世界上密度最小的氣體

　　前面介紹了密度最小的金屬，現(xiàn)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(zhì)量只有空氣的1/14，即在0 ℃時(shí)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)多用氦氣填充)。氫氣是相對分子質(zhì)量最小的物質(zhì)，主要用作還原劑。

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

　　19 世紀(jì)50 年代英國醫(yī)生合信(B.Hobson)編寫《博物新編》(1855 年)時(shí)，把"hydrogen"翻譯為“輕氣”，意為最輕氣體。 現(xiàn)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(yīng)和生產(chǎn)氨氣。氫氣分子可以進(jìn)入許多金屬的晶格中，造成“氫脆”現(xiàn)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(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。 醫(yī)學(xué)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(xiàn)。 在化學(xué)史上，人們把氫元素的發(fā)現(xiàn)與“發(fā)現(xiàn)和證明了水是氫和氧的化合物而非元素”這兩項(xiàng)重大成就，主要?dú)w功于英國化學(xué)家和物理學(xué)家卡文迪許(Cavendish，H.1731-1810)。 在化學(xué)史上，有一個(gè)與這些論文稿有關(guān)的有趣的故事?？ㄎ牡显S1785年做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(chǎn)生的二氧化氮用苛性鉀吸收。實(shí)驗(yàn)做了三個(gè)星期，最后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的實(shí)驗(yàn)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(zhì)(氮?dú)?，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(xué)的物理學(xué)家瑞利(Ragleigh，L.1842-1919)測定氮的密度時(shí)，發(fā)現(xiàn)從空氣得來的氮比從氨氧化分解產(chǎn)生的氮每升重0.0064克，百思不得其解。化學(xué)家萊姆塞(Ramsay，W.1852-1916)認(rèn)為來自空氣的氮?dú)饫锩婺芎幸环N較重的未知?dú)怏w。

　　這時(shí)，化學(xué)教授杜瓦(Duvel，J.1842-1923)向他們提到劍橋大學(xué)的老前輩卡文迪許的上述實(shí)驗(yàn)和小氣泡之謎。他們立即把卡文迪許的科學(xué)資料借來閱讀，瑞利重復(fù)了卡文迪許當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)，很快得到了小氣泡。萊姆塞設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)，除去空氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣和氮?dú)夂螅驳玫搅诉@種氣體，密度比氮?dú)獯螅梅止忡R檢查后，肯定這是一種新的元素，取名氬。這樣，卡文迪許當(dāng)年的工作在1894年元素氬的發(fā)現(xiàn)中起了重要作用。從這個(gè)故事可看出卡文迪許嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和他對化學(xué)的重大貢獻(xiàn)。

　　1871年，劍橋大學(xué)建立了一座物理實(shí)驗(yàn)室，以卡文迪許的名字命名，這就是著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，它在幾十年內(nèi)，一直是世界現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要研究中心。 在18世紀(jì)末以前，曾經(jīng)有不少人做過制取氫氣的實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)際上很難說是誰發(fā)現(xiàn)了氫，即使公認(rèn)對氫的發(fā)現(xiàn)和研究有過很大貢獻(xiàn)的卡文迪許本人也認(rèn)為氫的發(fā)現(xiàn)不只是他的功勞。早在16世紀(jì)，瑞士著名醫(yī)生帕拉塞斯就描述過鐵屑與酸接觸時(shí)有一種氣體產(chǎn)生;17世紀(jì)時(shí)，比利時(shí)著名的醫(yī)療化學(xué)派學(xué)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(jìn)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(xué)院的《報(bào)告》上也提到過它。

　　但是，最早把氫氣收集起來，并對它的性質(zhì)仔細(xì)加以研究的是卡文迪許。 1766年卡文迪許向英國皇家學(xué)會(huì)提交了一篇研究報(bào)告《人造空氣實(shí)驗(yàn)》，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(jìn)行研究。他發(fā)現(xiàn)一定量的某種金屬分別與足量的各種酸作用，所產(chǎn)生的這種氣體的量是固定的，與酸的種類、濃度都無關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)氫氣與空氣混合后點(diǎn)燃會(huì)發(fā)生爆炸;又發(fā)現(xiàn)氫氣與氧氣化合生成水，從而認(rèn)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(rèn)為這種氣體是從金屬中分解出來的，而不是來自酸中。他設(shè)想金屬在酸中溶解時(shí)，“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(shè)想氫氣就是燃素，這種推測很快就得以當(dāng)時(shí)的一些杰出化學(xué)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(huì)徐徐上升，這種現(xiàn)象當(dāng)時(shí)曾被一些燃素學(xué)說的信奉者們用來作為他們“論證”燃素具有負(fù)重量的根據(jù)。但卡文迪許究竟是一位非凡的科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(yīng)后燒瓶及內(nèi)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(xué)家仍不肯輕易放棄舊說，鑒于氫氣燃燒后會(huì)產(chǎn)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(cuò)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(shí)起直到18世紀(jì)70年代，人們一直認(rèn)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(xiàn)瓶的內(nèi)壁有露珠出現(xiàn)。同年卡文迪許也用不同比例的氫氣與空氣的混合物反復(fù)進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)這種露滴是純凈的水，表明氫是水的一種成分。這時(shí)氧氣也已發(fā)現(xiàn)，卡文迪許又用純氧代替空氣進(jìn)行試驗(yàn)，不僅證明氫和氧化合成水，而且確認(rèn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jiān)持認(rèn)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(fù)了他們的實(shí)驗(yàn)，并用紅熱的槍筒分解了水蒸氣，明確提出正確的結(jié)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(dāng)做元素的錯(cuò)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(chǎn)生水的”，并確認(rèn)它是一種元素。

　　物理性質(zhì)

　　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(biāo)準(zhǔn)狀況下，1升氫氣的質(zhì)量是0.0899克，相同體積比空氣輕得多)。因?yàn)闅錃怆y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(qiáng)下，溫度-252.87 ℃時(shí)，氫氣可轉(zhuǎn)變成無色的液體;-259.1 ℃時(shí)，變成雪狀固體。常溫下，氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定，不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)條件改變時(shí)(如點(diǎn)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(qiáng)的活性(特別是被鈀吸附)。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強(qiáng)。當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%-75%時(shí)，遇到火源，可引起爆炸。 氫氣是無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dǎo)熱系數(shù)：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(xué)性質(zhì)

　　氫氣常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，在點(diǎn)燃或加熱的條件下能多跟許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 ①可燃性(可在氧氣中或氯氣中燃燒)：2H2+O2=點(diǎn)燃=2H2O(化合反應(yīng)) (點(diǎn)燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸,點(diǎn)燃?xì)錃馇氨仨汄?yàn)純，相似的，氘(重氫)在氧氣中點(diǎn)燃可以生成重水(D2O)) H2+Cl2=點(diǎn)燃=2HCl(化合反應(yīng)) 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(yīng)) 3H2+Fe2O3=高溫=2Fe+3H2O(置換反應(yīng)) 3H2+WO3 W+3H2O(置換反應(yīng))