【微觀世界】發現氫元素（Hydrogen）

■ 氫是元素週期表上第一個元素，也是最輕的元素。它只由一個質子和一個電子組成，沒有中子，卻是構成生命賴以存續的水分子的重要角色。在目前已知的範疇中，氫是宇宙裡含量最豐富的元素。

撰文 ∣ 建國中學廖家榮老師

編修 ∣ 台大化學系陳竹亭教授

氫氣公認是由英國化學家卡文迪許（Henry Cavendish, 1731~1810）發現的。

歷史上第一次描述人造的氫氣則是在西元十六世紀，瑞士的江湖醫生，也是煉金術士帕拉塞許（Paracelsus）曾經敘說讓鐵屑和強酸接觸會產生可燃的氣體（想像是哈利波特的場景，就很炫了）。十七世紀中葉的歐洲，普遍認為空氣是氣態的元素，其他氣體則被認為是含雜質的不純空氣（近代元素的概念是由拉瓦節確立的，他認為無法再分出不同物質的純物質就是元素）。

十七世紀，法國的雷姆利（Nicolas Lémery）注意到在空氣中將硫酸與鐵作用產生的氣體有爆炸性。英國的波以耳（Robert Boyle）也用鐵屑與稀酸得到氫氣，蘇俄化學家羅蒙諾索夫（Mikhail Vasilievich Lomonosov）重複鐵與醋酸的反應得到氣體，也知道其可燃。

卡文迪許在西元1766年提出報告，確認氫氣是一種可單獨存在的可燃性純物質，他向英國皇家學會（Royal Society）提交的研究報告人造空氣實驗中，詳細陳述了對氫氣的研究。他敘述用鋅、鐵等金屬與鹽酸作用，以排水集氣法收集產生的氣體不但可燃，與空氣混合點燃後還會爆炸，故稱之為「源自金屬的可燃空氣」（inflammable air from metals）。經測量該氣體的密度，只有空氣的9%而已，但是他原以為反應產生的氫氣是來自於金屬，而且就是大家相信的燃素（phlogiston）。

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?　　西元1776年，法國化學家馬柯在空氣中點燃氫氣，用瓷盤在火焰上方收集到水滴，1781年，普利斯特里（Joseph Priestley）和卡文迪許也先後操作該實驗，確認了氫氣在空氣中燃燒會生成水。此時普利斯特里已發現了氧氣，正是拉瓦節為氧氣（oxygen， 產生酸的元素）命名後的第五年。卡文迪許混合氫氣與氧氣，以電火花引爆，確認水是氫氣與氧氣以體積比2：1化合的產物，但是他受「燃素說」的牽絆，始終未宣稱 氫是一種元素。

拉瓦節（Antoine Lavoisier）重複了卡文迪許點燃氫、氧混合氣體製水的實驗，下了結論：「水是由氫與氧化合而成的化合物，不是元素。」

1787年拉瓦節正式將氫命名為「hydrogen」（希臘文的意思是產生水的元素）。中文原譯稱「輕氣」，後取「輕」之形聲而創新字為「氫」，日文與韓文則稱氫為「水素」。

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■ 圖：氫元素結晶體的排列（Crystal structure : hexagonal）?

　　關於這張奇妙的圖，陳竹亭教授補充如下：要測知氫的固態結構極難，因為凝固點極低，接近零下260度，氫原子太小，要用中子去測量。要記住每一種元素的原子都不同，目前已知的元素共112種，氫的原子是各種元素的原子中最小的。這張圖表示了14個氫原子都位在六邊形長柱的角落上，此架構可無限延伸。

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本文原發表於：高瞻計畫資源平台  CASE圖文好讀版修改於11月28日 by 陳竹亭教授＆MissZoe