氫氣的物理性質

氫氣的應用是基於氫氣的物理化學性質。氫氣的物理化學性質是隨著對氫氣研究的深入逐漸被發現的。

氫通常的單質形態是氫氣，氫氣是無色、無味和無臭的雙原子氣體分子。氫氣的密度非常小，是自然界分子量最小的氣體，比空氣的密度小許多。在標準狀況下（溫度為0℃，壓強為101.325千帕），1升氫氣的質量是0.089克。跟同體積的空氣相比，氫氣質量約是空氣的1／14。利用這一性質，人們曾經用氫氣球作為運輸工具。由於氫氣的密度太低，地球上的氫氣逐漸在大氣中上升，並最後逐漸向宇宙中揮發。

氫氣是非常難液化的氣體，在101.325千帕下，氫氣在-252.8℃時，能變成無色的液體，液體氫具有超導性質。在-259.2℃時，液體氫能變為雪花狀的固體氫。多年前曾經有學者推測，固體氫可以表現出金屬的特徵，最近幾年有些研究證明了這一推測。

氫在一般液體的溶解度比較小。在一定溫度和壓強下，氣體在一定量溶劑中溶解的最高量稱為氣體的溶解度。氣體的溶解度除與氣體本性、溶劑性質有關外，還與溫度、壓強有關，其溶解度一般隨著溫度升高而減少，由於氣體溶解時體積變化很大，故其溶解度隨壓強增大而顯著增大。溶解度常用某一確定溫度條件下1體積溶劑中所溶解的最多體積數來表示。如20℃時1個大氣壓（純氫氣環境）條件下，100 ml水中能溶解1.82 ml氫氣，則表示為1.82%等。如果按照摩爾濃度計算，20℃時水中溶解1個大氣壓純氫氣的濃度為0. 92 mM。有研究提示，與許多氣體不同的是，氫氣的溶液度可能隨著溫度增加而增大。

關於氣體溶解於液體的溶解度，在1803年英國化學家亨利，根據對氣體稀溶液的研究總結出一條經驗定律，稱為亨利定律。根據亨利定律，在一定的溫度和壓強下，一種氣體在液體裡的溶解度與該氣體的平衡壓強成正比。也就是說氣體在液體中的溶解度隨著該氣體的分壓增大而成比例增大。100%的氫氣在同樣條件下在液體中的溶解度，是2%的氫氣的50倍。氫在水中的溶解度(0.017%)比氮(0.013%)稍大；氫在脂肪中的溶解度0.036%)比氮(0.067%)小，大約為氮的1/2；在25℃時，氫在乙醇中的溶解度為0.089%，是水中的4倍。雖然氫在水和脂肪中的溶解度很小，但在鎳、鈀和鉬等金屬中的溶解度都很大，一體積的鈀能溶解幾百體積的氫。

由於氫氣分子量小等原因，氫氣滲透性很強，常溫下就可透過橡皮和乳膠管，而在高溫下可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。灌好的氫氣球，往往過一夜，第二天就因為漏氣體積縮小飛不起來了。這是因為氫氣能鑽過橡膠上人眼看不見的小細孔。

氫氣的擴散能力還體現在能進入鋼材結構內。在高溫、高壓下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。當鋼材暴露於一定溫度和壓力的氫氣一段時間，滲透於鋼晶格中的原子氫會重新結合成氫分子，在緩慢變形中引起裂紋和脆化作用，這種現象的專有名詞叫氫脆現象。氫氣的這種性質給氫氣的儲存和運輸帶來很大困難。

根據氣體擴散定律，氣體在均勻液體內的擴散速度和該氣體的分子量的平方根成反比。在液體中，氫的擴散速度為氮的3.74倍，氦（0.138）的1.41倍。在人體組織內，氫氣的擴散能力非常大，不僅是因為氫氣的體積小，還決定於氫氣沒有極性，沒有極性的氣體更容易跨過脂類組成的細胞膜結構。氫氣在身體內擴散能力大有利有弊，有利是氫氣能擴散到身體任何部位，包括細胞內，甚至各種生物分子如蛋白質核酸結構內部，這是保證氫氣可發揮作用的重要前提。有弊是因為氫氣非常容易從身體組織內釋放出來，這不利於氫氣保持更長時間的作用。

氫氣的比熱大、導熱效能好。氫氣導熱率比空氣大7倍。在相同的壓力下，氫氣的比熱是氮的13.6倍，氦的2.72倍。因此，相對於其他氣體，氫的吸熱和導熱效能都比較強。熱導分析儀就是基於導熱係數差異原理分析氣體濃度，常用於分析氫氣的濃度。

氫的傳音速度快。在標準狀態下，空氣的傳音速度是331 m/s，氦的傳音速度是972 m/s，而氫的傳音速度是1286 m/s。因此，人如果呼吸氫氣，則語音會發生明顯的改變，潛水員呼吸氫氣氧氣混合氣體也可以發生語音改變。