氫：1號元素的“王者風范”

蘇更林

20世紀杰出的美國天文學家沙普利曾說過：“如果上帝用一個詞創(chuàng)造了世界，那個詞就是氫。”當然，在這里我們可以把“上帝”理解為“自然法則”。氫是自然界中最輕、最簡單的元素，也許正是這一特質才使得其在宇宙演化進程中扮演了主要角色。

科學家對“1號元素”的迷戀，不僅因為它為我們帶來了無數(shù)的科學啟迪，而且它幫助科學家揭開了許多大自然的謎團，同時還為我們帶來了更多的驚喜。讓我們一同去領略氫元素的“王者風范”吧！

氫鍵的“生命之約”

水是生命之源，哺育了天地間的萬千生物。在大多數(shù)生物體內(nèi)，水分的含量占到了體重的70%～80%。含水量最高的生物要數(shù)水母了，其體內(nèi)水分的含量竟然占到了體重的98%以上。在人體內(nèi)，大約有58%～67%的重量是體液。正是這些不平凡的體液維持著人體正常的新陳代謝，從而創(chuàng)造了一個個生命的奇跡。

為什么水能夠成為生命之源？這與水的物理、化學性質是分不開的，賦予水許多奇特性質的“英雄”居然是一種神秘的靜電作用力——氫鍵。氫鍵也是一種力的作用，它比化學鍵弱得多，但比分子間的作用力強。一個水分子中的氫原子能夠與附近另一個水分子中的氧原子發(fā)生正負電荷相吸現(xiàn)象，所形成的這種吸引力就是氫鍵。由于氫鍵的存在，水的熔點和沸點分別為0℃和100℃。這樣就決定了地球上必然存在大量的液態(tài)水，從而為生命的誕生和生存創(chuàng)造了條件。如果水分子中沒有了氫鍵的存在，那么根據(jù)元素周期表“正常”元素化合物熔點、沸點變化規(guī)律，水的熔點和沸點將分別為-85℃和-60℃。倘若如此，地球上還能有液態(tài)水存在嗎？生命的奇跡還能誕生嗎？

在多姿多彩的生命世界里，氫鍵的價值著實不容小覷，比如，那美妙絕倫的DNA雙螺旋結構，如果沒有了氫鍵的固定作用就將不復存在。原來，DNA雙螺旋結構中的兩條鏈上的堿基是通過氫鍵進行配對的，DNA的復制和變異都與氫鍵有關。用氨基酸構建的蛋白質具有極其復雜的結構，其中的氫鍵發(fā)揮了重要作用。比如，細胞中的蛋白質分子需要經(jīng)過折疊才能具有特殊的功能，在這個過程中氫鍵也參與其中。

充滿神奇色彩的氫鍵，其存在也許要比生命的歷史還要漫長，但真正走進科學家的視野已到了20世紀初期。1912年，英國科學家摩爾和溫米爾最早注意到了氫鍵的存在。1920年，美國科學家拉蒂默和羅德布什首次明確提出了氫鍵的概念。1931年，美國科學家鮑林第一次使用了“氫鍵”一詞……近些年來，氫鍵已成為科學家研究的重要課題。2012年，中國科學家利用非接觸式原子力顯微鏡在世界上首次得到了氫鍵的圖像，從而為揭示氫鍵的本質、進一步實現(xiàn)氫鍵的人工控制提供了基礎，因此具有極其重要的科學意義和實用價值。

氫能利用的“接力賽”

氫能以其清潔、高效而成為能源家族中的佼佼者。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫的化合物就在火箭液體推進劑中扮演了重要角色。20世紀60年代，液體氫首次被用作航天動力燃料，把“阿波羅”號飛船送上了月球。如今氫已經(jīng)成為火箭領域的常用燃料了，氫汽車也在緊鑼密鼓地研發(fā)之中……

最近，世界上首列氫燃料混合動力有軌電車在我國唐山下線，標志著氫燃料電池正在走向實際應用。該有軌電車采用燃料電池和超級電容混合動力，最大載客量為336人。燃料電池是一種清潔環(huán)保的能源，兼?zhèn)淞藷o污染、高效率、適用廣、無噪聲和可連續(xù)工作等優(yōu)點，因此能夠在容量相同的情況下把電池做得更小些，或者在電池體積和重量相同的情況下把電池容量做得更大些。

氫燃料電池是一種只產(chǎn)生水的清潔能源，最初主要是應用于航天工業(yè)，現(xiàn)在開始在民用交通方面發(fā)揮作用了。氫燃料電池在本質上是水電解的“逆”裝置，主要由三部分組成，即陽極、陰極和電解質。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學反應。在兩極之間是電解質。只要源源不斷地向燃料電池的陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載中連續(xù)不斷地輸出電能。科學家還設想利用氫燃料電池建設大型潔凈電站呢！

貯氫電池也是一種發(fā)展中的電池技術。貯氫電池是一種以貯氫合金作為陰極，金屬材料作為陽極，堿性溶液作為電解液的新型二次電池。這種電池具有能量密度高、充放電能力強、清潔無毒性等特點，因此具有廣闊的發(fā)展空間。

運載火箭始終是衡量一個國家航天能力的重要標志。預計今年下半年迎來首飛的我國“長征”五號運載火箭，由于首次采用了極低溫的液氫和液氧作為推進劑，又被形象地稱為“冰箭”。液氫的溫度為-252℃，液氧的溫度為-183℃。大約869噸重的火箭，光液氫和液氧就占去了90%重量，用“冰箭”來形容無疑是十分貼切的。這種“冰箭”的最大特色就是綠色環(huán)保。“長征”五號運載火箭具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸的運載能力，可以完成近地軌道衛(wèi)星、地球同步轉移軌道衛(wèi)星、太陽同步軌道衛(wèi)星、空間站、月球探測器和火星探測器等各類航天器的發(fā)射任務。

目前科學家還在研究一種“固態(tài)氫”宇宙飛船，在這里固態(tài)氫既作為飛船的結構材料，又作為飛船的動力燃料。因此固態(tài)氫結構材料也可以轉化為能源給飛船提供動力，這樣可以節(jié)約發(fā)射費用和延長飛行時間，因此其意義是十分深遠的。

用氘點亮一盞燈泡

氫同位素氘的發(fā)現(xiàn)可以說是一個里程碑式的事件。1910年，英國人索迪發(fā)現(xiàn)了化學元素的同位素現(xiàn)象。1919年，英國人阿斯頓制成了質譜儀，并用質譜儀發(fā)現(xiàn)了很多元素的同位素。可是，科學家在尋找氫的同位素時花費了不少功夫，十幾年間一無所獲。

1931年初，有人從理論上推導出氫應該有質量數(shù)為2的同位素存在。當年年底，美國科學家尤里及其助手們，在蒸發(fā)了大量液體氫之后對液氫進行了光譜分析，從而發(fā)現(xiàn)了一些新的譜線，它們的位置正好與預期的氫同位素譜線相吻合。尤里因此獲得了1934年諾貝爾化學獎。根據(jù)尤里的建議，這種氫同位素被命名為Deuterium，在希臘語中是“第二”的意思。中文譯作“氘”。后來，科學家又發(fā)現(xiàn)了質量數(shù)為3的氫同位素——氚，這是一種具有放射性的物質。氘、氚與氧化合而成的水，分別叫作重水、超重水。

尤里關于氘的發(fā)現(xiàn)之所以能夠在極短的時間內(nèi)獲得諾貝爾獎，是因其具有非同尋常的意義。氘是核聚變反應的燃料，比原子彈威力大得多的氫彈的殺傷力就來源于氘的“燃燒”反應。在核電站，重水還被用作慢化劑和冷卻劑。據(jù)計算，海水中大約每6500個氫原子中有1個氘原子，這樣每升水中大約含有30毫克的氘。而反應堆所需的重水純度要求在 99.75%以上，因此重水的濃縮就成為了一個具有挑戰(zhàn)性的課題。1931年底，尤里提出了用電解水法濃縮重水的設想。1935年，挪威建立了世界第一座重水工廠，生產(chǎn)重水供研究用。后來，世界上才開始以工業(yè)規(guī)模大量生產(chǎn)重水。

我國實施的“東方超環(huán)”（EAST）項目，俗稱“人造太陽”，其基本思路是，把氫彈的爆炸過程用人為的手段進行控制，使得反應產(chǎn)生的能量緩慢地釋放出來并轉化為電能，這樣就可以源源不斷地為人類提供能量了。要讓人類享受到核聚變能的恩惠，需要把氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，并至少持續(xù)1000秒，這樣才能形成持續(xù)的反應。

2016年1月，“東方超環(huán)”已經(jīng)成功實現(xiàn)了溫度超過5000萬攝氏度、持續(xù)時間達102秒的超高溫長脈沖等離子體放電，標志著我國在核聚變研究領域處于世界領先地位。“東方超環(huán)”項目的領銜者李建剛院士曾說：“我的夢想是在有生之年，有一盞燈泡被核聚變能點亮，而這一盞燈泡一定要在中國！”這是李院士的夢想，也是我們每一個人的期待。

【責任編輯】龐 云