氢气（H₂）——氢元素的单质形态及其主要特性

 一、物理性质

1. 基本状态与感官特性  

在常温常压下，氢气是一种无色、无味、无臭的气体。其在水中的溶解度极低，例如在20℃时，100毫升水中仅能溶解约1.82毫升氢气。

2. 密度与质量  

在标准条件下（0℃，101.3 kPa），氢气的密度仅为0.0899 g/dm³，约为相同体积空气的1/14，是目前已知密度最小的气体。  

这一轻质特性曾使其广泛应用于气球和飞艇等浮空装置中。但由于氢气分子极小，易透过橡胶等材料泄漏，实际应用受到一定限制。

3. 相变与特殊性质  

氢气具有极低的熔点（259.2℃）和沸点（252.87℃，101 kPa），因此在常温下难以液化。液态氢具有超导特性。  

此外，氢气的导热性能优异，约为空气的7倍；扩散速度也很快，是氮气的3.74倍。

 二、化学性质

1. 可燃性  

氢气在空气中燃烧生成水，反应式为：  

$$ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O $$  

燃烧火焰呈淡蓝色，且其爆炸极限范围广（体积浓度4%~75.6%），使用前必须进行纯度检测以确保安全。  

氢气燃烧释放大量热量，且产物仅为水，不产生污染物，被视为理想的清洁能源。

2. 还原性  

氢气具有良好的还原能力，可用于还原金属氧化物，如氧化铜（CuO）、三氧化钨（WO₃）等，广泛应用于冶金工业中。

3. 氧化性（较为罕见）  

在特定条件下，氢气可与活泼金属（如碱金属）反应生成相应的金属氢化物，表现出一定的氧化性。

 三、安全与工业特性

1. 危险性  

氢气被列入《危险化学品名录》，因其具有高度易燃性和爆炸性，储存和运输需特别注意安全。  

为防止“氢脆”现象（氢气导致金属材料脆化失效），通常采用特种合金（如蒙乃尔合金）制造储氢容器。

2. 工业应用  

氢气在现代工业中用途广泛，主要包括：  

 石油炼制中的加氢裂化与脱硫；

 合成氨工业（哈柏法）；

 燃料电池技术（氢能汽车等）；

 有机合成及精细化工领域。

 四、总结  

氢气以其轻质、高能量密度和清洁燃烧等优点，被视为未来能源体系的重要组成部分。然而，其在存储与运输方面的技术难题（如高压、低温或材料相容性问题）仍是当前研究和产业化的重点挑战。