世界上密度最小的氣體

　　前面介紹了密度最小的金屬，現在我們一起來看一下密度最小的氣體吧

　　密度最小的氣體：

　　氫氣：

　　常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，氫氣的質量只有空氣的1/14，即在0 ℃時，一個標準大氣壓下，氫氣的密度為0.0899 g/L。所以氫氣可作為飛艇、氫氣球的填充氣體(由于氫氣具有可燃性，安全性不高，飛艇現多用氦氣填充)。氫氣是相對分子質量最小的物質，主要用作還原劑。

　　氫氣 (H2) 最早于16世紀初被人工制備，當時使用的方法是將金屬置于強酸中。1766–1781年，亨利·卡文迪許發(fā)現氫元素，氫氣燃燒生成水(2H₂+O₂=2H₂O)，拉瓦錫根據這一性質將該元素命名為 “hydrogenium”(“生成水的物質”之意，"hydro"是“水”，"gen"是“生成”，"ium"是元素通用后綴)。

　　19 世紀50 年代英國醫(yī)生合信(B.Hobson)編寫《博物新編》(1855 年)時，把"hydrogen"翻譯為“輕氣”，意為最輕氣體。 現在工業(yè)上一般從天然氣或水煤氣制氫氣，而不采用高耗能的電解水的方法。制得的氫氣大量用于石化行業(yè)的裂化反應和生產氨氣。氫氣分子可以進入許多金屬的晶格中，造成“氫脆”現象，使得氫氣的存儲罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐爾合金)，設計也更加復雜。 醫(yī)學上用氫氣來治療部分疾病。

　　研究歷史：

　　1766年由卡文迪許(H.Cavendish)在英國發(fā)現。 在化學史上，人們把氫元素的發(fā)現與“發(fā)現和證明了水是氫和氧的化合物而非元素”這兩項重大成就，主要歸功于英國化學家和物理學家卡文迪許(Cavendish，H.1731-1810)。 在化學史上，有一個與這些論文稿有關的有趣的故事。卡文迪許1785年做過一個實驗，他將電火花通過尋?？諝夂脱鯕獾幕旌象w，想把其中的氮全部氧化掉，產生的二氧化氮用苛性鉀吸收。實驗做了三個星期，最后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的實驗記錄保存在留下的文稿中，后面寫道：“空氣中的濁氣不是單一的物質(氮氣)，還有一種不與脫燃素空氣(氧)化合的濁氣，總量不超過全部空氣的1/12.一百多年后，1892年，英國劍橋大學的物理學家瑞利(Ragleigh，L.1842-1919)測定氮的密度時，發(fā)現從空氣得來的氮比從氨氧化分解產生的氮每升重0.0064克，百思不得其解。化學家萊姆塞(Ramsay，W.1852-1916)認為來自空氣的氮氣里面能含有一種較重的未知氣體。

　　這時，化學教授杜瓦(Duvel，J.1842-1923)向他們提到劍橋大學的老前輩卡文迪許的上述實驗和小氣泡之謎。他們立即把卡文迪許的科學資料借來閱讀，瑞利重復了卡文迪許當年的實驗，很快得到了小氣泡。萊姆塞設計了一個新的實驗，除去空氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣和氮氣后，也得到了這種氣體，密度比氮氣大，用分光鏡檢查后，肯定這是一種新的元素，取名氬。這樣，卡文迪許當年的工作在1894年元素氬的發(fā)現中起了重要作用。從這個故事可看出卡文迪許嚴謹的科研作風和他對化學的重大貢獻。

　　1871年，劍橋大學建立了一座物理實驗室，以卡文迪許的名字命名，這就是著名的卡文迪許實驗室，它在幾十年內，一直是世界現代物理學的一個重要研究中心。 在18世紀末以前，曾經有不少人做過制取氫氣的實驗，所以實際上很難說是誰發(fā)現了氫，即使公認對氫的發(fā)現和研究有過很大貢獻的卡文迪許本人也認為氫的發(fā)現不只是他的功勞。早在16世紀，瑞士著名醫(yī)生帕拉塞斯就描述過鐵屑與酸接觸時有一種氣體產生;17世紀時，比利時著名的醫(yī)療化學派學者海爾蒙特(van Helmont，J.B.1579-1644)曾偶然接觸過這種氣體，但沒有把它離析、收集起來;波義耳雖偶然收集過這種氣體，但并未進行研究。他們只知道它可燃，此外就很少了解;1700年，法國藥劑師勒梅里(Lemery，N.1645-1715)在巴黎科學院的《報告》上也提到過它。

　　但是，最早把氫氣收集起來，并對它的性質仔細加以研究的是卡文迪許。 1766年卡文迪許向英國皇家學會提交了一篇研究報告《人造空氣實驗》，講了他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸作用制得“易燃空氣”(即氫氣)，并用普利斯特里發(fā)明的排水集氣法把它收集起來，進行研究。他發(fā)現一定量的某種金屬分別與足量的各種酸作用，所產生的這種氣體的量是固定的，與酸的種類、濃度都無關。他還發(fā)現氫氣與空氣混合后點燃會發(fā)生爆炸;又發(fā)現氫氣與氧氣化合生成水，從而認識到這種氣體和其它已知的各種氣體都不同。但是，由于他是燃素說的虔誠信徒，按照他的理解：這種氣體燃燒起來這么猛烈，一定富含燃素;硫磺燃燒后成為硫酸，那么硫酸中是沒有燃素的;而按照燃素說金屬也是含燃素的。所以他認為這種氣體是從金屬中分解出來的，而不是來自酸中。他設想金屬在酸中溶解時，“它們所含的燃素便釋放出來，形成了這種可燃空氣”。

　　他甚至曾一度設想氫氣就是燃素，這種推測很快就得以當時的一些杰出化學家舍勒、基爾萬(Kirwan，R.1735-1812)等的贊同。由于把氫氣充到氣球中，氣球便會徐徐上升，這種現象當時曾被一些燃素學說的信奉者們用來作為他們“論證”燃素具有負重量的根據。但卡文迪許究竟是一位非凡的科學家，后來他弄清楚了氣球在空氣中所受浮力問題，通過精確研究，證明氫氣是有重量的，只是比空氣輕很多。他是這樣做實驗的：先把金屬和裝有酸的燒瓶稱重，然后將金屬投入酸中，用排水集氣法收集氫氣并測體積，再稱量反應后燒瓶及內裝物的總量。

　　這樣他確定了氫氣的比重只是空氣的9%.但這些化學家仍不肯輕易放棄舊說，鑒于氫氣燃燒后會產生水，于是他們改說氫氣是燃素和水的化合物。 水的合成否定了水是元素的錯誤觀念，在古希臘：恩培多克勒提出，宇宙間只存在火、氣、水、土四種元素，它們組成萬物。從那時起直到18世紀70年代，人們一直認為水是一種元素。

　　1781年，普利斯特里將氫氣和空氣放在閉口玻璃瓶中，用電火花引爆，發(fā)現瓶的內壁有露珠出現。同年卡文迪許也用不同比例的氫氣與空氣的混合物反復進行這項實驗，確認這種露滴是純凈的水，表明氫是水的一種成分。這時氧氣也已發(fā)現，卡文迪許又用純氧代替空氣進行試驗，不僅證明氫和氧化合成水，而且確認大約2份體積的氫與1份體積的氧恰好化合成水(發(fā)表于1784年)。這些實驗結果本已毫無異議地證明了水是氫和氧的化合物，而不是一種元素，但卡文迪許卻和普利斯特里一樣，仍堅持認為水是一種元素，氧是失去燃素的水，氫則是含有過多燃素的水。

　　他用下式表示“易燃空氣”(氫)的燃燒： (水+燃素)+ (水-燃素)→水 易燃空氣(氫) 失燃素空氣(氧) 1782年，拉瓦錫重復了他們的實驗，并用紅熱的槍筒分解了水蒸氣，明確提出正確的結論：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了兩千多年來把水當做元素的錯誤概念。1787年，他把過去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“Hydrogen”(氫)，意思是“產生水的”，并確認它是一種元素。

　　物理性質

　　氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體(在各種氣體中，氫氣的密度最小。標準狀況下，1升氫氣的質量是0.0899克，相同體積比空氣輕得多)。因為氫氣難溶于水，所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外，在101千帕壓強下，溫度-252.87 ℃時，氫氣可轉變成無色的液體;-259.1 ℃時，變成雪狀固體。常溫下，氫氣的性質很穩(wěn)定，不容易跟其它物質發(fā)生化學反應。但當條件改變時(如點燃、加熱、使用催化劑等)，情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性(特別是被鈀吸附)。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當空氣中的體積分數為4%-75%時，遇到火源，可引起爆炸。 氫氣是無色無味的氣體，標準狀況下密度是0.09克/升(最輕的氣體)，難溶于水。在-252 ℃,變成無色液體,-259 ℃時變?yōu)檠┗罟腆w。

　　汽化熱：305 kJ/kg(△Hv ，-249.5℃)臨界密度：66.8 kg/m3氣體密度：0.0899 kg/m3(101.325kPa，0℃)比容：11.12 m3/kg(101.325kPa，21.2℃)導熱系數：0.1289 w/(m·K)(氣體101.325 kPa，0 ℃)、1264 W/(m·K)(液體，-252.8 ℃)比熱容：Cp=14.30 kJ/(kg·K)，Cv=10.21 kJ/(kg·K)(101.325kPa，25℃，氣體)蒸氣壓力：10.67 kPa(正常態(tài)，17.703)53.33 kPa(正常態(tài)，21.621)119.99 kPa(正常態(tài)，24.249 K)粘度：0.010 lmPa·S(氣體，正常態(tài))101.325 kPa (0 ℃)0.040 mPa·s(液體，平衡態(tài)，-252.8 ℃)

　　化學性質

　　氫氣常溫下性質穩(wěn)定，在點燃或加熱的條件下能多跟許多物質發(fā)生化學反應。 ①可燃性(可在氧氣中或氯氣中燃燒)：2H2+O2=點燃=2H2O(化合反應) (點燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸,點燃氫氣前必須驗純，相似的，氘(重氫)在氧氣中點燃可以生成重水(D2O)) H2+Cl2=點燃=2HCl(化合反應) H2+F2=2HF(氫氣與氟氣混合立刻爆炸，生成氟化氫氣體) ②還原性(使某些金屬氧化物還原) H2+CuO Cu+H2O(置換反應) 3H2+Fe2O3=高溫=2Fe+3H2O(置換反應) 3H2+WO3 W+3H2O(置換反應)