(置换反应)