世界上密度最小的物質氫

　　世界上的物質都是化學物質， 或者是由化學物質所組成的混合物。世界上密度最小的物質就是氫。下面小編就為大家介紹一下氫。

　　氫的簡述

　　氫是原子序數為1的化學元素，化學符號為H，在元素週期表中編號為“1”。其原子質量為1.00794u，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大約佔據宇宙非暗物質質量的75%。氫通常的單質形態是氫氣，最常見的同位素是氕。氫的密度為0.08342kg/m3，液體密度70.78kg/m3***-252.9℃，101.3kPa***。

　　氫的含量分佈

　　在地球上和地球大氣中只存在極稀少的遊離狀態氫。在地殼裡，如果按質量計算，氫只佔總質量的1%，而如果按原子百分數計算，則佔17%。氫在自然界中分佈很廣，水便是氫的“倉庫”——氫在水中的質量分數為11%;泥土中約有1.5%的氫;石油、天然氣、動植物體也含氫。在空氣中，氫氣倒不多，約佔總體積的一千萬分之五。在整個宇宙中，按原子百分數來說，氫卻是最多的元素。據研究，在太陽的大氣中，按原子百分數計算，氫佔81.75%。在宇宙空間中，氫原子的數目比其他所有元素原子的總和約大100倍。

　　氫氣的儲存

　　儲存氫氣方法很多，但是高效的儲氫方法沒有主要方法有：液化儲氫***成本太高，而且需要很高的能量維持其液化***;壓縮儲氫***重量密度和體積密度都很低***;金屬氫化物儲氫***體積儲存密度較高，但是重量密度低***，還有一個是如今正在研究的碳奈米管吸附儲氫***已經證明在室溫和不到1bar***約一個大氣壓***的壓力下，單壁碳管可以吸附5%-10%,多壁碳奈米管儲氫可達14%,但是這些報道都受到了質疑，原因是如今尚未建立一個世界上公認的檢測碳奈米管儲氫的檢測標準***如今根據理論推算和反覆驗證，大家普遍認為可逆儲/放氫量在5%***質量密度百分比***左右，但是即使是隻有5%也是迄今為止最好的儲氫材料!

　　氫氣的作用用途

　　氫是重要工業原料，如生產合成氨和甲醇，也用來提煉石油，氫化有機物質作為收縮氣體，用在氧氫焰熔接器和火箭燃料中。在高溫下用氫將金屬氧化物還原以製取金屬較之其他方法，產品的性質更易控制，同時金屬的純度也高。廣泛用於鎢、鉬、鈷、鐵等金屬粉末和鍺、矽的生產。由於氫氣很輕，人們利用它來製作氫氣球。氫氣球。***氫氣與氧氣化合時，放出大量的熱，被利用來進行切割金屬。

　　利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產生的能量能生產殺傷和破壞性極強的***，其威力比***大得多。

　　清潔能源，用於汽車等的燃料。為此，美國於2002年還提出了“國家氫動力計劃”。但是由於技術還不成熟，還沒有進行大批的工業化應用。2003年科學家發現，使用氫燃料會使大氣層中的氫增加約4～8倍。認為可能會讓同溫層的上端更冷、雲層更多，還會加劇臭氧洞的擴大。但是一些因素也可抵銷這種影響，如使用氯氟甲烷的減少、土壤的吸收、以及燃料電池的新技術的開發等。

　　在常溫下，氫比較不活潑，但可用合適的催化劑使之活化。在高溫下，氫是高度活潑的。除稀有氣體元素外，幾乎所有的元素都能與氫生成化合物。非金屬元素的氫化物通常稱為某化氫，如鹵化氫、硫化氫等;金屬元素的氫化物稱為金屬氫化物，如氫化鋰、氫化鈣等。

　　氫是重要的工業原料，又是未來的能源，也是最清潔的燃料。

　　氫的同位素氘和氚可應用於核聚變，提供能量，因為技術原因，核聚變發電還無法大量應用。

　　工業生產

　　不同的氫氣生產方法有不同的固定投資額和邊際成本。制氫的能源和燃料可以來自多種來源例如天然氣、核能、太陽能、風力、生物燃料、煤礦、其他化石燃油、地熱。***以下以全美國汽車都改為氫氣的假設為計算單位***

　　醫學用途

　　一、氫氣治療疾病的概況

　　2007年，Ohsawa的關於氫氣選擇性抗氧化和對大鼠腦缺血治療作用的報道是該領域具有開創意義的工作。雖然早在1975年和2001年就有關於氫氣抗氧化的報道，但2001年是研究呼吸800 kpa氫氣14天的效應，而2007年報道是呼吸2kpa氫氣不足1小時的效應，兩者分壓相差400倍，呼吸時間相差600倍，所以這絕對是完全不同性質的工作。該研究將大鼠中動脈臨時阻斷90分鐘***將一根縫合線插到大腦中動脈起始段***，然後再灌流，這是經典的腦中風動物模型，類似腦缺血後再恢復血流的情況。在恢復血液供應前5分鐘開始給動物呼吸含氫氣1、2、4%的混合氣體35分鐘，結果發現動物腦組織壞死體積非常顯著地減少。日本學者將這種作用歸因於氫氣可以選擇性中和羥基自由基***羥基自由基是生物體毒性最強的自由基***，儘管氫氣也可以中和亞硝酸陰離子，但作用比較弱。該文章發表後，迅速引起國際上的廣泛關注，大批臨床和基礎醫學學者迅速跟進，到如今已經有63個疾病型別被證明可以被氫氣有效治療。每年氫氣生物學文章數量，如2007年3篇、2008年15篇、2009年26篇、2010年50篇、2011年63篇、2012年95篇，呈現爆發式增長。氫氣的分子效應可在多種組織和疾病存在，例如大腦、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、腎、胰腺、小腸、血管、肌肉、軟骨、代謝系統、圍產期疾病和炎症等。在上述這些器官、組織和疾病狀態中，氫氣對器官缺血再灌注損傷和炎症相關疾病的治療效果最顯著，有4篇文章涉及到惡性腫瘤。

　　二、氫氣治療疾病的病理生理學機制

　　如今關於氫氣治療疾病病理生理學機制主流觀點仍是氫氣的選擇性抗氧化，在選擇性抗氧化基礎上，人們相繼證明氫氣對各類疾病過程中的氧化損傷，炎症反應、細胞凋亡和血管異常增生等具有治療作用。活性氧在各類心腦血管疾病如中風和心肌梗死、代謝性疾病如糖尿病動脈硬化等人類重要急性和慢性疾病的病理生理程序中扮演了重要角色，它是分子氧在還原過程中的中間產物，包括以氧自由基形式存在和非氧自由基形式存在的兩大類物質，其中氧自由基又包括羥自由基、超氧陰離子、一氧化氮、亞硝酸陰離子等物質。生理情況下，活性氧在體內不斷產生，也不斷被清除，處於動態平衡。但在缺血、炎症等病理狀態下，機體將產生大量的活性氧。其中，羥自由基和過氧亞硝基陰離子毒性較強，是細胞氧化損傷的主要介質。而一氧化氮、超氧陰離子和過氧化氫等物質毒性較弱，具有重要的訊號轉導作用。既往在抗氧化損傷的治療中，還原性過強的藥物可能導致機體氧化- 還原狀態出現新的失衡。2007 年Ohsawa等人研究證實，氫氣能夠選擇性清除毒性較強的羥自由基和亞硝酸陰離子，而對其它具有重要生物學功能、毒性較低的活性氧影響不大，此即氫氣的選擇性抗氧化作用。該作用為抗氧化治療提供了新的思路。早在2001 年，Gharib等人報道吸入8 個大氣壓的氫氣對肝臟血吸蟲感染引起的炎症反應具有治療作用，他們認為氫氣與羥自由基直接反應是氫氣抗炎作用的基礎。2009 年Kajiya等人報道氫氣能明顯抑制葡聚糖硫酸鈉誘發的結腸炎症反應，減少受損結腸的炎症因子水平，減輕炎症的病理損傷，改善預後。氫氣的抗炎作用與其抑制活性氧產生、中和羥自由基、抑制促炎因子釋放有關。另外，巨噬細胞在炎症反應和免疫調節中起重要作用，氫氣對巨噬細胞的調節為其抗炎作用奠定了基礎。孫學軍等2008 年的研究發現，氫氣能減少大鼠缺血缺氧模型的組織損傷，呼吸低濃度的氫氣可時間依賴性地減少凋亡酶Caspase-3和Caspase-12 的活性，減少凋亡陽性細胞數量，研究提示氫氣的作用與減少Caspase 依賴性凋亡有關。Kubota等報道使用含氫氣的水滴眼具有抗角膜血管增生的作用。

　　三、氫氣對中樞神經系統疾病的治療作用

　　氫氣生物學效應發現以來，氫氣對以腦血管疾病為代表和以老年性痴呆為代表的中樞神經系統疾功能紊亂都具有明顯的保護作用。

　　氫氣對腦血管病的治療作用

　　Ohsawa等2007年報道的呼吸氫氣對大鼠左大腦中動脈阻斷模型的治療作用後。孫學軍等很快證明呼吸氫氣對新生兒窒息引起的缺血缺氧性腦損傷具有理想的治療作用，發現氫氣對缺血缺氧性腦損傷後神經細胞凋亡酶活性有抑制作用，凋亡酶活性下降導致神經細胞凋亡減少，使神經細胞壞死減少。從而減輕了腦損傷，保護了成年後的腦功能。氫氣對心臟停跳引起的腦損傷具有保護作用，這進一步肯定了氫氣對缺血缺氧性腦損傷的保護作用。衣達拉奉是如今唯一被批准用於中風治療的抗氧化藥物，和單純使用衣達拉奉相比，氫氣聯合使用衣達拉奉上述核磁共振檢測指標均獲得更好的改善。美國Loma Linda神經外科研究所和南京醫科大學、浙江大學附屬醫院神經外科等三家實驗室先後報道氫氣呼吸和注射氫氣生理鹽水對腦出血和珠網膜下腔出血引起的早期腦損傷、神經細胞壞死、腦水腫和血管痙攣等具有理想的保護作用。

　　氫氣對神經退行性疾病的治療作用

　　巴金森病是腦幹神經核黑質內多巴胺神經元死亡引起的疾病，經常是許多其他神經退行性疾病如老年性痴呆的繼發表現。孫學軍等在模型製備前1周開始給動物隨意飲用氫氣飽和水，結果發現該治療可完全消除單側巴金森病症狀的發生。非治療組動物注射側多巴胺神經元數量比對照側減少到40.2%，而治療組僅減少到83%。即使在模型製備後3天開始給氫氣水治療，單側巴金森病症狀仍可以被抑制，但治療效果低於預先治療,神經元數量比對照側減少到76.3%。預先治療組動物在模型製備後48小時，紋狀體內代表多巴胺神經元末梢的酪氨酸羥化酶活性在模型對照組和治療組均顯著下降。Fujita等用MPTP誘導的小鼠巴金森病模型證明氫氣具有類似效應。研究結果表明，和其他如銀杏葉比較，氫氣具有更理想的治療效果。

　　四、氫氣對肝臟病的治療作用

　　氫氣在肝臟領域的應用研究十分突出，是早在2001年，法國潛水醫學領域就有學者希望證明氫氣的抗氧化作用，在馬賽法國著名飽和潛水裝置公司COMEX SA的裝置、技術和人員幫助下，他們開展了這一研究。讓感染了肝日本曼氏血吸蟲病的小鼠連續14天呼吸氫氧混合氣***氫氣濃度為87.5%,分壓為0.7 Mpa***,觀察對小鼠肝臟功能、肝組織氧化損傷、纖維化和血液炎症反應等方面的影響，研究結果證明，連續呼吸高壓氫氣對肝臟血吸蟲病動物的肝組織損傷、炎症反應和後期的肝纖維化均有非常顯著的保護作用。Fukuda 等在2007 年製作了大鼠肝臟缺血再灌注的模型，通過對組織標本的HE 染色加MDA 加肝功能酶學檢測，發現氫氣療法對肝臟的缺血損傷有非常明顯的治療效果。2009 年時，哈佛大學口腔醫院的學者Kajiya 等在實驗中讓大老鼠喝下能產生氫氣的細菌，發現對伴刀豆球蛋白誘導的肝炎具有預防作用，如果用抗生素殺滅這些細菌，則抗肝炎的作用消失，這顯示了氫氣對肝炎的預防與治療作用。他們還證明，飲用氫氣飽和水對伴刀豆球蛋白誘導的肝炎具有類似的治療效果。同年，Tsai 等發現飲用富氫電解水可以保護小鼠四氯化碳誘導的肝臟損傷。中國學者孫漢勇等採用GalN/LPS，CCl4 和DEN 3 種肝損傷動物模型，通過檢測氫氣、活性氧水平，評價氧化損傷、細胞凋亡和炎性反應程度，發現腹腔注射氫氣生理鹽水對急性肝臟損傷、肝纖維化和肝臟細胞增生均具有顯著的抑制作用，同時細胞碉亡相關分子如JNK和caspase-3 活性下降，研究結果證明氫氣不僅能治療急性肝臟損傷，而且能治療肝硬化。劉渠等研究認為，腹腔注射氫氣生理鹽水通過提高肝臟抗氧化能力，抑制肝臟炎性反應能治療膽管阻塞後黃疸和肝損傷，這對臨床上的指導意義很大。對非酒精性脂肪肝的研究證明，長時間飲用氫氣水可以對抗高脂飲食引起的脂肪肝，不僅對肝臟功能、肝形態學如纖維化，而且對脂肪肝相關細胞內訊號通路均有明顯的阻斷效應，該效果可以和傳統的治療脂肪肝的藥物吡格列酮***促進胰島素受體敏感性，降血脂***治療效果相嫣美。長期飲用氫氣水不僅可以對抗脂肪肝，而且可以顯著減少這種脂肪肝晚期轉化成肝癌的比例，也就是說可以減少脂肪肝發生肝癌的可能性。氫氣可以通過促進一種重要的訊號分子FGF 21發揮減肥和治療脂肪肝的效果。氫氣在肝臟疾病的臨床研究十分缺乏，韓國學者Kang 等對49例接受放射治療的惡性肝癌病人，採用隨機安慰劑對照方法，給病人在放射治療期間飲用一定量的金屬鎂製備的氫氣水，通過對生活質量進行評價，發現該氫氣水可顯著提高肝癌病人放射治療後的生活量，同時可以降低血液中氧化應激指標。氫氣作為一種選擇性抗氧化物質，氫對肝臟缺血、藥物性肝炎、膽管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多種型別的肝臟疾病具有有效和明顯的治療作用。

　　五、氫氣的臨床研究進展

　　到如今為至，先後有7個疾病臨床研究報道，分別是二型糖尿病、代謝綜合症、血液透析、炎症/線粒體肌肉病、腦幹缺血和放射治療副作用和系統性紅斑狼瘡。從世界衛生組織註冊的資訊中可以發現，也有一些沒有發表論文的臨床研究。這些研究報告顯示氫氣在人體脂代謝和糖代謝中的關鍵的調節作用。

　　天然氣

　　用氣電共生改良後需要15.9百萬立方米的瓦斯，如果每天生產500公斤由改裝的加油站就地生產***例如高科技加氣站***，相當於改裝777,000座加油站成本$1兆美金;可產每年1億5000萬噸氫氣。先假設不需額外氫氣分配系統的投資成本下;等於每GGE單位$3.00美元***Gallons of Gasoline Equivalent 相當一加侖汽油的能量簡稱GGE，方便和油價作比較***核能用以提供電解水的氫氣電能來源。需要240,000噸鈾礦—提供2,000座600兆瓦發電廠 等於$8400億美金，等於每GGE單位$2.50美元。

　　太陽能

　　用以提供電解水的氫氣電能來源。需要每平方公尺達2,500千瓦***每小時***效率的太陽能版科技共1億1300萬座40千瓦的機組，成本推估約$22兆 等於每GGE單位$9.50美元。

　　氫能

　　化學元素氫***H——Hydrogen***，在元素週期表中位於第一位，它是所有原子中最小的。眾所周知，氫分子與氧

　　分子化合成水，氫通常的單質形態是氫氣***H2***，它是無色無味，極易燃燒的雙原子的氣體，氫氣是密度最小的氣體。在標準狀況***0攝氏度和一個大氣壓***下，每升氫氣只有0.0899克重——僅相當於同體積空氣質量的二十九分之二。氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素佔到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。

　　氫具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料，同時氫在工業生產中也有廣泛應用。如今工業每年用氫量為5500億立方米，氫氣與其它物質一起用來製造氨水和化肥，同時也應用到汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接、氣象氣球探測及食品工業中。液態氫可以作為火箭燃料，因為氫的液化溫度在-253℃。

　　氫能在二十一世紀有可能在世界能源舞臺上成為一種舉足輕重的二次能源。它是一種極為優越的新能源，其主要優點有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒後的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產物是水，是世界上最乾淨的能源。資源豐富，氫氣可以由水製取，而水是地球上最為豐富的資源，演繹了自然物質迴圈利用、持續發展的經典過程。

　　氫能簡介

　　二次能源是聯絡一次能源和能源使用者的中間紐帶。二次能源又可分為“過程效能源”和“含能體能源”。如今電能就是應用最廣的“過程效能源”;柴油、汽油則是應用最廣的“含能體能源”。由於如今“過程效能源”尚不能大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機等機動性強的現代交通運輸工具就無法直接使用從發電廠輸出來的電能，只能採用像柴油、汽油這一類“含能體能源”。可見，過程效能源和含能體能源是不能互相替代的，各有自己的應用範圍。隨著，人們將目光也投向尋求新的“含能體能源”，作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核燃料等均可直接生產電能。而作為二次能源的汽油和柴油等則不然，生產它們幾乎完全依靠化石燃料。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規能源危機的出現、在開發新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。

　　風力

　　用以提供電解水的氫氣電能來源。 每秒7公尺的平均風速計算，需要1百萬座2百萬瓦風力機組成本約$3兆美金等於每GGE單位$3.00美元。

　　生物燃油

　　氣化廠用氣電共生改良後.。需要15億噸乾燥生物材料，3,300座廠房需要113.4百萬英畝***460,000 平方千米***農場提供生物材料。約$5650億美元 等於每GGE單位$1.90美元***假設土地不匱乏且地價最便宜狀態***

　　煤礦

　　火力發電用氣電共生改良後提供電解水的氫氣電能來源。需要10億噸煤將近1,000座275兆瓦發電廠成本$5000億美金，等於每GGE單位1美元。

　　以上看出由煤礦的制氫最便宜，但是除非二氧化碳封存技術普及化及實用化，否則產生的高汙染會使氫氣科技的環保性蕩然無存。