【微觀世界】發現氫元素(Hydrogen)

Souvenir postcard from Altengrabow Germany_drakegoodman@Flicker
氫氣的歷史:第一次世界大戰中,德國曾將氫氣運用於氫氣球與飛船之上。

■ 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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Hexagonal?  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
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