氫(Hydrogen)，最輕的化學元素，原子序數1。它的原子由一個質子(原子核)和一個電子組成，同位素和分別有一個和兩個額外的中子。它是十分重要的且基礎的元素，組成了宇宙中75%的物質。單質以雙原子分子H2的形式存在，是一種無色、無臭、無味、易燃的氣態物質，能夠作為燃料使用。含氫的重要物質有氫氣、水、有機化合物、氨及其衍生物等。大多數酸的性質，特別是在水溶液中，是由氫離子(H+)產生的。氫氣廣泛應用于化學、冶金、電子等工業部門。液氫則應用于宇航、火箭事業上。新能源的開發中,氫能是十分有前景的領域。醫療上根據氫的特性設計出檢測手段核磁共振，工業上因為其特殊的化學性質用作原料、保護氣及還原氣，能源上氫能是未來極具潛力的綠色能源，受到眾多學者的研究。
歷史
十六世紀，瑞士醫生兼煉金術士帕拉采爾蘇斯（英語：Paracelsus，1493年11月11日-1541年9月24日），發現把鐵片放入稀硫酸中會產生大量氣泡，并且承裝硫酸的容器變得滾燙。但是他并沒有做出深入的研究，其他人則是把這個現象用作古彩戲法之中。
十七世紀，比利時科學家簡·巴普蒂斯塔·范·赫爾蒙特（法語：Jan Baptista van Helmont，1577-1644）證明了金屬不會因溶解在酸中而被破壞。他稱了銀的重量，把它溶解在酸里，然后把溶液和銅反應，把原來的銀都找回來。這個實驗為后世認識氫離子與金屬單質的置換反應奠定了基礎。英國物理學家、化學家羅伯特?波義爾（英語：Robert Boyle，1627年1月25日—1691年12月30日）發現紫色石蕊溶液在酸堿環境下會變換為紅色和藍色，并將其用為酸堿指示劑，這為溶液中氫離子的檢測提供了啟發。
十八世紀，瑞典藥劑師卡爾·舍勒（瑞典語：Carl Wilhelm Scheele，1742年12月19日——1786年5月21日）收集了鐵屑與硫酸混合后產生的氣體。他將氣體用玻璃管導出，把帶有火苗的蠟燭放在試管口,發現管口產生了藍色的火焰具有可燃的特性,并把它叫做可燃空氣。
在同一個世紀，英國化學家和物理學家亨利·卡文迪許（英語：Henry Cavendish，1731年10月10日—1810年2月24日）用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸反應制得這種氣體并用排水法收集了起來，對該氣體展開了各類研究。他得出該氣體與同體積的空氣相比，質量之比是0.09：1；該氣體與空氣混合后點燃會發生爆炸；且與氧氣化合生成水。
1787年，法國科學家安托萬-洛朗·德·拉瓦錫（法語：Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年8月26日－1794年5月8日）用可燃空氣與氧氣反應得到了純水，認為水不是一種元素，而是氧和可燃空氣的化合物。他將水分解成氧氣和可燃空氣論證了這一觀點，并給可燃空氣起名為 Hydrogen。
1898年，蘇格蘭物理學家，化學家，發明家詹姆斯·杜瓦爵士（英文：Sir James Dewar，1842年9月20日－1923年3月27日）用他在皇家研究所建造的大型再生冷卻機，成功地液化了氫氣。他不斷改進他的方法，最終成功地將溫度降低到絕對零度以上13度，在這個溫度下，除了氦以外的所有氣體都會液化。
1931年，美國宇宙化學家、物理學家哈羅德·尤里(Harold Clayton Urey，1893年4月29日-1981年1月5日)獲得了氘富集的氫樣本和一個他對氘的預測的光譜。1934年，尤里因這一發現獲得了諾貝爾獎，以及美國化學學會芝加哥分會頒發的威拉德·吉布斯獎章。
1900年，費迪南德·格拉夫·馮·齊柏林（德語：Ferdinand, Graf von Zeppelin，1838年7月8日-1917年3月8日）設計的氫氣飛艇LZ-1的首次飛行在德國的康斯坦茨湖上。這收到德國政府的關注和支持，他被委托為飛艇艦隊設計生產，使得第一次世界大戰中德國使用了超過100艘齊柏林飛艇。
分布情況
宇宙中
氫存在于星際空間，是豐度最高的元素。宇宙中的氫主要以單原子形態和帶電粒子態存在，幼年星體幾乎100%是氫，太陽中氫也占質量的99%。 其他元素均是由氫在宇宙大爆發中的核聚變產生的。太陽內部存在巨大的壓力和極高的溫度，能將四個氫原子聚合為一個氦，并釋放出巨大的能量，這個過程叫做核聚變（熱核反應）。因此，氫為太陽的發光發熱提供能量，是太陽的燃料。
地球中
地殼中氫的豐度也很高，在地殼中它的含量僅次于氧和硅，排名第三，主要以化合態的形式存在。化合態氫的重量組成占地殼1km范圍內1%的重量和15.4%的原子組成。氫能同大部分元素結合,而且其中有許多重要的化合物。水（氧和氫的化合物）在地球表面以液體的形式存在，構成海洋河流；有機化合物（碳元素和氫元素為主）構成了地球上生命體的重要部分。氫在地球上很少以氣體的形式存在，約占大氣中的107分之一。因為游離氫的密度非常小,因而平均擴散速度很高(1.84km/s),足以使它脫離地球的重力場,很快地從大氣圈逃逸到外層空間。游離態氫氣大多由機物質腐爛分解產生，和石油、天然氣一樣深埋在地下。
人體中
氫元素在人體內占全體原子的三分之二，在生命體中起著極其重要的作用。氫和碳組成的碳鏈作為生命體中重要的化合物如蛋白質、核酸，糖類，脂類等的骨架，是組成生物體的基礎元素。與氧一起組成與生命密不可分的水，保證人體的個物質的輸送；以氫離子和氫氧根的形態，維持和保障了人體中的酸堿平衡,并構成了人體中的消化液。最重要的是它在人體中的生化反應中扮演了不可缺少的角色,很多生化反應實際上就是傳遞氫離子以及電子的過程。
原子特點
原子結構
氫元素的的原子核內有1個質子，在核外有一個電子，是電子數和原子數最少的元素。當處于基態時，氫原子核外只有一個軌道，即1s軌道， 核外的這個電子就位于這個軌道上。因此，H原子非常容易失去其核外的這1 個電子而成為正價氫離子H+，這種特征與ⅠA族的元素比較類似；氫原子也能夠得到 1個電子，使1s軌道達到全充滿的狀態，而成為負價氫離子H-，這一特征又與Ⅶ A族元素較為接近。除此之外，氫的電子在1s軌道上的占據還表明可以被看作是軌道半充滿狀態的原子，這種特征又與lV A族元素相似
同位素
氕
（1H），質量數為1，原子核內有一個質子。氕是氫的主要穩定同位素，其天然豐度為99.985%。氕現在僅用于極小的范圍，主要是用它來配制氕水。氕水被小量地生產出來作為化學實驗室的標準液，以及在生物實驗室用來作為硏究氘對有機體影響的實驗用。
氘
氘（2H或D），質量數為2，原子核內有一個質子和一個中子。氕是氫的另一穩定同位素，其天然豐度為0.015 %。 氘被稱為重氫，適宜于作為示蹤原子。將氘替代到含有氫元素的化合物中，再放入研究目標中，可以對光合過程等復雜的化學反應過程進行研究。氘作為示蹤原子的優點是它沒有放射性。另外，氘還是是熱核聚合反應的原料，作為反應堆的中子減速劑。氘的化合物較氕的化合物惰性為大，普通的過氧化氫可以用作氧化劑時有易爆的危險，而用過氧化氘來代替就能避免風險。
氚
氚（3H或T），質量數為3，原子核內有一個質子和兩個中子，被稱為超重氫。氚是氫的放射性同位素，半衰期1為2.5年。它在天然水中僅痕量存在，其含量為天然氫的10-18倍，可能是宇宙射線對大氣氮的作用產生的。根據化學方程D + D→H + T，用高能氘(氘原子的原子核)轟擊氘可以得到氚。根據方程6Li + 1n→4He + T，6Li與核裂變反應堆的中子之間的核反應最有效地產生氚。
其他同位素
氫在自然界有最大的同位素豐度變異，如地球樣品的變異范圍達 700‰，宇宙樣品的變異達 150‰。目前氫共有7個已知同位素，質量數范圍從1到7，其中有2個是穩定的，其他都具有放射性。天然存在的氫同位素有3個，分別是氕氘氚，另外四個同位素（4H到7H）都不出現在自然界中，只有在實驗室制造出來過，且半衰期都少于10-21秒，極為不穩定。
同素異構體
由于兩個氫原子的核自旋有兩種可能的耦合方式，分子氫存在自旋異構現象，有兩種同素異構體，正氫(反轉氫分子)和仲氫(并轉氫分子)。目前的科學理論認為,氫分子中的兩個氫原子核在同一軸的垂直的平面上迅速旋轉。兩個原子核的自旋方向相同(↑↑)的是正氫原子，對應于自旋量子數J的奇數值;而兩個原子核的自旋方向相反(↑↓)的則是仲氫，對應于J的偶數值。在其原子核具有自旋動量的其他分子中也發現自旋異構現象。正常的氫氣是正氫和仲氫的互變異構混合物。而混合物的組成服從化學平衡定律。在某一溫度下,混合物的平衡組成為固定比例,在273K及273K以上時,正氫和仲氫的統計比為3:1,而且,正氫的百分比不超過 75%。
氫鍵
原子吸引電子傾向(即電負性)很強的氮(N) 及氧原子(O)與氫結合而產生的X—H型氫原子(X為N或O或其他)，通過X—H…Y型氫原子結合(氫鍵)，可與其他原 子Y形成松散結合。 水中的水分子也非單獨存在。因為有O—H…O這種氫鍵，大量水分子之間連成一種網狀。而相對分子質量與水 (H2O，沸點100℃)極其相似的甲烷(CH4 ，沸點為?164 ℃)， 其沸點要比水低264 ℃。蛋白質分子內的氨基酸之類就是氫鍵所形成，其蛋白質 分子分布并不是無序線狀延伸，而是一種非常密集的構造。作為遺傳物質的脫氧核糖核酸(DNA)，其核酸堿基呈一 列鎖狀分子，兩列這樣的分子螺旋纏繞呈細長狀。在 雙螺旋構造的穩定化上，氫鍵起了很大的作用。氫鍵很容易切斷。正因為如此，DNA的雙螺旋結構的分解很容易，這給遺傳因子的復制制造了機會。
性質
理化性質
氫(H2)由兩個氫原子組成，常溫常壓下是無色、無味、幾乎不溶于水、易燃的氣態物質，是已知的最輕氣體，具有很大的擴散速度和很高的導熱性。氫氣極低的熔點和沸點是由于分子之間的吸引力很弱。當氫氣在室溫下從高壓膨脹到低壓時，其溫度會升高，而大多數其他氣體的溫度會下降，這一事實也揭示了這種弱分子間作用力的存在。根據熱力學原理，這意味著在室溫下，氫分子之間的斥力大于吸引力，否則，膨脹會使氫冷卻。事實上，在- 68.6°C時，引力起主導作用，因此，氫在被允許膨脹到低于該溫度時就會冷卻。當溫度低于液氮(- 196°C)時，冷卻效果變得非常明顯，以至于該效果被用來達到氫氣本身的液化溫度。
化學性質
可燃性
2H2+O2=H2O（條件：點燃）
H2+F2=2HF（條件：暗處混合）
H2+Cl2=2HCl（條件：點燃或燃燒）
還原性
當錳的氧化物(Mno)以及在活潑性順序中在錳之后的金屬的氧化物,在適當溫度加熱下同分子氫反應時，它們能被還原成金屬：
H?+CuO=Cu+H?O（條件：加熱）
3H?+Fe?O?=2Fe+3H?O（條件：加熱）
3H?+WO?=W+3H?O（條件：加熱）
化合物
水
水(H2O)由氫和氧化學元素組成，具體由一個氧原子與兩個氫原子通過共價鍵連接構成。水通常以氣態、液態和固態三種狀態存在，是一種無味的液體，具有良好的溶解性，作為溶劑對生物體而言具有重要作用。生命被認為起源于地球上的海洋，體依賴于水溶液（如血液和消化液）進行生物過程。同時，水也存在于太陽系內外的其他行星和衛星上。
酸
酸是由一個或多個氫原子與其他元素組成的化合物。在溶液中酸會釋放帶正電的氫離子，改變某些指示劑的顏色，與某些金屬反應釋放氫，與堿反應生成鹽，并促進某些化學反應(酸催化)。酸的種類包括無機酸，如硫酸、硝酸、鹽酸和磷酸，以及包括羧酸、磺酸和苯酚族在內的化合物。
有機物
有機化合物是含有碳(C)的物質，碳鏈為骨架提供了產生多種有機化合物的關鍵結構框架。氫則在有機物中是與碳鏈相伴存在，是有機化合物的另一種要有元素。有機化合物對地球上的生物有著至關重要的作用。脂肪、蛋白質和糖類等都可作為食物保證生命的攝入；血色素、葉綠素、酶、激素和維生素等物質維持生命體正常運行；常見的燃料如木材、煤、石油和天然氣為人類發張與生存提供能量。
氨
氨(NH3)，無色刺激性氣體，由氮和氫組成。它是這些元素中最簡單的穩定化合物，是生產許多商業上重要的氮化合物的起始材料。氨可以用作肥料,變成銨鹽的形式，如硝酸銨、硫酸銨和各種磷酸銨，其中尿素是世界上最常用的肥料。氨還被用作合成纖維的的原料、染色劑、清潔劑、催化劑、純堿原料和石油精煉的酸性副產品中和劑等。
制備方法
活潑金屬與水反應
用鈉或鈉汞齊,最好用金屬鈣，同水反應，產生金屬氫氧化物和氫氣。鎂可以同熱水反應快速地放出氫氣，在特定的情況下這也可以成為發生氫氣的一種有用的途徑。
金屬與酸反應
在金屬中鋅是最方便的一種,在歷史上則常用鐵來同酸反應在酸中用鹽酸最好，但也常用硫酸(由于價廉)。如果在反應的金屬中含有雜質，則會同時產生磷化氫、砷化氫或硫化氫，它們有毒性，應予注意，金屬純度越高，同酸的反應越慢，所以用純鋅同酸反應時，可在酸中加入少許銅鹽,生成的鋅銅偶有利于加速釋放氫氣的反應速度。
金屬與強堿反應
2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑
金屬氫化物與水反應
可以用氫化鋰LiH、氫化鈣CaH2或氫化鋁鋰LiAlH4與水作用來產生氫氣。這個方法產生的氫氣則比較純凈但是成本高，另外在這類反應中發生的氫氣有一半是從水里來的，所以從單位重量的氫化物可以得到較大量的氫氣。這在野外工作中是有其優點的，例如在野外充填氣象觀測氣球。氫化物同水的反應表示如下式:
LiH +H2O=氫氧化鋰 +H2↑
CaH2+2H2O=Ca(OH)2+ 2H2↑
LiAlH4+4H2O=LiOH+Al(OH)3+4H2↑
電解水
在工業上常用鍍的鐵電極電解氫氧化鉀溶液來生產氫氣。這樣發生的氫氣較為純凈，一般用在電子工藝中和有機合成工藝中：
2H2O=2H2↑+O2↑（條件：電解）
熱分解天然氣或裂解石油氣
從含烴類的天然氣或裂解石油氣制造氫氣是現時大規模工業制氫的主要方法。雖然上述兩種原料都可以通過熱分解而產生氫氣，但最常用的是它們同蒸汽的反應,因為這類反應可以在較低的溫度(110℃)下進行：
CH4+H2O=CO+3H2
水煤氣法
令過熱水蒸氣在高于100℃的溫度通過赤熱的冶金焦,即發生水煤氣反應:
H2O(g)+C(s)=CO(g)+ H2(g)
令水煤氣和水蒸氣一起通過裝填有氧化鐵鉆催化劑的變換爐，將CO變換成氫氣和CO2：
CO(g)+H2O(g)=H2(g)+ CO2(g)
在加壓下用水洗除CO2，然后經過銅洗塔用氯化亞銅的水溶液洗除最后痕量的CO和CO2。
應用領域
核磁共振
人體主要組織和器官中都有水和蛋白質,這些物質的重要組成元素都是氫原子。人體內大量的氫原子核自旋產生磁場而具有方向，磁場的變化會使氫核發生弛豫現象。弛豫時，氫核就會由于釋放能量而發出微弱的核磁共振信號。由于人體各部位含水量不同,含氫核的量也不同,因此產生的核磁共振信號也就大小不同,將微弱的能量信號經過計算機處理轉換成影像,就能得到核磁共振成像。因此，人們研究發明了核磁共振掃描成像系統。將人體放入大型圓筒狀電磁室內，根據體內水分的分布不同，可對臟器和人骨進行掃描。磁共振成像(MRI)的方法已經得到廣泛利用，無任何傷害即可對人體進行斷層拍照，用于醫療診斷。
低溫研究
液態氫的溫度在 -253°C以下，因此當液態氫氣化為氫氣時需要吸收大量的熱，能夠為提供及低溫的環境。
浮力填充氣
氫氣是已知最輕的氣體，因此具有很大的升力最早德國的科學家費迪南德便利用這一原理制造了氫氣飛艇。
示蹤氣體
氫氣示蹤法是將5％氫氣和95％氮氣混合氣，即所謂的“示蹤氣體”，代換或溶入試壓介質(壓縮空氣)。氫氣的可燃極限為5.7％，因此，5％氫氣和95％氮氣混合氣是絕對安全 的氣體。這種示蹤氣體無毒、無味、無腐蝕性、不可燃，是工業焊接作業中用來保護不銹鋼避免氧化的常用氣體。而且，這種氣體非常便宜，容易獲得。
石化領域
在石油化學工業的生產中，應用不同組份的含氫氣體作為合成氨、甲醇、石油煉制生產的原料氣、加氫氣體等，其用量大約占氫氣總產量的93%左右。在尼龍、塑料、農藥和油脂化學工業中，都需加入一定純度的氫氣，生產相應的產品。
冶金工業
在有色金屬（鎢、、鈦）、硬質合金、粉末冶金材料、硅鋼片、磁性材料、磁性合金等的生產和加工中，高純氫氣可以作為還原氣和保護氣；薄板、帶鋼的軋制中氮氣和氫氣混合氣可作為保護氣。在精密合金的光亮火和退火時，高純氫氣可以提高產品質量，簡化工序。
半導體
在電子工業中，高純氫氣主要用于電子材料、半導體材料和器件、集成電路以及電真空器件的生產，作為還原氣、攜帶氣和保護氣。如在多晶硅制取、硅、化鎵外延生長時，都需用純度很高的氫氣作為還原氣。半導體的發展有賴于氫氣為其提供的良好環境。在電子管生產中，也需用高純氫氣作為另件退火等的保護氣。
輕工業
在建筑材料和輕工業中，也常常應用氫氣作保護氣、還原氣或燃燒氣體。如高純二氧化硅、人造寶石的制造和加工，廣泛使用氫一氧焰獲得高溫，在浮法玻璃生產中，使用氫氣一氮氣混合氣作保護氣等。
能源
氫氣作為能源在來源豐富、使用干凈，適應性強，儲運方便等方面，是很有前途的。氫能的主要利用方式有三種：直接燃燒、燃料電池和核聚變。氫氣作為燃料時，直接燃燒的唯一產物是水，具有綠色環保的優點。氫在燃料電池方面的應用對于可再生能源研究十分重要，包括太陽能、風能、潮汐能、波浪能、地熱能和水力能等在內，這些可再生能源都需要具有“可儲存”特性的氫作為能源載體。最后，氫的核聚變是目前仍是一種理想化的產能方式。要想將核聚變作為能源使用，一定要在嚴格的條件下緩緩釋放能量，即稱為受控核聚變。利用核能的最終目標是要實現受控核聚變。受控核聚變比受控核裂變（現核電站主要產能方式）要困難得多，必須同時具備以下3個條件，極高的點火溫度、極低的氣體密度和超過 1s能量的約束時間。
安全事宜
如果不慎吸入氫氣可能會引起頭暈或窒息。氣態氫氣易燃，與皮膚接觸可能會導致皮膚被燒傷；液態的氫氣極低溫，與皮膚接觸時，會快速吸熱導致凍傷。另外，氫氣著火可能與其他物質產生刺激性或有毒氣體。
如遇事故請撥打120或緊急醫療服務。確保醫務人員了解所涉及的材料，并采取預防措施保護自己。如果安全的話，將病人轉移到空氣新鮮的地方。如果病人停止呼吸，給予人工呼吸。如果呼吸困難，應該及時供氧。脫掉并隔離被污染的衣服和鞋子。凍在皮膚上的衣服在脫下之前應該先解凍。接觸液化氣時，用溫水解凍磨砂部位。如果發生燒傷，立即用冷水盡可能長時間地冷卻受影響的皮膚。如果衣服粘在皮膚上，不要脫掉。保持受害者冷靜和溫暖。
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