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元素的奇妙之旅——氢虽轻,力量却惊人

近日,南京发生一起网红气球炸伤四人的悲剧。氢气易燃易爆,国家明令禁止灌装手持氢气球,但由于氦气的成本较高,商家多用价格较低的氢气冒充氦气。历史上最大的“氢气球”爆炸事件,当属“兴登堡号空难”。 兴登堡号飞艇急于降落导致气囊被划破,氢气外泄,静电火花引燃泄露的氢气并最终导致起火爆炸。今天,我们就来认识一下组成氢气的氢元素。

兴登堡号起火并下沉(来源:Wikipedia)

氢元素的重要性

氢元素是宇宙中最古老、最轻、最丰富的元素。37亿年前,宇宙大爆炸,宇宙大爆炸后的1秒,氢核开始形成,宇宙大爆炸后的379000年,宇宙形成之初的大量亚原子粒子在宇宙温度逐渐下降之后首先结合形成的就是氢原子。

氢是世界上最常见的元素之一,占所有可见物质的75%,宇宙中所有原子的90%以上,对物质世界是必不可少的。人体的大部分都是液体,而这些液体的主要成分就有氢元素,氢元素也是构成糖类、蛋白质 和核酸所不可或缺的,因此,氢对人体是非常重要的。早期地球的大气中充满氢气,含有量达到40%。

氢的发现和氢的性质研究

在化学史上,人们把氢元素的发现主要归功于英国化学家Henry Cavendish 。但是,早在16世纪,瑞士的一名医生就描述过铁屑与酸接触时会产生某种气体。17世纪时,比利时一名医生曾偶然接触过这种气体,但并没有把它收集起来。最早把氢气收集起来,并对它的性质仔细加以研究的是Henry Cavendish。

1766年Henry Cavendish许向英国皇家学会递交了研究报告,报告阐明了他用铁与稀盐酸作用得到“易燃空气”(即氢气),并用排水集气法把它收集起来进行研究,他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸。1800年Nicholson和Carlisle首次发现水能够电解生成氢气和氧气。Henry Cavendish曾一度设想氢气就是燃素,因为把氢气充入膀胱气球,气球会上升。但Henry Cavendish后来明确了气球在空气中所受浮力问题,通过精确研究,证明氢气是有重量的,只是比空气轻很多。

氢的实际应用

在实际应用中,氢必须以压缩的、液化的或固态的方式储存。1970年,荷兰飞利浦实验室 报道发现了LaNi5合金具有常温下可逆吸收和释放氢气的性能,这也导致了电化学储氢的巨大成功。加拿大和欧洲的几个国家利用分子离子交换膜对水进行电分解,据说使氢的生产成本降低到和天然气大体相同的水平。美国夏威夷大学开发出光电化学技术,把薄半导体悬于水中,仅用太阳能就可生产氢。此外,科学家还研究出氢的固态储存方法,利用合金和活性碳材料储氢。

在氢燃料的使用技术方面,美国目前已研制出氢燃料电池和使用氢的发动机。欧洲研究出的第一辆氢能源公共汽车已进行试运行,其液态氢容器只有125升,靠它一次可驶70公里。目前正加以改进,为氢能源更加广泛利用开辟新的途径。

氢燃料电池(来源:Wikipedia)

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