氢

氢和氧在太空穿梭机主引擎中燃烧，在最大推力下产生近乎无色的火焰

氢气是一种高度易燃的物质，只要在空气中体积比例在4%和75%之间就可燃烧[15]。氢的燃烧热为−286kJ/mol：[16]

${\displaystyle {\ce {2H2 + O2 -> 2H2O + 572}}}$kJ (286 kJ/mol)[注 2]

氢气与空气混合浓度处于4%至74%时，或与氯气混合浓度处于5%至95%时，会形成爆炸性混合物，可经火花、高温或阳光点燃。氢气在空气中的自燃温度为500 °C[17]。纯氢氧混合气在燃烧时发出紫外光，且在氧气比例较高时，火焰是无色的──例如，太空穿梭机主引擎的火焰呈淡蓝色，但穿梭机固体助推器的火焰则颜色鲜艳。正在燃烧的氢气泄漏点需要火焰探测器才能发现，所以非常危险。在其他情况下，氢气的燃烧火焰呈蓝色，与天然气的火焰颜色相似。[18]

H₂可以和所有氧化性元素发生反应。氢气可以在室温下与氯气和氟气自发产生剧烈反应，分别形成氯化氢和氟化氢两种酸。[19]

氢原子模型（图标不按比例）

氢原子的电子基态能级为−13.6eV，[20]对应于波长约为91纳米的紫外线光子。[21]

用玻尔原子模型可以很准确地计算出氢原子的各个能级，该模型假设电子围绕着中心质子「公转」，就像地球绕太阳公转一样。不同的是，电子和质子通过电磁力互相吸引，行星和恒星则通过重力相吸。早期量子力学假定角动量分立原理，电子和质子的距离只能取特殊的数值，因此电子在原子中也只能拥有特殊的能量值。[22]

要更准确地描述氢原子，须用到纯量子力学理论中的薛定谔方程序、狄拉克方程序，甚至是费曼路径积分表述，来计算电子在质子周围的几率密度。[23]最复杂的计算可考虑到狭义相对论和真空极化效应。在量子力学的氢原子模型中，位于基态的电子不含任何角动量，可见「行星轨道」模型与事实情况有着根本性的分别。

在贝法粒子加速器的液氢气泡室观测到的粒子轨迹

• 气态氢
• 液态氢
• 三相点上的氢
• 固态氢
• 金属氢

虽然${\displaystyle {\ce {H2}}}$在标准条件下的反应性不高，但它却可以和大部份元素形成化合物。氢可以和电负性更高元素结合，如卤素（氟、氯、溴、碘）和氧，这些化合物中的氢带有部份正电荷。[24]氢与氟、氧和氮结合而成的分子之间可以形成氢键。这种中等强度的非共价化学键，正是许多生物分子能够稳定存在的原因。[25][26]氢也可以和电负性更低的元素结合，如各种金属和类金属，这些化合物称为氢化物，其中氢带有部份负电荷。[27]

氢和碳可形成名目繁多的化合物，称为碳氢化合物，又称烃；再加上各种杂原子，所能形成的化合物数量则更大。由于这些物质和生物息息相关，所以统称有机化合物。[28]有机化学是对此类化学物属性的研究，[29]而对有机化合物在生物体中的作用之研究，则称为生物化学。[30]根据某些定义，有机化合物囊括所有含有碳的化合物。然而，大部份有机化合物同时也含有氢，而且是其中的碳-氢键赋予了它们独特的化学性质，因此在另一些定义中，有机化合物必须含有碳-氢键。[28]现在已知的碳氢化合物以数百万计，它们的合成途径一般都十分复杂，而且很少会直接使用单质氢。

含氢的化合物有时会称为氢化物，但这一用词并没有严格的定义。氢化物一般是氢和电负性更低的元素结合而成，当中的氢呈负价，记作${\displaystyle {\ce {H-}}}$。吉尔伯特·路易斯在1916年提出，1族和2族的氢盐中存在氢阴离子。1920年，K. Moers通过电解氢化锂（${\displaystyle {\ce {LiH}}}$），在阳极提取出氢气，证明氢阴离子的存在。[31]由于氢的电负性较低，所以「氢化物」一词对于1、2族以外元素的氢化物并不完全准确。2族元素氢化物中有一个例外，即高聚物氢化铍（${\displaystyle {\ce {BeH2}}}$）。在氢化铝锂的${\displaystyle {\ce {AlH4-}}}$离子中，四个氢阴离子紧靠着铝(III)。

几乎所有主族元素都可以形成氢化物，不过化种类数量却有着巨大的差异。例如，已知的硼氢二元化合物共100多种，但铝氢二元化合物却只有一种。[32]二元氢化铟还未被发现，但它存在于更大的铟氢配合物中。[33]

在无机化学中，氢化物还可用作桥接配体，连接配合物中的两个金属中心。这一用途在13族元素配合物中最为常见，特别是硼烷、铝配合物和碳硼烷簇。[34]

氢在氧化后会失去它的电子，形成氢阳离子（${\displaystyle {\ce {H+}}}$）。氢阳离子不含电子，其原子核通常只含一个质子，所以${\displaystyle {\ce {H+}}}$经常被直接称为质子。氢阳离子是酸碱理论中不可或缺的化学物质。酸碱质子理论把酸、碱分别定义为质子供体和质子受体。

质子${\displaystyle {\ce {H+}}}$不能在溶液或离子晶体中裸露存在，因为它不可避免地会靠近其他含有电子的原子或分子。除非在高温等离子状态，原子和分子的电子云会一直附在质子的周围，质子是无法脱离开来的。然而，人们常以「质子」来不严谨地表示与其他原子或离子键合的氢阳离子和带正电荷的氢原子，并记作H+
。此时写「${\displaystyle {\ce {H+}}}$」，并不意味着质子自由存在。

为了避免认为溶液中存在裸露的质子，人们有时会把酸性水溶液中的阳离子记作${\displaystyle {\ce {H3O+}}}$，称为水合氢离子。这其实是一种假想的情况，现实中水分子和氢离子会结合组成更接近${\displaystyle {\ce {H9O4+}}}$的化学物质。[35]当酸溶液同时含有水和其他溶剂时，会形成其他的𨦡盐。[36]

尽管在地球上十分罕见，但${\displaystyle {\ce {H3+}}}$离子（三氢阳离子，又称质子化分子氢）却是宇宙中最常见的离子之一。[37]

氕放电管

氘放电管

氕是最常见的氢同位素，含一个质子和一个电子。它是所有元素中唯一不含中子的稳定同位素

氢有三种天然同位素，分别为氕、氘、氚，记作${\displaystyle {\ce {^1H}}}$、${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$。其他不稳定同位素原子核（${\displaystyle {\ce {^4H}}}$至${\displaystyle {\ce {^7H}}}$）可在实验室中合成，但不存在于自然界中。[38][39]

• 氕（${\displaystyle {\ce {^1H}}}$）是最常见的氢同位素，丰度高于99.98%。氕原子不含中子，只含一个质子和一个电子。[40]
• 氘（${\displaystyle {\ce {^2H}}}$，符号为${\displaystyle {\ce {D}}}$）是氢的另一种稳定同位素，其原子核含有一个质子和一个中子。宇宙中几乎所有的氘皆是在大爆炸中形成的，残留至今。氘无放射性，亦无毒性。含氘的水分子称为重水。氘以及含氘的化合物可以在化学实验及氕核磁共振波谱法溶剂中，作为非放射性标识。[41]在核反应炉中，重水是一种中子减速剂和冷却剂。氘也有潜力成为商业核聚变反应的燃料。[42]
• 氚（${\displaystyle {\ce {^3H}}}$，符号为${\displaystyle {\ce {T}}}$) 的原子核含有一个质子和两个中子。氚具有放射性，会β衰变成氦-3，半衰期为12.32年。[34]它的放射性可用于发光颜料，例如夜光钟表等（表面玻璃可阻挡其辐射）。[43]因为宇宙射线和大气气体的相互作用会造成核嬗变，再加上多次核武器试验的辐射性微尘，所以自然界中存在少量的氚。[44]氚的应用包括：核聚变反应、[45]同位素地球化学示踪剂[46]以及自发光照明器材，[47]并可在化学和生物学实验中用作放射性标识。[48]

氢是唯一一个同位素各自拥有不同名称的元素。在放射性研究的早期，其他更重的同位素都有自己的名称，但至今仍在广泛使用的就只剩下氘和氚。${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$有时会记作${\displaystyle {\ce {D}}}$和${\displaystyle {\ce {T}}}$，但本来对应于氕（Protium）的符号${\displaystyle {\ce {P}}}$，已经是磷的元素符号，所以不再通用。[49]根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的命名指引，${\displaystyle {\ce {D}}}$、${\displaystyle {\ce {T}}}$、${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$均可使用，其${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$较为适宜。[50]

1671年，罗拔·波义耳发现铁屑和稀释酸之间会发生反应，并产生气体——也就是氢气。[51][52]1766年，亨利·卡文迪什同样利用金属和酸之间的反应，首次发现氢气是一种独立的物质，并将其命名为「易燃气」。他猜想，「易燃气」就是当时假想的燃素。[53][54]1781年，他又发现该气体在燃烧后会生成水。故此，卡文迪什一般被后世尊为氢元素的发现者。[2][3]1783年，安东万-罗伦·德·拉瓦节和皮耶尔-西蒙·拉普拉斯重复并证实了卡文迪什的实验。拉瓦节为这一元素命名为「Hydrogen」，词源为希腊文中的「水」（ὑδρο）和「创造者」（-γενής）。[4][3]

安东万-罗伦·德·拉瓦节

在拉瓦节的实验中，蒸汽在一支用火烧热的铁管内流通，高温下水分子中的质子会对铁金属进行无氧性氧化反应，产生氢气。此反应的方程序如下：

${\displaystyle {\ce {Fe + H2O -> FeO + H2}}}$

${\displaystyle {\ce {2Fe + 3H2O -> Fe2O3 + 3H2}}}$

${\displaystyle {\ce {3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2}}}$

不少金属都可以代替铁，进行以上的化学反应而产生氢气，例如锆。

1898年，詹姆斯·杜瓦用再生冷却法及他所发明的真空保温瓶，首次制成液氢。[3]翌年，他又制成固体氢。[3]哈罗德·尤里于1931年12月发现氘，而欧内斯特·卢瑟福、马克·奥利芬特和保罗·哈特克则在1934年首次制备出氚。[2]尤里的研究小组在1932年发现重水，即含有氘的水。[3]1806年，弗朗斯瓦·伊萨克·德·利瓦制造了第一部以氢氧混合物作为燃料的内燃机──德利瓦引擎。爱德华·丹尼尔·克拉克在1819年发明了氢气吹管。德贝莱纳灯和聚光灯则在1823年被发明。[3]

1783年，雅克·沙尔发明了首个氢气球。[3]1852年，亨利·吉法尔发明了首个以氢气提供升力的载人飞艇。[3]德国的斐迪南·冯·齐柏林伯爵大力推广了这一运输工具，他所设计的飞船称作齐柏林飞船，于1900年首飞。[3]飞船的常规航班从1910年开始，到了1914年8月第一次世界大战之始已搭载3万5千多人，并无重大事故。氢气飞船在战时被用于观测及轰炸。

1919年，R34飞船首次不停站横跨大西洋。常规客运航班在1920年代陆续恢复。虽然当时在美国发现了氦气储备，但美国政府不愿售卖氦气作运输之用。因此兴登堡号飞船所使用的仍然是氢气，飞船于1937年5月6日准备降落于新泽西州时，在半空中起火焚烧并坠毁。[3]整个事故经电视直播，且全程被拍摄下来。人们最早认为是泄漏的氢气爆炸造成了这场事故，但之后的调查却指出，是飞船镀铝的表面布料被静电点燃引致起火。

1937年，第一部氢冷汽轮发电机在俄亥俄州代顿投入使用，这种发电机以氢气作为转子和定子的冷却剂。[55]由于氢气的导热性极佳，所以至今仍是最常用的发电机冷却剂。

1977年，美国海军的导航科技2号卫星（NTS-2）搭载了首个镍氢电池。[56]国际太空站、[57]2001火星奥德赛号[58]及火星全球探勘者号[59]都配备了镍氢电池。处于地球阴影部份的时候，哈勃太空望远镜也是由镍氢电池供电的。[60]这个电池在运作19年后（超过设计年期13年），终于在2009年5月被更换下来。[61]

氢在可见光范围内的发射光谱共有巴耳末系的四条谱线

氢是原子结构最为简单的元素，只含一个质子和一个电子。在原子结构模型的发展过程中，氢原子和它的发射、吸收光谱都有着特殊的理论价值。[62]物理学家在1925年前后发展出氢原子的量子力学描述，此后氢分子以及${\displaystyle {\ce {H2+}}}$阳离子又因为结构简单，而成为科学家在研究化学键本质时所用的重要对象。

反氢（${\displaystyle {\overline {\mathrm {H} }}}$）是对应于氢的反物质，含一个反质子和一个正子。截至2015年，反氢是唯一被合成过的反物质原子[63][64]。

工业上，氢气可由蒸汽转化得到，但在转化之前，需要先经过脱硫步骤：[72]

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3H2}}}$

${\displaystyle {\ce {CO + H2O <=> CO2 + H2}}}$

能分离水的热化学循环过程共有200多种，其中可以从水和热量直接产生氢气和氧气的过程包括：氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫碘循环、铜氯循环、混合硫循环等等，都有待进一步研究。[73]多个国家都有实验室着力研究可以从太阳能和水生成氢气的热化学方法。[74]

在无氧条件下，铁和合成钢会被水分子中的质子缓慢氧化，而水则会还原成分子氢。在铁的无氧腐蚀过程中，首先形成的是氢氧化亚铁（${\displaystyle {\ce {Fe(OH)2}}}$，又称绿锈）：

${\displaystyle {\ce {Fe + 2H2O -> Fe(OH)2 + H2}}}$

水分子中的质子再对氢氧化亚铁进行无氧性氧化反应，产生磁铁矿（${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$）和分子氢，是为西科尔反应：

${\displaystyle {\ce {3Fe(OH)2 -> Fe3O4 + 2H2O + H2}}}$

磁铁矿晶体的热力学稳定性比氢氧化亚铁高。

在缺氧地下水和位于地下水台以下具还原性的土壤中，铁和钢就是经过这一反应受无氧侵蚀的。

在地底深处缺乏大气氧气的环境下，铁橄榄石晶格中的硅酸铁会受到水分子中的质子的无氧性氧化，产生氢气，这叫蛇纹石化作用。除了氢气以外，反应还会产生磁铁矿（${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$）和石英（${\displaystyle {\ce {SiO2}}}$）：

${\displaystyle {\ce {3Fe2SiO4 + 2H2O -> 2Fe3O4 + 3SiO2 +2H2}}}$

以上反应和氢氧化二铁的无氧腐蚀过程（西科尔反应）十分相似。

在变压器会产生的各种故障气体中，氢气是最常见的一种，在大部份故障情况下都会形成。所以，探测到氢气，意味着变压器可能出现了严重的问题。[75]