二氢——结构、性质和应用

最轻的元素是氢。在正常情况下，氢气是一种由分子式为H ₂的双原子分子组成的气体。它无色、无味、无毒且极易燃。氢是宇宙中最丰富的化学元素，约占所有正常物质的 75%。恒星，如太阳，主要由处于等离子体状态的氢组成。地球上的大部分氢以分子形式存在，例如水和有机化合物。

The chemical element hydrogen has the symbol H and the atomic number 1.

氢气

二氢是由两个氢原子组成的同核双原子分子。该分子在两个氢原子之间具有共价键，这满足了它们的每一种二重奏构型。二氢是已知最轻的分子，因为氢是现代元素周期表中最轻的元素。在常温常压条件下，氢气以无色、无味、无臭的气体形式存在，在自然界中极易燃烧。

H₂ is the molecular formula for dihydrogen.

氢的结构

二氢分子由两个氢原子组成，它们通过一个共价键连接在一起。该分子是非极性的并且具有线性形状。每个氢原子对共价键贡献一个电子。结果，满足了二氢分子中两个氢原子的二重构型要求。

氢气的性质

• 二氢在 STP 以气态存在。
• 熔点为 14 开尔文。
• 在开尔文标度上，二氢的沸点为 20.3 开尔文。
• H ₂分子的熔化潜热对应于每摩尔0.12千焦耳。
• 氢气的汽化潜热为 0.904 千焦每摩尔。
• H ₂的摩尔热容量约为每摩尔开尔文 28.83 焦耳。
• 当声音通过气态 H ₂时，其速度为每秒 1310 米。

氢气的应用

化学和石油工业中经常需要大量的 H ₂ 。氢气主要用于某些化石燃料的精炼以及氨的生产。石化行业是H ₂的主要消费行业。在该业务中，氢气用于加氢脱硫、加氢脱烷基化和加氢裂化等工艺。

例如，该化合物可用作氢化剂，特别是用于提高不饱和脂肪和油的饱和度。该化合物也用于生产甲醇。类似地，二氢在盐酸生产中用作氢源。 H ₂也是一种还原剂，因此可用于处理金属矿石。

Biochemistry of Dihydrogen: It is not uncommon for dihydrogen to be produced as a byproduct of anaerobic metabolism. Many microorganisms produce this compound as well, usually through chemical reactions catalyzed by enzymes. Hydrogenases are enzymes that catalyze biochemical reactions involving the release of dihydrogen and are known to contain iron or nickel.

氢气作为燃料

氢气具有广泛的应用，包括比柴油和汽油产生更多能量的电化学电池。因此，科学家们创造了氢经济一词，其目标是利用低碳能源。与其他能源相比，这种气体效率高且相对便宜。

氢气的热值和发热量极高。其高热值提供更高的点火温度和更长的火焰维持时间。由于氢气很丰富，它可以用作商业用途非常经济的燃料。燃料电池的功能类似于电池，因为它通过电化学反应发电。氢燃料电池是一种电化学电池，它使用自发的氧化还原反应来产生工作电流。放热是整体反应。当电化学反应的两个半电池电位相加时，结果是正电池电位。

在阳极： H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^-

在阴极： 12O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O

氢经济

John Bockris coined the term hydrogen economy during a 1970 talk. J.B.S. Haldane, a geneticist, first proposed the idea.

氢经济利用氢来使难以电气化的经济部门脱碳。氢气可以使用风能和太阳能等可持续能源从水中制成，其燃烧仅产生水蒸气，使我们能够逐步淘汰化石燃料，同时减少对气候的影响。

氢是一种强大的燃料，经常用作火箭燃料，但许多技术挑战阻碍了大规模氢经济的发展。其中包括开发长期储存、管道和发动机设备的困难；相对缺乏目前可以在氢上安全运行的现成发动机技术；氢燃料与环境空气中的氧气反应性高的安全问题；通过电解生产它的成本很高；缺乏有效的光化学水分解技术。氢也可以在燃料电池中发生反应，燃料电池在与水电解相反的过程中有效地发电。

尽管如此，氢经济正慢慢成为低碳经济的一个次要组成部分。氢气目前主要用作工业原料，主要用于氨和甲醇的生产以及石油精炼。近年来，在大陆、陆上地质环境中发现了更多天然存在的氢，为天然或天然氢的新领域铺平了道路，这将有助于能源转型。

在当今的碳氢化合物经济中，天然气主要用于供暖，石油用于运输。碳氢化合物燃料的燃烧会产生二氧化碳和其他污染物。对能源的需求正在增加，对于最终用户来说，氢气可以成为一种更环保的能源，不会释放颗粒物或二氧化碳等污染物。

氢在重量方面具有高能量密度，但在体积方面具有低能量密度。即使在高度压缩、凝固或液化的情况下，按体积计算的能量密度也只有汽油的 1/4，尽管按重量计算的能量密度大约是汽油或天然气的 3 倍。氢气具有远距离运输和储存可再生能源的潜力，例如风能或太阳能，从而有助于实现长途运输、化学品和钢铁的脱碳。

示例问题

问题1：二氢键的类型是什么？

回答：

The dihydrogen molecule is made up of two hydrogen atoms that are joined together by a single covalent bond.

问题2：二氢分子的形状是什么？

回答：

The dihydrogen molecule has a linear shape and is nonpolar.

问题3：为什么氢气可以用作燃料？

回答：

The calorific value and heat output of hydrogen are extremely high. Its high heating value provides a higher ignition temperature and a longer flame sustaining time. Because dihydrogen is abundant, it can be used as a fuel that is highly economical for commercial use.

问题四：什么是氢经济？

回答：

The hydrogen economy employs hydrogen to decarbonize economic sectors that are difficult to electrify. Hydrogen can be made from water using sustainable energy sources like wind and solar, and its combustion produces only water vapour, allowing us to phase out fossil fuels while reducing climate impact.

问题5：已知最轻的分子是哪个？

回答：

Dihydrogen is the lightest known molecule.