王群光醫師的中道自然醫學

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氫分子生物學【氫氣的發現和理化性質】

1766年,卡文迪什把一篇名為《論人工空氣》的研究報告提交給英國皇家學會。在這一論文中,所論及的除碳酸氣外,主要講的就是氫氣。卡文迪什用鐵和鋅等與鹽酸及稀硫酸反應的方法制取氫氣,並將氫氣用水銀槽法收集起來。他發現,用一定量的某種金屬與足量的各種酸作用。所產生的氫氣量總是固定不變的,與酸的種類和濃度無關。他還發現,氫氣與空氣混合點燃會發生爆炸。所以卡文迪什稱這種氣體為“可燃空氣”。並指出,這種氣體比普通空氣輕11倍,不溶於水或鹼溶液。

1781年,英國化學家普利斯特里在做有關“可燃空氣”的實驗時,發現它和空氣混合爆炸後有液體產生。普利斯特里把這一發現告訴了卡文迪什,卡文迪什用多種不同比例的氫和空氣的混合物進行實驗。證實了普利斯特里的發現,並斷定所生成的液體是水。當氧氣被發現後,他用純氧代替空氣重複以前的實驗,不僅證明氫氣與氧氣化合成水,而且定量地確認大約2體積氫氣與1體積氧氣恰好化合成水,該結果發表於1784年。由於卡文迪什是燃素學說的虔誠信徒,所以他認為,金屬中含有燃素,當金屬在酸中溶解的時候,金屬所含的燃素釋放出來,形成了這種“可燃空氣”。儘管卡文迪什首先發現了氫氣,並首先證明了氫氣和氧氣反應的定量關係,但由於受到傳統理論的束縛,他並沒有正確認識到氫氣發現的重要價值。

法國著名化學家勞倫斯.拉瓦錫重複了卡文迪什的實驗。明確提出正確的結論,水不是一個元素,而是氫和氧的化合物。拉瓦錫於1787年確認氫是一種元素,將這種氣體命名為氫,意思是“成水元素”。

在地球上和地球大氣中只存在極稀少的游離狀態氫氣。泥土中約有1.5%的氫,石油、天然氣、動植物體也含氫氣。在地球表面的空氣中,氫氣約占總體積的5/1000萬。在離地面20~25km的高空,大氣中可能只有氦和氫。




二、氫氣的物理性質

氫通常的單質形態是氫氣,氫氣是無色、無味和無臭的雙原子氣體分子。氫氣的密度非常小,是自然界相對分子質量最小的氣體,比空氣的密度小許多。在標準狀況下(溫度為0℃,壓強為101.325kPa),1L氫氣的質量是0.089g。跟同體積的空氣相比,氫氣質量約是空氣的1/14。利用這一性質,人們曾經用氫氣球作為運輸工具。由於氫氣的密度太低,地球上的氫氣逐漸在大氣中上升,並最後逐漸向宇宙中揮發。

氫氣是非常難液化的氣體,在101.325 kPa下,氫氣在-252.8℃,能變成無色的液體,液體氫具有超導性質。在-259.2℃時,液體氫能變為雪花狀的固體氫。

氫在一般液體中的溶解度比較小。在一定溫度和壓強下,氣體在一定量溶劑中溶解的最高量稱為氣體的溶解度。氣體的溶解度除與氣體特性、溶劑性質有關外,還與溫度、壓強有關。其溶解度一般隨著溫度升高而減少;由於氣體溶解時體積變化很大,故其溶解度隨壓強增大而顯著增大。溶解度常用某一確定溫度條件下1體積溶劑中所溶解的最多體積數來表示。如20℃時101.325 kPa(純氫氣環境)條件下,100ml水中能溶解1.82ml 氫氣,則表示為1.82%等。如果按照摩爾濃度計算。20℃時水中溶解101.325 kPa純氫氣的濃度為0.92mmol/L。有研究提示,與許多氣體不同的是,氫氣的溶解度可能隨著溫度增加而增大。

1803年英國化學家亨利,根據對氣體稀溶液的研究總結出一條經驗定律,稱為亨利定律。根據亨利定律,在一定的溫度和壓強下,一種氣體在液體裡的溶解度與該氣體的平衡壓強成正比。也就是說氣體在液體中的溶解度隨著該氣體的分壓增大而成比例增大。100%的氫氣在同樣條件下在液體中的溶解度是2%的氫氣的50倍。氫在水中的溶解度(0.017%)比氮(0.013%)稍大;氫在脂肪中的溶解度(0.036%)比氮(0.067%)小,大約為氮的1/2;25℃時,氫在乙醇中的溶解度為0.089%,是水中的4倍。雖然氫在水和脂肪中的溶解度很小,但在鎳、鈀和鉬等金屬中的溶解度都很大,1體積的鈀能溶解幾百體積的氫。

由於氫氣相對分子質量小等原因,氫氣滲透性很強,常溫下就可透過橡皮和乳膠管,而在高溫下可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。灌好的氫氣球,往往過一夜,第二天就因為漏氣體積縮小飛不起來了。這是因為氫氣能鑽過橡膠上人眼看不見的小細孔。不僅如此,在高溫、高壓下,氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。而且氫氣具有很強的滲透性,所以當鋼暴露於一定溫度和壓力的氫氣中時,滲透於鋼晶格中的原子氫在緩慢的變形中引起脆化作用。氫氣的這種性質給氫氣的儲存和運輸帶來很大困難。

氫氣的比熱大、導熱性能好。其導熱率比空氣大7倍。在相同的壓力下,氫的比熱是氮的13.6倍,氦的2.72倍。因此,相對於其他氣體,氫的吸熱和導熱性能都比較強。

氫的擴散速度快。根據氣體擴散定律,氣體在液體中的擴散速度和該氣體相對分子質量的平方根成反比。在液體或人體組織中,氫的擴散速度為氮的3.74倍,氦(0.138)的1.41倍。

氫的傳音速度快。在標準狀態下,空氣的傳音速度是331m/s,氦的傳音速度是972 m/s,而氫的傳音速度是1286 m/s。因此,人如果呼吸氫氣,則語音會發生明顯的改變;潛水員呼吸氫氣混合氣體也可以發生語音改變。




三、氫氣的化學性質

氫氣在常溫下化學性質穩定。穩定的化學性質主要決定於組成氫氣的兩個氫原子之間有較強的共價鍵。

氫氣具有可燃性。在點燃或加熱的條件下,氫氣很容易和多種物質發生化學反應。純淨的氫氣在點燃時,可安靜燃燒,發出淡藍色火焰,放出熱量,有水生成。若在火焰上罩一干冷的燒杯,可在燒杯壁上見到水珠。氫氣發生燃燒的體積分數範圍為4%~74%,低於或超過這個體積分數,即使在高壓下也不會燃燒或爆炸。在氧氣環境中,氫氣的燃燒體積分數範圍為4%~94%。當氧氣體積分數低於4%時,即使在非常高的壓力條件下,氫氣和氧氣的混合氣都不會燃燒。人們利用氫氣的這個特點把氫氣用於潛水作業,也可以利用氫氣這些特點設計安全呼吸氫氣的設備。

氫氣具有還原性。氫氣的化學性質活潑,與氧發生化合反應生成水,容易發生燃燒和爆炸。可燃性也是氫氣具有還原性的體現,是氫氣還原氧氣的性質所決定的。氫氣不但能跟氧氣反應,也能跟某些化合物里的氧發生反應。例如:將氫氣通過灼熱的氧化銅,可得到紅色的金屬銅,同時有水生成。在這個反應裡,氫氣奪取了氧化銅中的氧,生成了水;氧化銅失去了氧,被還原成紅色的銅。此反應證明了氫氣具有還原性,是很好的還原劑。氫氣還可以還原其他一些金屬氧化物,如三氧化鎢、四氧化三鐵,氧化鉛和氧化鋅等。

儘管氫氣具有還原性,不等於氫氣在溶液中或生物體內也具有同樣的性質,例如氫氣和氧氣發生燃燒需要氫氣的體積分數為4%以上,燃點為400℃。在人體環境下,氫氣即使在純氫的環境下,溶解在體液中的體積分數也只有1.8%,而由於機體溫度只有37℃,這種條件距離氫氣和氧氣發生反應的條件非常遠,因此氫氣和氧氣在人體內無法發生反應。這正是長期以來人們把氫氣作為生理學惰性氣體的重要原因。

氫氣不僅具有還原性,也具有氧化性。氫氣是由氫原子共價形成的雙原子分子,而每個氫原子可以分別獲得一個電子形成氫負離子,這種情況見於和強還原性金屬發生反應,其作用類似於氯氣。在這類反應中氫氣屬於氧化劑,可以氧化金屬為金屬離子。嚴格意義上講,氫氣和金屬反應的產物為氫化物,這種物質的特點是具有強還原性,非常容易與水發生反應釋放大量氫氣。



參考文獻
(1) 霍金.時間簡史:從大爆炸到黑洞(M)長沙:湖南科學技術出版社,2007
(2) 里格登.氫的傳奇-人類的偉大發現(M)北京:外語教學與研究出版社,2008
(3) 陶恒沂.孫學軍 潛水醫學(M)上海:上海科學技術出版社,2010


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