從今天起，我們開(kāi)始探索微觀的宇宙。順著門捷列夫元素周期表一路前行，通過(guò)一系列的文章來(lái)了解構(gòu)成這個(gè)世界最基本物質(zhì)的奧秘。

氫隨處可見(jiàn)

氫是宇宙中分布最廣泛，含量最多的元素，沒(méi)有之一。氫的總質(zhì)量約占宇宙中所有重子質(zhì)量的75%，原子數(shù)量占到了90%以上。

太陽(yáng)有73.46%的質(zhì)量是氫，之所以這個(gè)比例比氫在宇宙中的平均含量要低，是因?yàn)樵谶@45.7億多年里，每秒有約600萬(wàn)噸的氫被聚變成了氦（這是我們下一篇文章要介紹的元素）。不僅是太陽(yáng)，宇宙中絕大多數(shù)的恒星基本上都是一顆顆巨大的氫氣球。

在地球上，氫的含量要少得多。如果按原子數(shù)量算，氫大約占到地球總原子量的17%，看起來(lái)不少。但因?yàn)闅浜茌p，所以按質(zhì)量算，氫只占不到1%。

在地球表面，你很難找到天然游離狀態(tài)的氫，它們很輕，氣態(tài)的氫通常位于大氣的最外層。有人據(jù)氫在地球大氣中分子數(shù)量的比值來(lái)判斷說(shuō)氫只占地球大氣總體積的千萬(wàn)分之五，這是不準(zhǔn)確的。因?yàn)樵诘厍虼髿獾耐鈱樱瑲涞拿芏葮O低，所以它據(jù)的范圍是非常廣闊的。由于氫獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，它幾乎能與所有其它元素發(fā)生反應(yīng)，因此我們可以到處找到氫元素的影子：水分子中就有兩個(gè)氫；在組成我們身體和大自然所有所機(jī)體中，也都有氫的身影。

氫隨處可見(jiàn)，似乎沒(méi)什么秘密可言。

果真如此嗎？并不。氫對(duì)于我們來(lái)說(shuō)就像是個(gè)“熟悉的陌生人”，它有許多秘密有待揭開(kāi)。

氫氣易燃

孩子們都喜歡玩氣球，將紅色的、黃色的、藍(lán)色的氣球用細(xì)線拴著抓在手里，看它們?cè)诎肟罩酗h著，是件十分快樂(lè)的事情。

在我們小的時(shí)候，氣球里面充的是氫氣。由于氫很容易燃燒甚至發(fā)生爆炸，釀成傷害事故，現(xiàn)在大多以不活潑的氦氣來(lái)代替了。

歷史上最著名的一起氫氣爆燃事故還是1937年5月6日的德國(guó)興登堡號(hào)飛艇墜毀事件，當(dāng)這艘長(zhǎng)達(dá)248米的世界最大飛艇在美國(guó)新澤西州海軍航空站著陸時(shí)，由于靜電引發(fā)火花，點(diǎn)燃了飛艇內(nèi)部約20萬(wàn)立方米的氫氣和高度易燃的硝酸纖維蒙皮，事故造成36人喪生。

事實(shí)上，興登堡號(hào)并不是第一艘也不是唯一一艘被氫氣燒毀的飛艇，早在第一次世界大戰(zhàn)之前，德國(guó)和法國(guó)軍方就已經(jīng)有多艘飛艇因氫氣燃燒墜毀，造成數(shù)以百計(jì)的傷亡。為什么德國(guó)人不吸取教訓(xùn)堅(jiān)持要用氫氣來(lái)造飛艇呢？這一方面是因?yàn)楫?dāng)時(shí)氦氣很稀少，只有美國(guó)人有開(kāi)采，他們不賣；另一方面還是因?yàn)闅錃獗群飧p，并且可以大量生產(chǎn)，相比于氦氣來(lái)說(shuō)便宜很多。

氫高度易燃，如果空氣中混有4~74％的氫，只需一個(gè)火星就可以引發(fā)爆炸；而如果氯氣中有5~95%的氫，甚至陽(yáng)光都能夠引爆它。

正常情況下，氫都會(huì)在氧氣中安靜地燃燒，火焰的顏色接近紫外線，我們幾乎看不見(jiàn)它。氫氣與氧氣燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物是水和大量的熱能，因此它可以當(dāng)作火箭推進(jìn)的燃料。

氫的強(qiáng)還原性

氫氣分子在大多數(shù)情況下是比較穩(wěn)定的，但是氫原子在高溫時(shí)則顯現(xiàn)出強(qiáng)還原性特征。它不僅能與元素周期表中除惰性氣體外的幾乎所有元素反應(yīng)生成氫化物，還能與金屬化合物發(fā)生反應(yīng)，在條件合適時(shí)，氫還能與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)。

這一切都是由氫的特殊化學(xué)性質(zhì)決定的。

氫不同于其它所有的元素，它的原子核里只有一個(gè)質(zhì)子，與之相對(duì)應(yīng)的，氫的原子核外也僅有一個(gè)電子。如果氫失去電子，氫就變成H?，事實(shí)上它就是一個(gè)帶正電的質(zhì)子。氫能與幾乎所有呈電負(fù)性的元素形成化合物，比如在與氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）等鹵素元素組成化合物時(shí)，氫呈現(xiàn)部分正電荷；而當(dāng)氫與氟（F）、氧（O）或氮（N）結(jié)合時(shí)，氫可以以一種中等強(qiáng)度的非共價(jià)鍵的形式與其他類似分子的氫結(jié)合，這種現(xiàn)象就是我們常說(shuō)的氫鍵。

氫與氟（F）、氧（O）、氮（N）結(jié)合時(shí)形成的氫鍵是相應(yīng)化合物擁有許多獨(dú)特物理和化學(xué)特性的重要原因。

氫也能與金屬和準(zhǔn)金屬形成具有較少電負(fù)性元素的化合物，在這些化合物中氫帶部分負(fù)電荷。這些化合物通常被稱為氫化物。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，元素周期表中除了He，Ne，Ar，Kr，Pm，Os，Ir，Rn，F(xiàn)r和Ra之外，幾乎所有元素都能與氫反應(yīng)形成各種氫化物。這些氫化物通常又被分為離子氫化物（具有顯著的離子鍵合特性）、共價(jià)氫化物（包括烴和許多其他與氫原子共價(jià)鍵合的化合物）和具有金屬鍵合的間隙氫化物。

氫是生命之基的重要組成部分

與氫化物極其豐富的形式以及應(yīng)用相比，氫與碳的結(jié)合無(wú)疑更具有革命性的意義。

學(xué)過(guò)高中化學(xué)的朋友們也許還記得有機(jī)化合物的定義：它是部分含碳化合物，或碳?xì)浠衔锛捌涑Ｒ?jiàn)衍生物的總稱。有機(jī)化合物是地球生命之基。

含碳化合物不一定是有機(jī)物，比如二氧化碳、碳酸、碳酸鹽、金屬碳化物等等屬于無(wú)機(jī)物，但碳?xì)浠衔镆约耙蕴?- 氫鍵為基礎(chǔ)加上其它雜原子組成的化合物陣列都是有機(jī)物。有機(jī)化合物中的絕大多數(shù)除了含有碳外，還含有氫。并且因?yàn)樘?- 氫鍵賦予這類化合物大部分特定的化學(xué)特性，所以在化學(xué)中“有機(jī)”一詞的某些定義中需要其擁有C-H鍵。

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)很大程度上歸因于其堿基對(duì)之間的氫鍵（以及pi堆疊相互作用），它將一條互補(bǔ)鏈連接到另一條互補(bǔ)鏈并且能夠復(fù)制。

有的朋友會(huì)說(shuō)，地球上的生命是碳基，外星球有可能不是碳基生命，他們可能是硅基生命。硅在地球上是第三多的元素（占15.1%），但它在宇宙中硅的質(zhì)量豐度排在第八位。碳是宇宙中豐度第4位的元素，僅排在氫、氦、氧之后，主要原因是碳可以在恒星內(nèi)部直接由氦聚變合成。

我們知道一個(gè)碳原子與四個(gè)氫原子組成的烴（CH?），也就是我們常說(shuō)的甲烷，是許多其他有機(jī)化合物的基體。如果有硅基生物，它的化合物基體是什么？是硅烷（SiH?）嗎？即便硅烷是某些星球上“生命”的基體，它也離不開(kāi)氫，以及硅 - 氫鍵所賦予它的化學(xué)特性。

目前已知Si-H鍵強(qiáng)度約為384kJ/mol，比氫氣分子H?中的H-H鍵弱約20％。盡管硅烷與碳基的甲烷在化學(xué)方面有許多類似之處，但硅烷更活潑更不穩(wěn)定，它能在空氣中發(fā)生自燃和爆炸。所謂的硅基生命是存有疑問(wèn)的，或許外星球的一切都與我們相差甚遠(yuǎn)。

氫從哪里來(lái)？

宇宙中有如此多的氫，這些氫是如何產(chǎn)生的？

“大爆炸理論”認(rèn)為宇宙中如此多的氫是由“奇點(diǎn)爆炸”產(chǎn)生的，這個(gè)假說(shuō)稱在“大爆炸”的前三分鐘內(nèi)，宇宙中產(chǎn)生了大量簡(jiǎn)單的原子核，又過(guò)去了數(shù)千年后，氫和氦開(kāi)始形成。盡管“宇宙大爆炸理論”到目前為止已經(jīng)相當(dāng)完善，許多科學(xué)也都相信它，但它依然只是假說(shuō)，還有許多謎題等待解開(kāi)。

我們知道，氫參與了恒星中最開(kāi)始的核聚變，宇宙中絕大多數(shù)其它的重元素都可以由氫到氦再一步一步地聚變形成。同樣地，元素在聚變和裂變的過(guò)程中也可以釋放氫。

氫在地球表面的豐度居第三位，但它大多是以氫化合物或氫化物的形式存在，我們要想得到游離態(tài)的氫，需要使用物理或化學(xué)的方法從這些物質(zhì)中將氫分解出來(lái)。工業(yè)上制取氫的方法有很多，在這里就不一一介紹了。

本文主要介紹了氫這種最基礎(chǔ)、最豐富元素的化學(xué)性質(zhì)、氫在宇宙中的重要性，以及氫對(duì)于生命的意義。由于篇幅的關(guān)系，關(guān)于氫的豐富形態(tài)以及它強(qiáng)大的同位素，我們將在后續(xù)的文章中為你揭示。