2009年3月9日

不知「氫」重

作者/施建輝(任教新竹科學園區實驗中學化學科)

氫是最容易被忽視的元素。在一般的化學教科書中,我們常見到以下介紹:「空氣的成分裡,氮氣占約80%,氧氣占約20%」,或「地殼的元素前四位分別為氧、矽、鋁、鐵」,卻很少有提到「氫」這個元素的。作為週期表上的第一號元素,「氫」是很委屈的,我們先為它平反:

(一)在地殼裡,如果按重量計算,氫只占總重量的1%,而如果按原子百分數計算,則占17%。

(二)海洋占地球面積的十分之七,海洋以水(H2O)為主體,氫只占總重量的11%,但若按原子百分數計算,則占67%。

(三)在太陽的大氣中,按原子百分數計算,氫占81.75%。

(四)在整個宇宙中,按原子百分數來說,氫是最多的元素。據研究,在宇宙空間中,氫原子的數目比其他所有元素原子的總和還要大上100倍。

由以上的資料,我們可確認「氫」是非常重要的元素,基於這個緣故,以下讓我們深入了解這個元素。

週期表的第一號元素

人們很早就發現氫氣的存在,因為當熾熱的炭遇到水蒸氣,即可生成一氧化碳與氫氣。但直到1766年,氫才被英國科學家卡文迪許(Henry Cavendish)確定為化學元素(當時稱為可燃空氣),並證明它在空氣中燃燒會生成水。1787年法國化學家拉瓦錫(Lavoisier)證明氫是由單一元素組成的物質,並為它命名。

氫的元素符號為「H」,源自其英文名稱「Hydrogen」,這個字希臘原意為hydro(水)加上genes(形成者),即氫是形成水的元素;日語循希臘語原意,稱為「水素」;我國則名之以「氫」,顧名思義,知其常溫常壓下為氣態且為最輕的元素,也相當傳神。

氫的原子序為「1」,表示它是週期表的第一號元素,其結構是所有元素中最簡單的。氫的原子核內僅有一個質子,而原子核外僅有一個電子。

氫有數種同位素,常被提及的是11H(H,氫,或寫為氕)、21H(D ,重氫,或寫為氘)與31H(T ,超重氫,或寫為氚);其他則為人造元素,有41H與51H,生命期甚短。前三種同位素的原子量與百分率如表一所示:

故氫的平均原子量(忽略31H)為1.00783× 99.985%+ 2.01400 × 0.015%= 1.00798 ,取到小數點第三位1.008 ,即為週期表上所列出的原子量。

氫的應用

氫氣槍

高中職很受歡迎的科學競賽——遠哲科學趣味競賽,有個競賽項目就是「氫氣槍」,以鋅片與鹽酸反應生成氫氣,將氫氣混合空氣,收集在養樂多瓶,再以點火槍點燃氫氣射出養樂多瓶,比賽哪一隊能將養樂多瓶射得最遠。為獲佳績,各參賽隊伍要動手動腦、發揮創意,玩過的學生都很喜歡這個活動。

飛行船

人類一直有飛行的夢想,因為氫氣是最輕的氣體,用氫氣搭載人類升空,一直是冒險家研究發展的方向。二十世紀初,氫氣球升空了,搭乘氫氣球升空,是那個時代的熱潮。可是1937年的興登堡號飛船在空中起火,導致船上35人全數罹難,飛行船的發展就此煙消雲散。【更詳細的內容,請參閱第471期科學月刊】

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