此条目的主題是氫氣（H
2 ）的性質。关于氫元素的性質，請見「
氢 」。
氢气 是氢 元素标准状况 下以气态 形式存在的物质，化学式为H2 ，由两个氢原子构成，又称分子氢。氢气是最轻的气体，可用于氣球 填充中，但后来因其浮力而使用的氢气被逐渐替换为危险性较小的不可燃气体氦气。氢气也曾用于肉制品的保鲜。氢气的英语hydrogen来自希腊语的ὕδωρ γεννᾰν
最先记录氢气制备的科学家是帕拉塞尔斯 ，他将硫酸 倒至铁粉 上发现了这种气体，但当时他并不知道实验中放出的气体的具体性质。后来，英国科学家亨利·卡文迪什 用不同的金属 重复了帕拉塞尔斯的实验，发现产生的气体和空气 不同，其密度小且可燃，他称这种气体为“可燃性空气”，并发现其燃烧生成水 。法国化学家拉瓦锡 确认了卡文迪什的发现，提出用“氢气”（hydrogène）一词来取代“可燃性空气”。
氫氣分子由兩個氫原子透過一個σ鍵組成，鍵長約74.14 pm。基態之氫氣分子的σ鍵由兩個氫原子分別貢獻一個1s軌域的電子參與鍵結，並形成σ軌域 。而氫分子以及其陽離子（H2 + 陽離子）因為結構簡單，而成為科學家在研究化學鍵 本質時所用的重要對象。早在量子力學發展成熟整整半個世紀以前，詹姆斯·克拉克·馬克士威 就觀察到了氫氣分子的量子效應。他注意到，H2 的熱容量 在低於室溫的溫度下，開始偏離雙原子氣體的性質，在極低溫下更像單原子氣體。根據量子理論，這一現象源自於分子旋轉能級之間的間距。在質量尤其低的H2 分子中，能級之間的間距特別大。在低溫下，較大的能級間距使得熱量無法均分 到分子的旋轉運動上。由更重的原子所組成的雙原子氣體會有較小的能級間距，所以在低溫下不呈現這種現象。[ 2]
氫氣分子在哈密顿算符 中可以表示為：
H ^ = − ℏ 2 2 M Δ R 1 − ℏ 2 2 M Δ R 2 − ℏ 2 2 m Δ r 1 − ℏ 2 2 m Δ r 2 + e 2 | R 1 − R 2 | + e 2 | r 1 − r 2 | {\displaystyle {\hat {H}}=-{\frac {\hbar ^{2}}{2M}}\Delta _{R_{1}}-{\frac {\hbar ^{2}}{2M}}\Delta _{R_{2}}-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\Delta _{r_{1}}-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\Delta _{r_{2}}+{\frac {e^{2}}{|\mathbf {R} _{1}-\mathbf {R} _{2}|}}+{\frac {e^{2}}{|\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}|}}} − e 2 | R 1 − r 1 | − e 2 | R 1 − r 2 | − e 2 | R 2 − r 1 | − e 2 | R 2 − r 2 | {\displaystyle -{\frac {e^{2}}{|\mathbf {R} _{1}-\mathbf {r} _{1}|}}-{\frac {e^{2}}{|\mathbf {R} _{1}-\mathbf {r} _{2}|}}-{\frac {e^{2}}{|\mathbf {R} _{2}-\mathbf {r} _{1}|}}-{\frac {e^{2}}{|\mathbf {R} _{2}-\mathbf {r} _{2}|}}} 其中M為質子的質量、m為電子的質量、R i {\displaystyle \mathbf {R} _{i}} r i {\displaystyle \mathbf {r} _{i}}
H2 Molecular Orbital Diagram 氫氣分子是最小、結構最簡單的分子，由兩個氫原子透過一個σ鍵組成，鍵長約74.14 pm。由於每個氫原子都有1個1s軌域電子，因此，2個氫原子各用一個1s軌域的電子參與鍵結。在分子軌域圖中，其可以表示如右圖，其中左側和右側為原本的原子軌域、中間是鍵結後對應的分子軌域、左側坐標軸的縱軸代表軌域的能量、並用箭頭表示該軌域中的電子，箭頭方向表示電子自旋 的方向。
當2個s軌域 端對端重疊後，所形成的分子軌域為σ軌域 ，當電子填入氫氣分子的σ軌域時，電子出現機率最高之處位在兩個氫原子核中心連線中間的位置。
相反的，兩個1s軌域也有可能是以反向的方式結合，其所形成的波則互相干涉抵消，而形成反鍵軌域，稱為σ*軌域，電子填入σ*軌域時，電子出現在兩個氫原子核中心連線中間位置的機率降為0，因此形成一個波節。σ*軌域的能量比σ軌域高，因此在基態的情況下，電子填入氫氣分子的分子軌域時，不會優先填到這個軌域。
在分子軌域理論中，氫氣的電子排佈為1σg 2 ，其鍵級為(2-0)/2 = 1。其光電子譜在16至18eV之間有一組多重峰[ 3]
電子填入氫氣分子的分子軌域時會先從低能量的σ軌域 開始填，而σ軌域 可以容納2個電子，氫氣分子共有兩個電子，因此電子在基態的氫氣分子將會填滿σ軌域 。[ 4]
雙原子氫分子有兩個原子核 相對自旋 不同的自旋異構體 。[ 5] [ 6] 激發態 ，而非穩定態，所以無法純化分離出來。在極低溫度下，處於平衡狀態的氫幾乎完全由仲氫組成，如在25K下仲氫的含量為99.01%；隨著溫度的升高，正氫和仲氫的平衡比例趨向于3:1。[ 7] 熱容 上有很大的差異。[ 8] 亞甲基 ，但它們在熱力屬性上的差別極小。[ 9]
在沒有催化劑的情況下，正氫和仲氫之間的轉換速率隨著溫度的升高而增加，所以急速冷卻的氫會含有高比例的正氫，且這些正氫會非常緩慢地轉變為仲氫。[ 10] 液氫 的製備和儲存十分重要：正氫向仲氫的轉化是一個放熱過程 ，其產生的熱量足以使一部份液氫蒸發並流失出去。在氫冷卻過程中協助正、仲氫轉化的催化劑 有：三氧化二鐵 、活性炭 、鉑石棉 、稀土金屬 、鈾化合物、三氧化二鉻 及某些鎳化合物等等[ 11] [ 12]
锌和酸反应产生氢气 在实验室里，氢可以通过活泼金属和稀酸反应，或者两性金属和碱的溶液反应得到。[ 13]
Zn + H 2 SO 4 ⟶ ZnSO 4 + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Zn\ +H2SO4->ZnSO4\ +H2\uparrow }}} 2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O ⟶ 2 Na [ Al ( OH ) 4 ] + 3 H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2Al\ +2NaOH\ +6H2O->2Na[Al(OH)4]\ +3H2\uparrow }}} 對水進行電解.淡水.鹽水.海水.處理過的汙水,搭配相對的觸媒電極片,都能電解出氫氣，以很容易地製成氫氣。[ 13] 鉑 等惰性金屬，以避免與氫氣發生反應。如果製成的氫氣須要當場用來燃燒，則氧氣可助燃，所以陽極也應該用惰性金屬作為材料。理論上的最大能源效率，即產出的氫氣所含潛在能量佔投入電能的比例，為80%至94%。[ 14]
2 H 2 O ⟶ 2 H 2 ↑ + O 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2H2O->2H2\uparrow +O2\uparrow }}} 用鋁鎵 合金製成的顆粒，加入水中，會產生氫氣。這一反應也會產生氧化鋁 ，但用於防止顆粒表面形成氧化層、成本較高的鎵在反應之後可以回收再用。這一反應有潛力成為氫能經濟的基礎，因為氫氣可以在現場生成，無須運輸。[ 15]
在眾多氫氣製備方法中，經濟效益最高的是從碳氫化合物中提取出氫氣。商業上，一般是對天然氣 進行蒸汽重整 來大規模生產氫氣。[ 16] 甲烷 會發生反應，產生一氧化碳 和氫氣：
CH 4 + H 2 O ⟶ CO + 3 H 2 {\displaystyle {\ce {CH4 + H2O -> CO +3H2}}} 以上的反應在低壓進行時效率更高，但卻通常在高壓下進行（2.0MPa ，20atm ，600inHg ），因為高壓氫氣是市場上最為普及，且變壓吸附 （ 英语 ： Pressure Swing Adsorption ） 甲醇 及其他相關的化合物，所以也稱為合成氣 。甲烷以外的碳氫化合物也可以用來製造合成氣，但產物比例可能會有所不同。在缺水的情況下，焦炭就會形成，影響合成氣的產量：
CH 4 ⟶ C + 2 H 2 {\displaystyle {\ce {CH4 -> C + 2H2}}} 因此，在進行蒸汽重整過程時，通常應注入過量的蒸汽。利用水氣轉移反應 （ 英语 ： water gas shift reaction ） 氧化鐵 作為催化劑，可從蒸汽中提取出更多的氫氣。蒸汽重整也是二氧化碳 的一大工業來源：[ 16]
CO + H 2 O ⟶ CO 2 + H 2 {\displaystyle {\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}} 氫氣的其他生產方法還包括，碳氫化合物的部份氧化反應：[ 17]
2 CH 4 + O 2 ⟶ 2 CO + 4 H 2 {\displaystyle {\ce {2CH4 + O2 -> 2CO + 4H2}}} 以及對煤炭反應的碳產物進行以上的轉移反應：[ 16]
C + H 2 O ⟶ CO + H 2 {\displaystyle {\ce {C + H2O -> CO + H2}}} 氫氣在生產後，有時會在同一道工業程序中直接被使用，期間不經分離。在用於生產氨 的哈柏法 中，氫氣是從天然氣中提取出來的。[ 18] 電解 ，在產生氯氣的同時，也會生成氫氣作為副產品。[ 19]
氢气球爆炸 氫 氣的燃點 雖然高達攝氏 573.6度，由於氫 氣的比熱 低，只要吸收 一點熱量 ，就能瞬間達到燃燒 所需要的溫度 ，不過非發煙 式且低於573.6°C 的高溫 不會使氫 氣燃燒 ，所以說氫 氣只是閃火點 低而氢 气在普通条件下是动力学 稳定 的，如和氧气 混合并无明显反应，但其混合物 在火花的引发下会发生链式反应 并爆炸。[ 13]
2 H 2 + O 2 ⟶ 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {2 H2 + O2 -> 2 H2O}}} 氢气和卤素也能直接反应，反应的剧烈程度随着卤素的活泼性的升高而加剧，如氢气和氯气 反应可由光或热引发，而和氟气 在黑暗处接触即可爆炸：[ 20]
H 2 + Cl 2 ⟶ 2 HCl {\displaystyle {\ce {H2 + Cl2 -> 2 HCl}}} H 2 + F 2 ⟶ 2 HF {\displaystyle {\ce {H2 + F2 -> 2 HF}}} 除了非金属外，活泼金属（如钠 、钙 、铀 等）也能和氢气反应，生成氢化物：[ 20]
Ca + H 2 ⟶ CaH 2 {\displaystyle {\ce {Ca + H2 -> CaH2}}} 氢气可以将活动性顺序表中锰及锰之后的元素的氧化物还原为单质，对于变价金属也可以得到部分还原的物质，以氧化铁 为例，被氢气还原在325 °C以下得到的是四氧化三铁 ，在此温度之上得到金属铁 ：[ 20]
3 Fe 2 O 3 + H 2 ⟶ 2 Fe 3 O 4 + H 2 O {\displaystyle {\ce {3 Fe2O3 + H2 -> 2 Fe3O4 + H2O}}} Fe 2 O 3 + 3 H 2 ⟶ 2 Fe + 3 H 2 O {\displaystyle {\ce {Fe2O3 + 3 H2 -> 2 Fe + 3 H2O}}} 金属盐也可以被氢气还原，较为容易被还原的有氯化钯 等物质，在溶液中即可反应：[ 20]
PdCl 2 ( aq ) + H 2 ⟶ Pd ↓ + 2 HCl {\displaystyle {\ce {PdCl2(aq) + H2 -> Pd v + 2 HCl}}} H2 可以直接作为配体，和金属形成配合物 。例如氯化氢化双(dppe)铁和氟硼酸钠 在氢气氛围中反应，可以得到H2 配合物：[ 21]
HFeCl ( dppe ) 2 + NaBF 4 + H 2 ⟶ [ HFe ( H 2 ) ( dppe ) 2 ] BF 4 + NaCl {\displaystyle {\ce {HFeCl(dppe)2 + NaBF4 + H2 -> [HFe(H2)(dppe)2]BF4 + NaCl}}} 不饱和烃 如烯烃 或炔烃 可以和氢气发生加成反应 得到相应的烷烃 ，这一反应通常由镍 、铂 催化剂催化；如果要完成部分氢化，可以采用林德拉催化剂 ，如毒化的Pd-CaCO3 。[ 22]
CH3 CH2 C≡CCH2 CH3 + H2 —Lindlar cat. 3 CH2 CH=CHCH2 CH3 芳香烃作为不饱和烃的一种，也能和氢气发生加成反应[ 23] 环己烯 一步上：[ 24]
C6 H6 + 3 H2 —Ni 6 H12 C6 H6 + 2 H2 —Ru cat. 6 H10 石油和化學工業都需要大量的氫氣，其中以化石燃料 加工及經哈伯法 生產氨 為主要應用。在石油化工廠中須消耗氫氣的過程有：加氫脫烷基反應 、加氫脫硫反應 和裂化反應 等。氫氣可以用來對非飽和脂肪和油類進行氫化，增加飽和程度（如固體植物牛油），也可以用於生產甲醇 和氫氯酸 。氫氣可以對金屬礦物進行還原。[ 25]
氫氣極易溶於許多稀土金屬 和過渡金屬 之中，[ 26] 非晶態金屬 。[ 27] 可溶性 受到了晶格 局部變形和雜質的影響。[ 28] 鈀 圓盤上通過，提高氫氣的純度。不過，氫氣在金屬中的溶解會導致氫脆 現象，[ 29] [ 30]
除了用在化學反應中以外，氫氣在物理學和工程學上也有廣泛的應用。它在一些焊接 方法中可用作保護氣體，例如原子氫焊接法 。[ 31] [ 32] 熱容量 和熱導率 亦為所有氣體中最高，很適合用作發電機 的轉子冷卻劑。液氫可用於低溫物理學 中，例如對超導現象 的研究。[ 33]
氫氣和氮氣混合後稱為合成氣體 ，可以作為示蹤氣體，用於探測微小的漏氣點，在汽車、化學、發電、航空航天和電信等工業中都有應用的空間。[ 34] [ 35]
氫可以用來飽和無定形碳 和無定性矽 的斷鍵（懸鍵），使物質屬性變得更加穩定。[ 36] 電子供體 ，包括：ZnO 、[ 37] [ 38] SnO2 、CdO 、MgO 、[ 39] ZrO2 、HfO2 、La2 O3 、Y2 O3 、TiO2 、SrTiO3 、LaAlO3 、SiO2 、Al2 O3 、ZrSiO4 、HfSiO4 和SrZrO3 等。[ 40]
氘和氚同位素也有其各自的特殊應用。氘可用於核聚變 反應中，也可用作核裂變 反應的中子減速劑 。[ 41] [ 42] 核反應爐 所產生的氚可以用來製造氫彈 ，[ 43] [ 44] 輻射源 。[ 45]
1990年國際實用溫標 （ITS-90）把氫在平衡態下的三相點 溫度定義為13.8033 K，從而為開爾文 溫標定下了國際標準。[ 46]
氫能車 氫本身並不是一種能源資源。[ 47] 飛艇 都曾經用氫氣來提供升力。[ 48] 興登堡號空難 造成36人死亡後，氫氣在載人飛艇 及氣球填充上的應用已被較穩定的氦氣 所完全取代。[ 49]
利用氘或氚同位素來進行核聚變 發電的技術，目前還遠沒有達到發展成熟的階段。[ 50] 核聚變 反應，但要在地球上穩定控制這一過程卻是極為困難的。[ 51] [ 47]
液氮和壓縮氫氣的單位體積所含能量密度 比傳統燃料低得多，但單位質量所含能量密度卻更加高。[ 47] [ 52] 二氧化碳 進行收集及封存 。[ 53] 氮氧化物 以外，[ 54] [ 53] 燃料電池 將氫氣和氧氣轉化為電力，效率比內燃機 更高。[ 55] 氫經濟 ，則需要龐大的基建成本。[ 56]
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醫學聲明 。
2007年，太田成男发表了一项关于氢气可在医疗上扮演抗氧化剂角色的研究，其中指出氢气可选择性地减少具细胞毒性之氧自由基[ 57] [ 58] [ 59] [ 60] [ 61]
在食品生產業，氫氣也用於氫化 處理過程。
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此条目的主題是氫氣（H2）的性質。关于氫元素的性質，請見「氢」。
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