氫通常的單質(zhì)形態(tài)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，是自然界相對分子質(zhì)量最小的氣體，比空氣的密度小許多。在溫度為0℃、壓強(qiáng)為101.325千帕的標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1升氫氣質(zhì)量是0.089克。與同體積的空氣相比，氫氣質(zhì)量約是空氣的1/14。利用這一性質(zhì)，人們曾經(jīng)用氫氣球作為空中運(yùn)輸工具。由于氫氣的密度非常低，地球表面的氫氣不斷在大氣中上升并逐漸向宇宙中揮發(fā)，這是地表空氣中的氫氣含量非常低的主要原因。在地球表面的大氣中只存在極稀少的游離狀態(tài)氫氣，約占總體積的千萬分之五(0.5ppm)，但是離地面20~25千米的高空大氣可能主要由氨和氫兩種氣體組成。
 

氫氣是非常難液化的氣體，在101.325千帕下，氫氣在一252.8℃時(shí)，能變成無色液體，液體氫具有超導(dǎo)性質(zhì)。在一259.2℃時(shí)，液體氫能變?yōu)檠┗罟腆w氫。80多年前，科學(xué)家推測氫氣在極端高壓下可變成金屬狀態(tài)，氫金屬也具有超導(dǎo)性質(zhì)，2017年美國哈佛大學(xué)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，利用人工鉆石和超高壓制造出金屬氫。
 

在一定溫度和壓強(qiáng)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身和溶劑性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度、壓強(qiáng)有關(guān)，一般氣體溶解度隨著溫度升高而減少，隨壓強(qiáng)增大而顯著增大。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(shù)來表示溶解度。氫氣在水和許多其他液體中的溶解度比較小。在20℃、1個(gè)大氣壓(純氫氣環(huán)境)條件下，100毫升水中能溶解1.82毫升氫氣，因此，溶解度表示為1.82%。
 

按照摩爾濃度計(jì)算，20℃時(shí)水中溶解1個(gè)大氣壓純氫氣的濃度為0.8毫摩爾/升。也有研究提示，與許多其他氣體不同的是，氫氣的溶解度可能隨著溫度的升高而增大。
 

商品化氫水濃度經(jīng)常用ppm或ppb來表示，這并不是標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)術(shù)計(jì)量單位。ppm是parts per million的縮寫，表示百萬分之一。1ppm就是每100萬克水中含有1克氫氣。同樣，ppb是parts per bilion的縮寫，表示十億分之一。在飽和狀態(tài)下每1升水大約溶解18毫升氫氣，1升水的質(zhì)量是1000克，18毫升氫氣是1.6毫克氫氣。1.6/(1000×1000)=1.6ppm，也就是說飽和氫水的氫氣濃度大約是1.6ppm或1600ppb，目前國內(nèi)的氫產(chǎn)業(yè)將毫克/升(mg/L)作為氫水濃度的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位，1mg/L=1ppm。
 

1803年，英國化學(xué)家威廉·亨利(Willam Henry)根據(jù)自己的研究結(jié)果總結(jié)出一條氣體溶解于液體的經(jīng)驗(yàn)定律，稱為亨利定律(Henry's law)。享利定律是指在一定的溫度和壓強(qiáng)下，氣體在液體中的溶解量與該氣體的平衡壓強(qiáng)成正比。也就是說，氣體在液體中的溶解量隨著該氣體的分壓增大而成比例增大。在同樣條件下，100%濃度氫氣在液體中的溶解量是2%濃度氫氣的50倍。常溫條件下，氫氣在水中的溶解度為1.8%，在脂肪中的溶解度是水中的2倍，為3.6%。氫氣在水和脂肪中的溶解度差異會(huì)導(dǎo)致氫氣進(jìn)入機(jī)體后，大腦等器官的氫氣含量高于其他含水量比較高的器官。氫氣在鎳、鈀和鉬等一些金屬中的溶解度非常大，如一體積鈀能溶解幾百體積氫氣，人們利用氫氣的這一物理性質(zhì)開發(fā)出了固體儲(chǔ)氫材料。
 

氫氣的比熱容大、導(dǎo)熱性能好。氫氣的導(dǎo)熱率比空氣大7倍。在相同的壓強(qiáng)下，氫的比熱容是氮的13.6倍、氨的2.72倍。相對于其他氣體，氫的吸熱和導(dǎo)熱性能都比較強(qiáng)。利用這個(gè)特點(diǎn)，可利用熱導(dǎo)檢測器測定氫氣在混合氣體中的濃度。
 

氫氣相對分子質(zhì)量小且沒有極性，滲透性很強(qiáng)，常溫下就可穿透橡皮和乳膠材料(如給玩具氫氣球充氣，由于氫氣能鉆過橡膠上的極小細(xì)孔，一段時(shí)間后，氣球會(huì)因?yàn)槁舛鴮?dǎo)致體積縮小，無法升空)，在高溫下還可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。在高溫和高壓下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。鋼結(jié)構(gòu)物品暴露于一定溫度和壓強(qiáng)的氫氣中時(shí)，滲透于鋼晶格中的原子氫在緩慢變形中可導(dǎo)致鋼材脆化。氫氣滲透能力強(qiáng)的性質(zhì)給氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來很大困難，也給包裝氫水等產(chǎn)品維持氫濃度帶來一定困難，如常見的PVC材料包裝瓶就無法阻止氫氣從瓶中逃逸，氫水中溶解的氫氣數(shù)日就可穿透材料緩慢釋放到空氣中，目前已知只有鋁合金材料可以有效防止氫氣逃逸。
 

氫氣擴(kuò)散速度快。根據(jù)氣體擴(kuò)散定律，氣體在液體中的擴(kuò)散速度與該氣體相對分子質(zhì)量的平方根成反比。在液體或人體組織中，氫的擴(kuò)散速度是氮的3.74倍、氦的1.41倍。對氫氣醫(yī)學(xué)來說，氫氣的擴(kuò)散能力強(qiáng)大意味著能進(jìn)入身體內(nèi)所有部位。研究表明，氫氣非常容易跨越血腦屏障，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)線粒體和細(xì)胞核等部位，也能進(jìn)入蛋白質(zhì)、脂肪和核酸等生物大分子內(nèi)部。擴(kuò)散速度快是氫氣發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。
 

氫氣傳聲速度快。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣的傳聲速度是331米每秒，氨的傳聲速度是972米每秒，而氫的傳聲速度是1286米每秒。因此，人如果吸入氫氣，則語音會(huì)發(fā)生明顯的改變，潛水員呼吸高壓氫氣和氧氣的混合氣體也可以發(fā)生語音的改變。