氫氣是氫元素的最簡(jiǎn)單分子形式，受人類自身知識(shí)和各種因素限制，過(guò)去人類對(duì)氫氣的醫(yī)學(xué)生物學(xué)效應(yīng)研究很少，近10年來(lái)的大量研究發(fā)現(xiàn)氫氣具有非常神奇的醫(yī)學(xué)生物學(xué)效應(yīng)，氫氣醫(yī)學(xué)效應(yīng)背后可能隱藏著巨大的秘密。
 

要全面理解氫氣的醫(yī)學(xué)生物學(xué)效應(yīng)，首先必須了解氫氣發(fā)現(xiàn)的歷史、氫氣的理化性質(zhì)和氫元素的特點(diǎn)，這些都是與氫氣醫(yī)學(xué)效應(yīng)關(guān)系密切的性質(zhì)，對(duì)于理解和研究氫氣的生物學(xué)作用機(jī)制非常重要。因此，本章將介紹氫元素、氫氣的發(fā)現(xiàn)歷史和氫氣的物理、化學(xué)性質(zhì)。
 

德國(guó)著名天體物理學(xué)家A.H.G.博爾納(Albert Hermann Gerhard Boerner)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“氫是宇宙中最重要的成分。”宇宙中除暗物質(zhì)暗能量外，75%以上的有形物質(zhì)是由結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的氫元素組成的。大部分氫原子是由包含一個(gè)質(zhì)子的原子核和一個(gè)核外電子組成。人是自然界最復(fù)雜的物質(zhì)形式，人體主要也是由以氫元素為主的有機(jī)碳?xì)浠衔锖退肿咏M成的。
 

從物理性質(zhì)角度看，氫氣在水中的溶解度非常低，在室溫和常壓條件下，一升水在溶解度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)大約可以溶解0.8毫摩爾氫氣，這一濃度雖然看起來(lái)比較低，但這是生物學(xué)體系中常見的活性物質(zhì)濃度范圍，也是氫氣具有醫(yī)學(xué)生物學(xué)效應(yīng)的劑量前提。氫氣是一種化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的分子，其中最顯著的化學(xué)性質(zhì)是還原性。過(guò)去的觀點(diǎn)認(rèn)為，氫氣直接與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)需要一定的溫度和濃度等條件，生物體系中不具備這樣的條件，因此認(rèn)為氫氣不具有生物學(xué)效應(yīng)。但是生物體系的反應(yīng)是在多種酶催化的條件下進(jìn)行的，例如最近有人發(fā)現(xiàn)氫氣可以被機(jī)體和細(xì)胞線粒體代謝，提示氫氣與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)是非?？赡艿?。況且不發(fā)生或很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也不是產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的必要條件，生物體內(nèi)可能存在我們不了解的能促進(jìn)氫氣與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的條件，這是氫氣發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的化學(xué)基礎(chǔ)。
 

1.1 氫——宇宙一號(hào)元素

氫(hydrogen)是一種化學(xué)元素，在元素周期表中位于第一位，元素符號(hào)是H，是自然界最小的原子。有人說(shuō)世界起源于自然法則，也有人說(shuō)起源于氫元素。無(wú)論怎么說(shuō)，在宇宙、銀河系、太陽(yáng)、行星、衛(wèi)星演變以及漫長(zhǎng)精彩的各類生命起源和進(jìn)化過(guò)程中，氫元素都無(wú)處不在，并一直扮演著重要角色。
 

2018年3月14日，英國(guó)著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)去世，霍金研究的黑洞和宇宙論對(duì)普通人來(lái)說(shuō)實(shí)在難以全面理解，我們暫且不去追究他的理論是否完全正確，從歷史發(fā)展角度看，將來(lái)應(yīng)該有更理想的理論來(lái)解釋這些現(xiàn)象。目前他的理論是公認(rèn)比較正確的，闡述宇宙產(chǎn)生的系統(tǒng)學(xué)說(shuō)。
 

為了清楚闡述量子力學(xué)如何影響宇宙的起源和命運(yùn)，霍金提出了“熱大爆炸模型”。這一觀點(diǎn)認(rèn)為，我們的宇宙是起源于150億年前密度無(wú)限大、溫度無(wú)限高和體積無(wú)限小的一個(gè)奇點(diǎn)的爆炸。那就是宇宙的起源，也是時(shí)間和空間的起源。大爆炸模型假定，從大爆炸開始的那一刻起，宇宙就按照弗里德曼模型演化。所謂弗里德曼模型，是指在宇宙膨脹過(guò)程中，宇宙中任何物體都會(huì)因?yàn)檩椛涠档蜏囟?。溫度是微觀粒子平均運(yùn)動(dòng)速度的整體或宏觀體現(xiàn)，粒子運(yùn)動(dòng)速度越快，則宏觀溫度越高，反之亦然。宇宙降溫會(huì)對(duì)其中的物質(zhì)狀態(tài)產(chǎn)生巨大影響。在非常高的溫度下，粒子運(yùn)動(dòng)得非?？?，甚至能逃脫任何核力或電磁力的吸引(此時(shí)無(wú)法形成原子)。當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)，互相吸引的核力或電磁力使粒子開始相互結(jié)合。更重要的是，存在于宇宙中的粒子種類也依賴于溫度高低發(fā)生變化。
 

在大爆炸后的大約100秒，溫度從無(wú)限大迅速降低到了10億攝氏度。在此溫度下，質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫粒子之間強(qiáng)核力的相互吸引，開始結(jié)合產(chǎn)生氛(重氫)的原子核。氟核包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，所以宇宙演化過(guò)程中出現(xiàn)的第一類原子核就是氟核。然后爾核與更多質(zhì)子、中子相結(jié)合形成氨核，它包含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，還產(chǎn)生了少量的兩種更重的元素鋰和皺。余下的中子會(huì)衰變成質(zhì)子和電子，質(zhì)子不需要與任何粒子結(jié)合，本身就是氣原子的核，也是我們所熟悉的氫離子。也就是說(shuō)，在原子形成過(guò)程中，先有重氫原子核，然后有氣原子核;先形成原子核，后來(lái)才出現(xiàn)原子。
 

大爆炸后的4分鐘，氨和其他元素原子核的產(chǎn)生就基本停止了。從宏觀上考慮，此后30萬(wàn)年左右，宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹，沒(méi)有發(fā)生什么顛覆性的變化。最后，一旦溫度降低到幾千攝氏度，電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力，開始結(jié)合形成原子。在大爆炸發(fā)生30萬(wàn)年后，質(zhì)子與電子結(jié)合，宇宙中最偉大最重要的成員氫原子誕生了。
 

隨著時(shí)間流逝，星系中的氫氣和氨氣被分割成更小的星云，它們?cè)谧陨硪ο绿s。它們收縮時(shí)原子互相碰撞，氣體溫度不斷升高，到一定程度后，熱得足以開始發(fā)生熱核聚變反應(yīng)。這些反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氨，釋放的熱升高了壓強(qiáng)，使星云不再繼續(xù)收縮。如同太陽(yáng)一樣，它們將氫燃燒成氨，并將得到的能量以熱和光的形式輻射出來(lái)。它們會(huì)穩(wěn)定地在這種狀態(tài)下停留一段很長(zhǎng)的時(shí)間。質(zhì)量更大的恒星需要變得更熱，以平衡它們更強(qiáng)的自身引力，它們的核聚變反應(yīng)進(jìn)行得極快，以至于它們?cè)谝粌|年這么短的時(shí)間里，就將全部氫消耗完，并給生命進(jìn)化的行星提供光和熱。
 

無(wú)論我們現(xiàn)在的宇宙是不是真如上述所描述的樣子形成，科學(xué)觀測(cè)表明，組成宇宙的成分中，90%是氫元素，9%是氨元素。我們生活的地球的成分組成與此不同，地殼中各主要元素的含量從高到低依次為氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫，成分百分比分別為：氧48.06%、硅26.30%、鋁7.73%、鐵4.75%、鈣3.45%、鈉2.74%、鉀2.47%、鎂2.00%、氫0.76%。不過(guò)像地球這樣的星球，并不是宇宙的主要成分。太陽(yáng)這樣分量更大的恒星才是宇宙的主要成員，是決定宇宙成分的主要因素。
 

博爾納認(rèn)為，“氫是宇宙中最重要的成分”。氫是宇宙元素的觀點(diǎn)，可以從含量、結(jié)構(gòu)和功能三個(gè)方面來(lái)說(shuō)明。第一，氫元素是宇宙的基本成分和最主要成分，在宇宙所有元素中占90%，其他元素也都是由氫元素演變而成。第二，氫元素是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的元素。第三，氫元素是宇宙中各類能量轉(zhuǎn)化的樞紐，氫元素聚變是太陽(yáng)等恒星產(chǎn)熱的基礎(chǔ)，生物能量轉(zhuǎn)化也是以傳遞氫原子的方式進(jìn)行。
 

出華盛頓大學(xué)物理學(xué)教授約翰·里格登(John Rigden)寫了一部關(guān)于氫的著名科普書《氫的傳奇》，2002年該書被《發(fā)現(xiàn)》雜志選為最佳科普著作。里格登這樣評(píng)價(jià)氫，“我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，小到最基本原子，大到宇宙本身，都可以由氫貫穿起來(lái)”。在這本書中，里格登給我們展示了氫在科學(xué)發(fā)展歷史中的獨(dú)特魅力，氫原子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，也最為獨(dú)特，數(shù)百年來(lái)，氫元素一直吸引著世界頂級(jí)科學(xué)家的興趣和關(guān)注。
 

德國(guó)科學(xué)家在《自然》雜志的研究報(bào)道，從遺傳角度再次確認(rèn)，地球生命始祖是一種依靠氫氣為能量的微生物。這一發(fā)現(xiàn)與過(guò)去通過(guò)地質(zhì)學(xué)研究和海底微生物研究獲得的結(jié)論類似，進(jìn)一步確定了祖先生物的特征。過(guò)去科學(xué)家根據(jù)生命起源的地球環(huán)境，曾經(jīng)推測(cè)原始生命是依靠氫氣為能源的觀點(diǎn)。對(duì)許多地球深部巖石的勘探也證明，在生命起源的地質(zhì)年代，空氣和水中都含有大量氫氣。最近大量證據(jù)表明，作為所有真核細(xì)胞能量代謝的核心細(xì)胞器，線粒體就是進(jìn)化自能制造氫氣的原始變形菌。生物信息學(xué)研究表明，細(xì)菌代謝氫氣的氫化酶和真核細(xì)胞線粒體電子傳遞鏈的復(fù)合物I功能亞基屬于同源分子，提示氫氣可能會(huì)影響細(xì)胞能量代謝的核心過(guò)程?？傊瑥幕虻奖硇?，從環(huán)境進(jìn)化到能量代謝，從理論到實(shí)際證據(jù)，都說(shuō)明氫氣是生命誕生的必要條件。
 

氫氣作為生命能源的基本供體，對(duì)許多生物分子和生物化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生調(diào)節(jié)和影響，幾乎就是一種必然。最近大量醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氫氣對(duì)人和動(dòng)物疾病有預(yù)防作用，還可以調(diào)節(jié)植物和微生物的生長(zhǎng)，防護(hù)植物疾病損傷。這些證據(jù)都提示氫氣這種生命氣體分子仍然具有產(chǎn)生巨大生物活性的潛力，這非常符合邏輯和預(yù)期，可以認(rèn)為氫氣是生命之父。
 

筆者認(rèn)為，氫元素就是為科學(xué)而生，圍繞氫氣的研究就是一部自然科學(xué)傳奇。氫氣現(xiàn)在進(jìn)入醫(yī)學(xué)生物學(xué)家的視野，又將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域演繹傳奇。巧合的是，有機(jī)生命組成最多的元素也是氫，作為電子傳遞介質(zhì)，氫元素也是生命能量轉(zhuǎn)化的中心成員，而生命內(nèi)環(huán)境最重要的成分水主要也是由氫元素組成。因此可以說(shuō)，氫元素不僅是宇宙元素，也是生命元素。
 

1.2 氫元素和氫氣

氫是唯一由幾種同位素共同組成的物質(zhì)元素。自然界中存在的氫同位素有氕(protium)、氘(deuterium)和氚(tritium)三種。以人工方法合成的同位素還有“H、5H、6H和H等。氕是自然界中含量最多的氫同位素，豐度達(dá)99.98%，氣原子核只有一個(gè)質(zhì)子，不含中子，是構(gòu)造最簡(jiǎn)單的原子(見圖1-1)。

圖1-1 氫原子的波爾模型

氘是含量第二的氫同位素，在海水中氛的濃度大約是155ppm①，氘氫鍵能產(chǎn)生更強(qiáng)的蒸發(fā)分離效應(yīng)，在高原極地冰中氘的含量是140ppm左右。雖然氘的含量比較少，但由于氫同位素效應(yīng)是所有元素中最顯著的，氘的生物學(xué)效應(yīng)也受到學(xué)者關(guān)注。有概念認(rèn)為冰川水和低氘水是功能水，低氘水支持者認(rèn)為，氫鍵影響生命體所有反應(yīng)和結(jié)構(gòu)構(gòu)成，是水、蛋白質(zhì)和核酸等重要生物分子結(jié)構(gòu)形成的最基本化學(xué)形式。由于同位素效應(yīng)，氘形成的氫鍵鍵能比氕高，生物體系內(nèi)氘比例改變必然對(duì)生物過(guò)程產(chǎn)生影響。1974年，T.R.格里菲思(T.R.Griffiths)根據(jù)氛的同位素效應(yīng)，還有氘水對(duì)許多生物的毒性作用等現(xiàn)象，提出氘加速衰老、影響DNA反應(yīng)酶活性的假說(shuō)。此后一些學(xué)者開始對(duì)低氘水生物效應(yīng)進(jìn)行研究。其中比較著名的是匈牙利生物學(xué)家G.索姆利艾(Gabor Somylai)博士，他發(fā)現(xiàn)低氘水能顯著抑制腫瘤細(xì)胞的分裂繁殖。索姆利艾博士用低氘水對(duì)癌癥、糖尿病等疾病進(jìn)行臨床研究，發(fā)現(xiàn)低氘水具有一定抗癌和抗糖尿病效果。目前低氘水生物醫(yī)學(xué)研究總體規(guī)模非常小，尚沒(méi)有得到主流醫(yī)學(xué)的認(rèn)可。
 

作為最簡(jiǎn)單的原子，氫在原子物理領(lǐng)域有特別的理論研究?jī)r(jià)值。眾多科學(xué)家對(duì)氫原子的光譜、能級(jí)、成鍵等方面不斷深入研究，對(duì)量子力學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的人類革命性發(fā)現(xiàn)起到了十分關(guān)鍵的作用。
 

根據(jù)核外電子的不同，氫原子有氫陰離子、氫陽(yáng)離子和氫原子三種存在方式。在氫離子化合物中，氫原子得到一個(gè)電子成為氫陰離子(以H表示，也稱為氫負(fù)離子)，它與金屬等共同構(gòu)成氫化物(如氫化鈣、氫化鎂等)。氫陰離子由兩個(gè)電子及一個(gè)質(zhì)子組成，是已知的除電子鹽外體積最小的陰離子。氫陰離子不能在水溶液中穩(wěn)定存在，是已知最強(qiáng)的堿之一。氫陰離子也是非常強(qiáng)的還原劑，有人利用氫陰離子具有強(qiáng)還原性的特點(diǎn)制備功能食品，筆者認(rèn)為這種氫陰離子在體內(nèi)可與氫陽(yáng)離子反應(yīng)產(chǎn)生氫氣發(fā)揮作用，可以歸類為氫氣醫(yī)學(xué)健康產(chǎn)品。
 

氫原子失去一個(gè)電子成為氫陽(yáng)離子(以H+表示，簡(jiǎn)稱氫離子)。由于氫陰離子不常用，氫陽(yáng)離子一般直接稱為氫離子。在水溶液和水中，氫離子并不獨(dú)立存在，而是與水結(jié)合存在的。氫離子在酸堿化學(xué)中尤為重要，酸堿反應(yīng)中常存在氫離子的交換。pH值亦稱為酸堿值，指的是氫離子或質(zhì)子的濃度指數(shù)，是溶液中氫離子活度的一種標(biāo)度，也是通常意義上溶液酸堿程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于許多生命活動(dòng)對(duì)酸堿度有非常嚴(yán)格的適應(yīng)范圍，例如人的血液pH值必須維持在7.35~7.45。近年來(lái)生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氫離子本身就是一種可以啟動(dòng)細(xì)胞膜通道的重要信號(hào)介質(zhì)。
 

共價(jià)氫化物是非金屬、類金屬及一些電正性不大的金屬元素與氫形成的化合物。有些元素還可形成雙核及多核的氫化物，如H3N和H2O2等，其中以碳形成的氫化物最多。所有有機(jī)物都是碳的共價(jià)氫化物，有機(jī)物是構(gòu)成生物體結(jié)構(gòu)的最主要成分。
 

氫原子與電負(fù)性大的原子X(jué)(如氟、氧和氮等)以共價(jià)鍵結(jié)合，若與其他電負(fù)性大的原子Y接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X一H.…Y形式的鍵稱為氫鍵。氫鍵是一種特殊的分子內(nèi)和分子間作用力，是實(shí)現(xiàn)水的物理化學(xué)性質(zhì)和許多生物大分子功能的重要基礎(chǔ)。
 

氫鍵是一種比分子間作用力強(qiáng)，比共價(jià)鍵和離子鍵弱的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性介于共價(jià)鍵和離子鍵之間。在生物體中，大量氫鍵共同起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。例如蛋白質(zhì)a螺旋是N-H…O型氫鍵，DNA雙螺旋是N-H…O和N-H·N型氫鍵。水和其他溶媒的異質(zhì)性是由于在水分子間生成O-HO型氫鍵(見圖1-2)。由于鍵能較低，氫鍵的形成和破壞都比較容易，所以氫鍵對(duì)生物分子間的識(shí)別與生物化學(xué)反應(yīng)都有著非常重要的意義。
 

圖1-2 水分子之間的氫鍵（白色為水分子中的氫原子，灰色為氧原子）

①ppm表示百萬(wàn)分之一，1ppm=1×10-6，行業(yè)慣用。
 

1.3 氫氣的發(fā)現(xiàn)及物理化學(xué)性質(zhì)

1.3.1 氫氣的發(fā)現(xiàn)
 

很難根據(jù)化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)歷史去確定氫氣是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)樵?jīng)有很多人嘗試通過(guò)實(shí)驗(yàn)制取氫氣。16世紀(jì)末期，瑞士化學(xué)家帕拉塞爾蘇斯(Paracelsus)注意到一個(gè)現(xiàn)象，酸腐蝕金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種可以燃燒的氣體，也就是說(shuō)他無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了氫氣。1671年，愛(ài)爾蘭著名哲學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家和發(fā)明家羅伯特·玻意耳(Robert Boyle)也曾經(jīng)收集氫氣并描述了氫氣性質(zhì)，但未進(jìn)行研究。17世紀(jì)時(shí)，比利時(shí)生化學(xué)鼻祖范·海爾蒙特(van Helmont)曾偶然接觸過(guò)這種氣體，但沒(méi)有把它離析、收集起來(lái)。1700年，法國(guó)藥劑師尼古拉斯·勒梅里(Nicolas Lemery)在巴黎科學(xué)院的《報(bào)告》上也提到過(guò)它?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)成果歸屬于誰(shuí)，主要取決于科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身的定義和價(jià)值。在科學(xué)史上，人們最終把氫氣的發(fā)現(xiàn)者確定為亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)(見圖1-3)，因?yàn)槭强ㄎ牡鲜沧钕劝褮錃馐占饋?lái)，并仔細(xì)研究確定了氫氣的密度等基本物理化學(xué)性質(zhì)。

圖1-3 英國(guó)劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家和化學(xué)家卡文迪什，1731年10年10日出生于法國(guó)尼斯，1810年2月24日卒于英國(guó)倫敦。以發(fā)現(xiàn)氫氣和準(zhǔn)確測(cè)定地球密度聞名
 

1766年，卡文迪什把一篇名為《論人工空氣》的研究報(bào)告提交給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。在這一論文中所論及的除碳酸氣外，主要講的就是氫氣?？ㄎ牡鲜灿描F、鋅等與鹽酸及稀硫酸反應(yīng)的方法制取氫氣，并將氫氣用水銀槽法收集起來(lái)。他發(fā)現(xiàn)，用一定量的某種金屬與足量的各種酸反應(yīng)，所產(chǎn)生的氫氣量總是固定不變的，與酸的種類和濃度無(wú)關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)，氫氣與空氣混合點(diǎn)燃會(huì)發(fā)生爆炸。所以卡文迪什稱這種氣體為“可燃空氣”。并指出，這種氣體是普通空氣重量的1/11，不溶于水或堿溶液。
 

1781年，英國(guó)化學(xué)家約瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)發(fā)現(xiàn)，“可燃空氣”與空氣混合爆炸后有液體產(chǎn)生。普里斯特利把這一發(fā)現(xiàn)告訴了卡文迪什，卡文迪什用多種不同比例的氫與空氣的混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了普里斯特利的發(fā)現(xiàn)，并斷定所生成的液體是水?？ㄎ牡鲜策€發(fā)現(xiàn)，把氫氣和氧氣放在一個(gè)玻璃球里再通上電，就可以生成水。后來(lái)卡文迪什用純氧代替空氣重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不僅證明氫氣與氧氣化合成水，而且定量確認(rèn)大約2體積氫氣與1體積氧氣恰好化合成水，該結(jié)果發(fā)表于1784年。盡管卡文迪什首先發(fā)現(xiàn)了氫氣并證明氫氣和氧氣反應(yīng)的定量關(guān)系，但由于受到傳統(tǒng)燃素學(xué)說(shuō)的束縛，他并沒(méi)有正確認(rèn)識(shí)到氫氣發(fā)現(xiàn)的重要價(jià)值。
 

法國(guó)著名化學(xué)家安托萬(wàn)-洛朗·德·拉瓦錫(Antoine-Laurent deLavoisier)是最早命名氫，也是最早研究氫氣生理作用的科學(xué)家。他重復(fù)了卡文迪什的實(shí)驗(yàn)并提出正確的結(jié)論一—水是氫和氧的化合物，徹底否定了水是一個(gè)元素的傳統(tǒng)看法。拉瓦錫于1787年確認(rèn)氫是一種元素，由于氫氣和氧氣化合可以產(chǎn)生水，拉瓦錫用拉丁文Hydro為詞根，命名氫氣為Hydrogen，意思是“成水元素”。日文和朝鮮語(yǔ)中氫氣用“水素”的直譯來(lái)表示，所以市場(chǎng)上“水素水”的本意就是氫水。
 

中國(guó)人知道氫氣的概念得益于中國(guó)近代化學(xué)啟蒙者、清代江蘇無(wú)錫人徐壽(見圖1-4)。1868年起，徐壽在江南制造總局下屬的翻譯館從事翻譯工作，與英國(guó)傳教士亞歷山大·衛(wèi)禮(Alexander Wylie)、約翰·傅蘭雅(John Fryer)等共同致力于將西方近代化學(xué)知識(shí)體系引入中國(guó)，在17年間翻譯出版科技著作13部，包括《化學(xué)鑒原》《化學(xué)鑒原續(xù)編》等西方近代化學(xué)著作6部63卷。當(dāng)時(shí)許多化學(xué)元素沒(méi)有中文對(duì)應(yīng)，徐壽在翻譯過(guò)程中發(fā)明了音譯命名方法，首創(chuàng)了一套化學(xué)元素的中文名稱。把化學(xué)元素英文讀音中的第一音節(jié)譯成漢字作為漢字名稱。
 

圖1-4 中國(guó)清末著名科學(xué)家徐壽，1818年2月16日生于江蘇無(wú)錫，1884年9月24日卒于上海。中國(guó)近代化學(xué)先驅(qū)，制訂了化學(xué)元素中文命名規(guī)則
 

對(duì)于金、銀、銅、鐵、錫、硫、碳等元素，從已有中國(guó)字里面選最接近含義的字，而鈉、鈣、鎳、鋅、錳、鉆、鎂等，則是通過(guò)造新字命名。徐壽認(rèn)為氧氣(oxygen)是人類生存離不開的氣體，所以把氧氣命名為“養(yǎng)氣”，即“養(yǎng)氣之質(zhì)”。氫氣(hydrogen)這種氣體因?yàn)槊芏瘸p，將其命名為“輕氣”，后來(lái)歷經(jīng)多次文字改革，“氧”代替了“養(yǎng)”，“氫”代替了“輕”，這是中文“氫氣”名字的由來(lái)。我國(guó)化學(xué)界給它定名為氫，一方面是由于它的單質(zhì)是氣體，故從氣字偏旁;另一方面因?yàn)樗亲匀唤缱钚〉姆肿樱|(zhì)量最輕，所以取它的諧音。
 

1.3.2 氫氣的物理性質(zhì)
 

氫通常的單質(zhì)形態(tài)是氫氣，氫氣是無(wú)色、無(wú)味和無(wú)臭的雙原子氣體分子。氫氣的密度非常小，是自然界相對(duì)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?cè)?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(wàn)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(wú)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(cè)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(guó)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(lái)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(lái)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(wàn)分之一。1ppm就是每100萬(wàn)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(shuō)飽和氫水的氫氣濃度大約是1.6ppm或1600ppb，目前國(guó)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(guó)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(shuō)，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(duì)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(cè)器測(cè)定氫氣在混合氣體中的濃度。
 

氫氣相對(duì)分子質(zhì)量小且沒(méi)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(guò)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(wú)法升空)，在高溫下還可透過(guò)鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。在高溫和高壓下，氫氣甚至可以穿過(guò)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(lái)很大困難，也給包裝氫水等產(chǎn)品維持氫濃度帶來(lái)一定困難，如常見的PVC材料包裝瓶就無(wú)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(duì)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(duì)氫氣醫(yī)學(xué)來(lái)說(shuō)，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(yǔ)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(yǔ)音的改變。
 

1.3.3 氫氣的化學(xué)性質(zhì)
 

氫氣在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)主要取決于組成氫氣的兩個(gè)氫原子之間較強(qiáng)的共價(jià)鍵。
 

氫氣具有可燃性。在點(diǎn)燃或加熱的條件下，氫氣可與氧氣等氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。純凈的氫氣在空氣或者氧氣環(huán)境中點(diǎn)燃后可安靜燃燒，產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰，放出熱量并生成水。若在火焰上罩一干冷的燒杯，可在燒杯壁上見到水珠。氫氣在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的濃度范圍為4%~74%，在氧氣環(huán)境中發(fā)生燃燒爆炸的濃度范圍為4%~94%。氫氣在低于4%或超過(guò)94%的濃度條件下，即使有火花存在或者在高壓條件下，也不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。人們利用氫氣的這個(gè)特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)呼吸高壓氫氣的設(shè)備用于潛水作業(yè)。1975年，美國(guó)學(xué)者在利用高壓氫氣改善癌癥的研究中，給動(dòng)物吸入8個(gè)大氣壓97.5%氫氣、2.5%氧氣(相當(dāng)于常壓環(huán)境的20%濃度，可以保證動(dòng)物正常呼吸)的混合氣體就是根據(jù)這個(gè)道理。
 

氫氣具有還原性，可燃性也是氫氣具有還原性的體現(xiàn)，是氫氣還原氧氣的性質(zhì)所決定的。氫氣不但能與氧單質(zhì)反應(yīng)，也能與某些化合物里的氧發(fā)生反應(yīng)。例如氫氣通過(guò)灼熱的氧化銅，可得到紅色的金屬銅，同時(shí)有水生成。在這個(gè)反應(yīng)里，氫氣奪取了氧化銅中的氧，生成了水;氧化銅失去了氧，被還原成紅色的銅，這個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常用于證明氫氣具有還原性。氫氣還能還原其他金屬氧化物，如四氧化三鐵和氧化鋅等。
 

氫氣具有可燃性，氫氣與氧氣發(fā)生燃燒化合反應(yīng)需要?dú)錃鉂舛葹?%以上，燃點(diǎn)為400℃。人的體核溫度只有37℃左右，距離氫氣與氧氣發(fā)生燃燒化合反應(yīng)的條件非常遠(yuǎn)。因此認(rèn)為氫氣與氧氣在人體內(nèi)無(wú)法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這是長(zhǎng)期以來(lái)把氫氣作為生理學(xué)惰性氣體的重要原因。但是，不能簡(jiǎn)單用化學(xué)性質(zhì)來(lái)理解生物化學(xué)反應(yīng)，生命體內(nèi)的生化反應(yīng)需要大量蛋白酶的催化，并經(jīng)過(guò)多種步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。人類等哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)以及土壤里的多種細(xì)菌都能合成氫氣并代謝利用氫氣(如產(chǎn)甲烷菌可以利用氫氣和二氧化碳合成甲烷)，氫氣產(chǎn)生和代謝的過(guò)程時(shí)刻發(fā)生在人類腸道微生物中。一些低等動(dòng)物和植物也具有這樣的能力。生物制氫氣也是氫能源領(lǐng)域的重要研究方向，藍(lán)藻等細(xì)菌在光照情況下的光合制氫作用可為人類提供大量能源用氫氣。因此，氫氣絕對(duì)是一種典型的生物氣體分子，其地位不低于氧氣、二氧化碳、一氧化氮等重要生物分子。
 

氫氣不僅具有還原性，也具有氧化性。氫氣是由氫原子共價(jià)形成的雙原子分子，每個(gè)氫原子都可以單獨(dú)獲得一個(gè)電子形成氫負(fù)離子，這種情況見于氫氣在高溫高壓下與強(qiáng)還原性金屬發(fā)生的反應(yīng)，此時(shí)氫氣的作用類似于氧氣，氫氣屬于氧化劑，可把金屬氧化為金屬離子。氫氣與金屬反應(yīng)的產(chǎn)物為金屬氫化物，金屬氫化物具有極強(qiáng)還原性，非常容易與水發(fā)生反應(yīng)釋放大量氫氣。某些金屬氫化物可以作為儲(chǔ)存氫氣的理想材料，有人利用氫化鈣和氫化鎂為原料開發(fā)了一系列的氫氣功能食品。