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氢气（H ）：性质、制备与应用全解析
氢气（Hydrogen，化学式H ）是元素周期表中原子序数为 1 的元素，也是宇宙中含量最丰富的物质（约占宇宙总质量的 75%），同时是已知密度最小的气体。其独特的物理化学性质使其在能源、工业、医疗等多个领域具有重要应用价值，以下从核心维度展开详细介绍。
一、基本物理与化学性质
氢气的特性是其应用的基础，核心性质可通过下表清晰梳理：
类别
具体性质
关键说明
物理性质
状态与颜色
标准状况下（0℃、101kPa）为无色、无味、无臭的气体，肉眼不可见
密度
约 0.0899g/L，仅为空气密度（1.293g/L）的 1/14，是目前已知密度最小的气体
溶解性
极难溶于水（20℃时溶解度约为 0.0182mL/100mL 水），也难溶于多数有机溶剂
沸点与熔点
沸点 - 252.87℃（液态氢），熔点 - 259.14℃（固态氢），需极低温度才能液化 / 固化
导热性
导热系数（0℃时约 0.187W/(m K)）远高于空气，是优良的导热介质
化学性质
可燃性
具有强可燃性，燃烧时产生淡蓝色火焰，唯一产物为水（2H + O 点燃→ 2H O），无任何污染物排放；但氢气与空气混合时，体积分数在 4.0%~75.6% 范围内会形成爆炸性混合气体，遇明火或高温易引发爆炸，需严格控制使用环境
还原性
常温下化学性质稳定，但在高温、高压或催化剂（如铂、钯）作用下，能还原金属氧化物（如 CuO + H △→ Cu + H O），是工业冶炼高纯金属的重要还原剂
反应活性
不易与多数物质发生反应，但可与非金属（如 Cl ，点燃生成 HCl）、金属（如 Na，加热生成 NaH）结合，形成氢化物；在特殊条件下（如高温高压、催化剂）可参与合成氨反应（N + 3H 2NH ）
二、氢气的制备方法
氢气的制备需根据原料、成本、纯度需求选择不同技术，目前主流方法可分为 “工业级制备” 和 “实验室制备” 两大类，核心差异在于规模与纯度：
1. 工业级制备（大规模、低成本，纯度多为 99.9%~99.999%）
工业上 95% 以上的氢气来自 “化石燃料制氢”，其余为可再生能源制氢（绿氢），具体方法如下：
蒸汽甲烷重整法（SMR）：最主流的制氢方式（占全球氢气产量的 70% 以上）。
原理：以天然气（主要成分 CH ）为原料，在 800~900℃、催化剂（镍基）作用下，与水蒸气反应生成 CO 和 H （CH + H O CO + 3H ），再通过 “水煤气变换反应” 将 CO 转化为 CO 和额外 H ，最终分离提纯得到氢气。
特点：原料易得（天然气储量丰富）、成本低，但会排放 CO （每生产 1 吨氢气约排放 8~10 吨 CO ），属于 “灰氢”，若结合碳捕获技术（CCUS）可转化为 “蓝氢”。
煤制氢：在我国（煤炭资源丰富）应用广泛，占国内氢气产量的 60% 左右。
原理：通过 “煤气化” 将煤转化为合成气（CO、H 、CO ），再经水煤气变换反应、脱硫、脱碳等步骤提纯氢气。
特点：成本低、原料保障度高，但碳排放极高（每吨氢气排放 12~18 吨 CO ），需依赖 CCUS 技术降低环境影响。
可再生能源电解水制氢（绿氢）：未来清洁能源转型的核心方向。
原理：利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电，通过 “电解水装置” 将水分解为 H 和 O （2H O 电解→ 2H ↑ + O ↑），根据电解质不同可分为 “碱性电解槽（AEL）”“质子交换膜电解槽（PEM）”“固体氧化物电解槽（SOEC）”。
特点：零碳排放（仅消耗水和可再生电能），氢气纯度极高（99.999% 以上），但目前受限于可再生能源成本和电解槽设备价格，成本较高，适合对环保要求高的场景（如氢能汽车、绿氨合成）。
2. 实验室制备（小规模、高纯度，纯度可达 99.999% 以上）
实验室制备氢气以 “安全、便捷” 为核心，常用方法有：
锌与稀硫酸反应：最经典的方法（Zn + H SO （稀）→ ZnSO + H ↑）。
特点：反应速率适中、易控制，生成的氢气纯度较高（需通过浓硫酸干燥、碱石灰除杂），适合课堂演示或小型实验。
电解水法：使用实验室小型电解装置，以硫酸或氢氧化钠溶液为电解质，通电后水分解产生氢气（阴极产物）和氧气（阳极产物）。
特点：氢气纯度极高，但耗电量大，仅用于需要超高纯氢的实验（如材料表征）。
三、氢气的主要应用领域
氢气的应用覆盖能源、工业、医疗等多个赛道，不同领域的应用逻辑与价值差异显著：
1. 能源领域：“氢能”—— 未来清洁能源体系的核心载体
氢气作为 “零碳燃料”，可解决可再生能源（太阳能、风能）的 “间歇性” 问题，实现能量的储存与运输，核心应用包括：
氢能交通工具：如氢能燃料电池汽车（FCEV）、氢能重卡、氢能船舶。
原理：燃料电池中，氢气与氧气（来自空气）在催化剂作用下发生 “电化学反应”（非燃烧），直接将化学能转化为电能，驱动电机运转，产物仅为水，无尾气污染；相比纯电动车，FCEV 具有 “补能快”（3~5 分钟充满氢）、“续航长”（600~1000 公里）的优势，适合商用车、长途运输场景。
现状：截至 2024 年 5 月，全球氢能汽车保有量超 10 万辆，我国已建成加氢站超 300 座，主要分布在长三角、珠三角地区。
储能与分布式能源：利用可再生能源发电高峰时电解水制氢（“弃风弃光制氢”），将电能转化为氢能储存；在用电高峰或无发电条件时，通过氢燃料电池或氢气燃烧发电，为家庭、工厂提供稳定电力，实现 “削峰填谷”。
氢能供暖 / 供能：氢气可直接替代天然气用于家庭供暖、工业锅炉，通过 “氢混燃”（天然气中掺入 5%~20% 氢气）或 “纯氢燃烧”，实现供暖零碳排放，目前欧洲部分国家已开展社区级氢供暖试点。
2. 工业领域：传统工业的 “提质降碳” 关键
氢气是工业生产的重要原料，传统应用以 “化工” 为主，近年来逐步向 “低碳冶炼” 拓展：
合成氨与甲醇：全球约 50% 的氢气用于合成氨（氨是化肥、炸药的核心原料），反应为 N + 3H 2NH （高温高压、铁催化剂）；另有 20% 左右的氢气用于合成甲醇（CO + 2H → CH OH），甲醇是重要的化工中间体和燃料。
石油炼化：氢气用于 “加氢精制” 和 “加氢裂化”—— 前者可去除石油中的硫、氮、氧等杂质，生产清洁汽油、柴油；后者可将重质油（如渣油）转化为轻质油（如汽油、煤油），提高石油利用率。
金属冶炼：传统钢铁冶炼依赖焦炭（碳排放高），而 “氢基竖炉” 以氢气为还原剂，将铁矿石（Fe O ）还原为铁（3H + Fe O 高温→ 2Fe + 3H O），可减少钢铁行业 70% 以上的碳排放，是 “绿色钢铁” 的核心技术，目前德国、瑞典已建成试点工厂。
3. 医疗领域：新兴的 “氢医学” 应用
近年来研究发现，氢气具有 “选择性抗氧化” 特性（仅清除对细胞有害的活性氧，如羟基自由基 OH，不影响有益活性氧），在医疗领域的应用逐步拓展（需注意：相关应用仍需更多临床研究验证，不可替代正规治疗）：
辅助改善炎症与氧化损伤：通过吸入氢气、饮用富氢水或局部涂抹富氢凝胶，可能对急性缺血再灌注损伤（如心肌梗死、脑卒中等术后）、慢性炎症（如类风湿关节炎）、代谢性疾病（如糖尿病）等具有辅助改善作用，目前已有部分国家将氢氧混合气用于呼吸机辅助治疗。
美容与抗衰：基于其抗氧化特性，富氢水、富氢护肤品被宣称具有 “清除自由基、延缓皮肤老化” 的作用，但此类应用的科学证据仍需进一步完善。
四、氢气的安全注意事项
氢气的 “易燃、易爆、密度小” 特性决定了其使用需严格把控安全，核心注意事项包括：
防止泄漏与爆炸：氢气泄漏后会迅速向上扩散（密度远小于空气），若在密闭空间（如地下室、储罐）积聚，达到 4.0%~75.6% 的爆炸极限，遇明火、电火花（如开关、手机）会引发爆炸，因此使用场景需保持通风，安装氢气泄漏检测仪（灵敏度≥0.1%）。
避免高压风险：氢气通常以 “高压气态”（如氢能汽车储氢瓶压力为 35MPa 或 70MPa）或 “低温液态”（-252.87℃）储存，高压容器需定期检测耐压性，液态氢储罐需防止绝热层损坏导致 “沸腾蒸发”，避免压力骤升引发爆炸。
灭火与应急处理：氢气燃烧时火焰无色（肉眼难察觉），灭火需先切断氢气源，再用干粉灭火器、二氧化碳灭火器覆盖（不可用水直接喷射，以免氢气扩散）；若发生泄漏，需立即停止所有火源，开启通风设备，疏散人员至安全区域。
五、总结与未来趋势
氢气是一种 “多功能物质”：在传统工业中是不可或缺的原料，在清洁能源转型中是 “零碳载体”，在医疗领域是具有潜力的辅助手段。未来，随着可再生能源成本下降、电解槽技术突破、氢能基础设施（加氢站、输氢管道）完善，“绿氢” 将逐步替代 “灰氢”，推动工业、交通等领域的深度脱碳，成为 “双碳目标”（碳达峰、碳中和）实现的关键支撑。
同时，氢气的安全技术（如新型储氢材料、智能泄漏监测）和应用场景拓展（如氢能储能电站、氢基合成燃料）仍需持续研发，以实现其规模化、低成本、安全化应用。
2024科粤版化学九年级上册
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
5.1 氢气
第五单元 燃料与二氧化碳
a
i
T
u
j
m
i
a
N
g
1.学生能够说出氢气的物理性质；
2.知道氢气的燃烧过程及产物；
3.初步学会检验氢气纯度的方法。
学习目标
导入新课
你知道吗？氢气在我们的日常生活中很少用作燃料，2022年北京冬奥会主火炬(如右图所示)使用氢气作燃料是因为它有什么独特的优点呢？
氢气究竟有哪些特别的性质呢？请你观察一个有趣的实验。
经过实验，你能推断出氢气具有什么性质？
探究点一 最轻的气体
合作探究
项目 观察现象 性质推断
用氢气流吹肥皂泡
用燃着的木条点燃肥皂泡
气泡上升
密度小于空气密度
气泡遇火燃烧
具有可燃性
探究点一 最轻的气体
合作探究
请同学们阅读课本第142页“最轻的气体”的内容，总结出氢气的物理性质，并完成下表。
探究点一 最轻的气体
合作探究
物质 颜色 气味 状态 密度 熔沸点 水中溶解性
氢气
无色
无味
气体
比空气小
很低
难溶
探究点一 最轻的气体
合作探究
1.氢气的性质
根据氢气的性质，若收集一瓶H2，可采用什么方法
向下排空气法
排水法
氢气的收集方法
氢气与氧气的物理性质的比较
氢气 氧气
色态味 溶解性
密度 （常温常压）
空气密度＝1.293 g·L-1 通常状况下，为无色无味的气体
难溶于水
不易溶于水
密度比空气小
密度比空气大
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
用燃着的木条接触氢气肥皂泡时，会发现它可以着火燃烧，这说明氢气是一种可燃气体。那么，氢气的燃烧产物是什么呢？
实验:氢气的燃烧
注意观察氢气的燃烧现象
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
实验现象 化学方程式 结论
点燃 纯净 氢气 火焰为____色，罩在火焰上方的烧杯内壁上有________；手触烧杯，感觉____。
淡蓝
水珠出现
烫
反应放热
产物是水
清洁
燃料
2H2+O2 2H2O
点燃
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
水由氢元素和氧元素组成
通过这个实验，你对水的组成有哪些再认识？
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
为什么在进行点燃氢气的实验时，要强调氢气必须纯净呢？这样做的目的是什么？
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
视频:氢气与空气混合爆炸
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
实验现象 化学方程式 注意
点燃 氢气和空气的混合物
发生爆炸
点燃
使用前必须检
验纯度
2H2+O2 2H2O
点燃
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
氢气是易爆气体，具有相当宽的爆炸极限（体积分数：4%~74%）。所以，在使用氢气时要特别注意安全。点燃氢气前，一定要验纯。
氢气如何验纯？
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
为什么纯净的氢气在空气中安静燃烧，而氢气不纯时会发生爆炸呢？
实验:氢气验纯
注意观察氢气验纯的方法
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
操作要领 现象 结论
用排水法或向下排空气法收集一试管氢气用拇指堵住试管口，移近火焰，松开拇指点火。
听到尖锐的爆鸣声
不纯
听到轻微的“噗”声
纯净
探究点二 最洁净的燃料
合作探究
氢气燃烧时，能与空气中的氧气化合生成水，同时放出大量的热。这热量有多大呢？据测定，氢气的热值为1.4×105 kJ·kg-1，而汽油的热值为4.6×104 kJ·kg-1。
请计算：氢气的热值为汽油的多少倍？
大约3倍
探究点三 理想的燃料
合作探究
我国在氢气制造、贮存、运输、应用等方面，已取得重大突破。
探究点三 理想的燃料
合作探究
优点：
可以通过水分解得到，原料易得。
燃烧产物是水，无污染，热值高。
氢氧燃料电池
探究点三 理想的燃料
合作探究
探究点三 理想的燃料
合作探究
冬奥会氢能源客车
知识点1 氢气的物理性质
1. 氢气的发现、生产和应用极大地推动了人类社会的发展。
下列关于氢气的描述中，错误的是( )
C
A. 通常状况下，氢气是无色、无气味的气体
B. 相同条件下，氢气是密度最小的气体
C. 氢气易溶于水
D. 能用吹肥皂泡的方法鉴别氢气和氧气
【点拨】氢气难溶于水，C错误。
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知识点2 氢气的化学性质
2. 氢气是易爆气体，具有相当宽的爆炸极
限。点燃氢气前，一定要验纯（如图）。检验氢气纯度时，
判断氢气较纯的现象是( )
B
A. 听到尖锐的爆鸣声
B. 听到轻微的“噗”声
C. 未听到声音
D. 试管炸裂
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3. 长征五号B火箭相继将天和核心舱和问天实验舱送
入太空，向世界宣告：属于中国人的空间站时代已经到来。
液氢和液氧可用作火箭发射的推进剂。
（1）液氢作火箭燃料除了燃烧时产生较大的推动力以外，
另一个优点是____________________________。
燃烧产物无污染（合理即可）
【点拨】氢气燃烧生成水，对环境无污染。
（2）小雨同学为验证氢气的性质，做了如图所示实验，将
纯净的氢气点燃，观察到导管口有________火焰，将干燥的
冷烧杯罩在火焰上方，烧杯内壁出现______。据此，她发现
氢气的一个性质是__________，该反应的化学方程式为
_____________________，该反应属于______反应。
淡蓝色
水雾
有可燃性
化合
【点拨】纯净的氢气燃烧产生淡蓝色的火焰，生成水，将干
燥的冷烧杯罩在火焰上方，烧杯内壁出现水雾，说明氢气具
有可燃性，氢气燃烧的反应属于化合反应。
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知识点3 氢能源
4. 汽车燃料的发展与能源发展密不可分，目前正
在由石油阶段向燃料电池阶段转化。如图为氢能源汽车的工作原理图，
下列说法不正确的是 ( )
C
A. 氢气燃烧产物不污染空气
B. 氢气是理想的清洁、高能燃料
C. 当氢气和氧气恰好完全反应时，消耗
氢气和氧气的质量比为
D. 氢能源汽车行驶时，将氢气燃料电池
输出的电能转化为车的机械能
【点拨】燃料电池中氢气与氧气在一
定条件下反应生成水，化学方程式为
，氢气和氧气
恰好完全反应时，消耗氢气和氧气的
质量比为 ，C不正确。
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纠易错 对氢气的性质理解错误
5. 下列对氢气的描述中，正确的是( )
A
A. 氢气不同于其他气体的最显著特点是密度最小
B. 氢气的开发中需解决制造、运输、储存的主要问题，所以
不宜作能源
C. 空气中只要混入氢气，在点燃时一定会发生爆炸，因此点
燃氢气时一定要先验纯
D. 用向下排空气法收集一试管氢气，验纯时听到尖锐的爆鸣
声，立即用此试管再收集，再验纯
6. 我国在氢
气制造、贮存、运输、应用等
方面已取得重大突破。如图表
C
A. 该过程能说明水由氢元素和氧元素组成
B. 氢气和氧气生成水的过程中，分子种类发生了改变
C. 氢气与氧气反应的化学方程式为
D. 反应前后元素的化合价均发生改变
示宇宙飞船发动机内氢气和氧气生成水的微观过程。下列说法
错误的是( )
氢气
最氢的气体
理想的燃料
最洁净的燃料
氢气的验纯
氢气的燃烧
热值高、产物是水
课堂小结
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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