世界上密度最小的气体
世界上密度最小的气体
前面介绍了密度最小的金属，现在我们一起来看一下密度最小的气体吧
密度最小的气体：
氢气：
常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的质量只有空气的1/14，即在0 ℃时，一个标准大气压下，氢气的密度为0.0899 g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充)。氢气是相对分子质量最小的物质，主要用作还原剂。
氢气 (H2) 最早于16世纪初被人工制备，当时使用的方法是将金属置于强酸中。1766–1781年，亨利·卡文迪许发现氢元素，氢气燃烧生成水(2H₂+O₂=2H₂O)，拉瓦锡根据这一性质将该元素命名为 “hydrogenium”(“生成水的物质”之意，"hydro"是“水”，"gen"是“生成”，"ium"是元素通用后缀)。
19 世纪50 年代英国医生合信(B.Hobson)编写《博物新编》(1855 年)时，把"hydrogen"翻译为“轻气”，意为最轻气体。 现在工业上一般从天然气或水煤气制氢气，而不采用高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反应和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐尔合金)，设计也更加复杂。 医学上用氢气来治疗部分疾病。
研究历史：
1766年由卡文迪许(H.Cavendish)在英国发现。 在化学史上，人们把氢元素的发现与“发现和证明了水是氢和氧的化合物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许(Cavendish，H.1731-1810)。 在化学史上，有一个与这些论文稿有关的有趣的故事。卡文迪许1785年做过一个实验，他将电火花通过寻常空气和氧气的混合体，想把其中的氮全部氧化掉，产生的二氧化氮用苛性钾吸收。实验做了三个星期，最后残留下一小气泡不能被氧化。他的实验记录保存在留下的文稿中，后面写道：“空气中的浊气不是单一的物质(氮气)，还有一种不与脱燃素空气(氧)化合的浊气，总量不超过全部空气的1/12.一百多年后，1892年，英国剑桥大学的物理学家瑞利(Ragleigh，L.1842-1919)测定氮的密度时，发现从空气得来的氮比从氨氧化分解产生的氮每升重0.0064克，百思不得其解。化学家莱姆塞(Ramsay，W.1852-1916)认为来自空气的氮气里面能含有一种较重的未知气体。
这时，化学教授杜瓦(Duvel，J.1842-1923)向他们提到剑桥大学的老前辈卡文迪许的上述实验和小气泡之谜。他们立即把卡文迪许的科学资料借来阅读，瑞利重复了卡文迪许当年的实验，很快得到了小气泡。莱姆塞设计了一个新的实验，除去空气中的水蒸气、二氧化碳、氧气和氮气后，也得到了这种气体，密度比氮气大，用分光镜检查后，肯定这是一种新的元素，取名氩。这样，卡文迪许当年的工作在1894年元素氩的发现中起了重要作用。从这个故事可看出卡文迪许严谨的科研作风和他对化学的重大贡献。
1871年，剑桥大学建立了一座物理实验室，以卡文迪许的名字命名，这就是著名的卡文迪许实验室，它在几十年内，一直是世界现代物理学的一个重要研究中心。 在18世纪末以前，曾经有不少人做过制取氢气的实验，所以实际上很难说是谁发现了氢，即使公认对氢的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许本人也认为氢的发现不只是他的功劳。早在16世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生;17世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特(van Helmont，J.B.1579-1644)曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来;波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们只知道它可燃，此外就很少了解;1700年，法国药剂师勒梅里(Lemery，N.1645-1715)在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。
但是，最早把氢气收集起来，并对它的性质仔细加以研究的是卡文迪许。 1766年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究报告《人造空气实验》，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气”(即氢气)，并用普利斯特里发明的排水集气法把它收集起来，进行研究。他发现一定量的某种金属分别与足量的各种酸作用，所产生的这种气体的量是固定的，与酸的种类、浓度都无关。他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸;又发现氢气与氧气化合生成水，从而认识到这种气体和其它已知的各种气体都不同。但是，由于他是燃素说的虔诚信徒，按照他的理解：这种气体燃烧起来这么猛烈，一定富含燃素;硫磺燃烧后成为硫酸，那么硫酸中是没有燃素的;而按照燃素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解出来的，而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时，“它们所含的燃素便释放出来，形成了这种可燃空气”。
他甚至曾一度设想氢气就是燃素，这种推测很快就得以当时的一些杰出化学家舍勒、基尔万(Kirwan，R.1735-1812)等的赞同。由于把氢气充到气球中，气球便会徐徐上升，这种现象当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素具有负重量的根据。但卡文迪许究竟是一位非凡的科学家，后来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题，通过精确研究，证明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。他是这样做实验的：先把金属和装有酸的烧瓶称重，然后将金属投入酸中，用排水集气法收集氢气并测体积，再称量反应后烧瓶及内装物的总量。
这样他确定了氢气的比重只是空气的9%.但这些化学家仍不肯轻易放弃旧说，鉴于氢气燃烧后会产生水，于是他们改说氢气是燃素和水的化合物。 水的合成否定了水是元素的错误观念，在古希腊：恩培多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、土四种元素，它们组成万物。从那时起直到18世纪70年代，人们一直认为水是一种元素。
1781年，普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中，用电火花引爆，发现瓶的内壁有露珠出现。同年卡文迪许也用不同比例的氢气与空气的混合物反复进行这项实验，确认这种露滴是纯净的水，表明氢是水的一种成分。这时氧气也已发现，卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验，不仅证明氢和氧化合成水，而且确认大约2份体积的氢与1份体积的氧恰好化合成水(发表于1784年)。这些实验结果本已毫无异议地证明了水是氢和氧的化合物，而不是一种元素，但卡文迪许却和普利斯特里一样，仍坚持认为水是一种元素，氧是失去燃素的水，氢则是含有过多燃素的水。
他用下式表示“易燃空气”(氢)的燃烧： (水+燃素)+ (水-燃素)→水 易燃空气(氢) 失燃素空气(氧) 1782年，拉瓦锡重复了他们的实验，并用红热的枪筒分解了水蒸气，明确提出正确的结论：水不是元素而是氢和氧的化合物，纠正了两千多年来把水当做元素的错误概念。1787年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“Hydrogen”(氢)，意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。
物理性质
氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.0899克，相同体积比空气轻得多)。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在101千帕压强下，温度-252.87 ℃时，氢气可转变成无色的液体;-259.1 ℃时，变成雪状固体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时(如点燃、加热、使用催化剂等)，情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性(特别是被钯吸附)。金属钯对氢气的吸附作用最强。当空气中的体积分数为4%-75%时，遇到火源，可引起爆炸。 氢气是无色无味的气体，标准状况下密度是0.09克/升(最轻的气体)，难溶于水。在-252 ℃,变成无色液体,-259 ℃时变为雪花状固体。
汽化热：305 kJ/kg(△Hv ，-249.5℃)临界密度：66.8 kg/m3气体密度：0.0899 kg/m3(101.325kPa，0℃)比容：11.12 m3/kg(101.325kPa，21.2℃)导热系数：0.1289 w/(m·K)(气体101.325 kPa，0 ℃)、1264 W/(m·K)(液体，-252.8 ℃)比热容：Cp=14.30 kJ/(kg·K)，Cv=10.21 kJ/(kg·K)(101.325kPa，25℃，气体)蒸气压力：10.67 kPa(正常态，17.703)53.33 kPa(正常态，21.621)119.99 kPa(正常态，24.249 K)粘度：0.010 lmPa·S(气体，正常态)101.325 kPa (0 ℃)0.040 mPa·s(液体，平衡态，-252.8 ℃)
化学性质
氢气常温下性质稳定，在点燃或加热的条件下能多跟许多物质发生化学反应。 ①可燃性(可在氧气中或氯气中燃烧)：2H2+O2=点燃=2H2O(化合反应) (点燃不纯的氢气要发生爆炸,点燃氢气前必须验纯，相似的，氘(重氢)在氧气中点燃可以生成重水(D2O)) H2+Cl2=点燃=2HCl(化合反应) H2+F2=2HF(氢气与氟气混合立刻爆炸，生成氟化氢气体) ②还原性(使某些金属氧化物还原) H2+CuO Cu+H2O(置换反应) 3H2+Fe2O3=高温=2Fe+3H2O(置换反应) 3H2+WO3 W+3H2O(置换反应)