氫：1號(hào)元素的“王者風(fēng)范”

蘇更林

20世紀(jì)杰出的美國(guó)天文學(xué)家沙普利曾說(shuō)過(guò)：“如果上帝用一個(gè)詞創(chuàng)造了世界，那個(gè)詞就是氫?！碑?dāng)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(jiǎn)單的元素，也許正是這一特質(zhì)才使得其在宇宙演化進(jìn)程中扮演了主要角色。

科學(xué)家對(duì)“1號(hào)元素”的迷戀，不僅因?yàn)樗鼮槲覀儙?lái)了無(wú)數(shù)的科學(xué)啟迪，而且它幫助科學(xué)家揭開(kāi)了許多大自然的謎團(tuán)，同時(shí)還為我們帶來(lái)了更多的驚喜。讓我們一同去領(lǐng)略氫元素的“王者風(fēng)范”吧！

氫鍵的“生命之約”

水是生命之源，哺育了天地間的萬(wàn)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(gè)個(gè)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(xué)性質(zhì)是分不開(kāi)的，賦予水許多奇特性質(zhì)的“英雄”居然是一種神秘的靜電作用力——?dú)滏I。氫鍵也是一種力的作用，它比化學(xué)鍵弱得多，但比分子間的作用力強(qiáng)。一個(gè)水分子中的氫原子能夠與附近另一個(gè)水分子中的氧原子發(fā)生正負(fù)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(diǎn)和沸點(diǎn)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(méi)有了氫鍵的存在，那么根據(jù)元素周期表“正?！痹鼗衔锶埸c(diǎn)、沸點(diǎn)變化規(guī)律，水的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)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(jià)值著實(shí)不容小覷，比如，那美妙絕倫的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，如果沒(méi)有了氫鍵的固定作用就將不復(fù)存在。原來(lái)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的兩條鏈上的堿基是通過(guò)氫鍵進(jìn)行配對(duì)的，DNA的復(fù)制和變異都與氫鍵有關(guān)。用氨基酸構(gòu)建的蛋白質(zhì)具有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其中的氫鍵發(fā)揮了重要作用。比如，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分子需要經(jīng)過(guò)折疊才能具有特殊的功能，在這個(gè)過(guò)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(zhǎng)，但真正走進(jìn)科學(xué)家的視野已到了20世紀(jì)初期。1912年，英國(guó)科學(xué)家摩爾和溫米爾最早注意到了氫鍵的存在。1920年，美國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)家鮑林第一次使用了“氫鍵”一詞……近些年來(lái)，氫鍵已成為科學(xué)家研究的重要課題。2012年，中國(guó)科學(xué)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(zhì)、進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氫鍵的人工控制提供了基礎(chǔ)，因此具有極其重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)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(jìn)劑中扮演了重要角色。20世紀(jì)60年代，液體氫首次被用作航天動(dòng)力燃料，把“阿波羅”號(hào)飛船送上了月球。如今氫已經(jīng)成為火箭領(lǐng)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(dòng)力有軌電車在我國(guó)唐山下線，標(biāo)志著氫燃料電池正在走向?qū)嶋H應(yīng)用。該有軌電車采用燃料電池和超級(jí)電容混合動(dòng)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(wú)污染、高效率、適用廣、無(wú)噪聲和可連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于航天工業(yè)，現(xiàn)在開(kāi)始在民用交通方面發(fā)揮作用了。氫燃料電池在本質(zhì)上是水電解的“逆”裝置，主要由三部分組成，即陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。其陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。通常陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來(lái)加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。在兩極之間是電解質(zhì)。只要源源不斷地向燃料電池的陽(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載中連續(xù)不斷地輸出電能?？茖W(xué)家還設(shè)想利用氫燃料電池建設(shè)大型潔凈電站呢！

貯氫電池也是一種發(fā)展中的電池技術(shù)。貯氫電池是一種以貯氫合金作為陰極，金屬材料作為陽(yáng)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(qiáng)、清潔無(wú)毒性等特點(diǎn)，因此具有廣闊的發(fā)展空間。

運(yùn)載火箭始終是衡量一個(gè)國(guó)家航天能力的重要標(biāo)志。預(yù)計(jì)今年下半年迎來(lái)首飛的我國(guó)“長(zhǎng)征”五號(hào)運(yùn)載火箭，由于首次采用了極低溫的液氫和液氧作為推進(jìn)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(lái)形容無(wú)疑是十分貼切的。這種“冰箭”的最大特色就是綠色環(huán)保。“長(zhǎng)征”五號(hào)運(yùn)載火箭具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運(yùn)載能力，可以完成近地軌道衛(wèi)星、地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星、太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星、空間站、月球探測(cè)器和火星探測(cè)器等各類航天器的發(fā)射任務(wù)。

目前科學(xué)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(jié)構(gòu)材料，又作為飛船的動(dòng)力燃料。因此固態(tài)氫結(jié)構(gòu)材料也可以轉(zhuǎn)化為能源給飛船提供動(dòng)力，這樣可以節(jié)約發(fā)射費(fèi)用和延長(zhǎng)飛行時(shí)間，因此其意義是十分深遠(yuǎn)的。

用氘點(diǎn)亮一盞燈泡

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

1931年初，有人從理論上推導(dǎo)出氫應(yīng)該有質(zhì)量數(shù)為2的同位素存在。當(dāng)年年底，美國(guó)科學(xué)家尤里及其助手們，在蒸發(fā)了大量液體氫之后對(duì)液氫進(jìn)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(yù)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(xué)獎(jiǎng)。根據(jù)尤里的建議，這種氫同位素被命名為Deuterium，在希臘語(yǔ)中是“第二”的意思。中文譯作“氘”。后來(lái)，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量數(shù)為3的氫同位素——氚，這是一種具有放射性的物質(zhì)。氘、氚與氧化合而成的水，分別叫作重水、超重水。

尤里關(guān)于氘的發(fā)現(xiàn)之所以能夠在極短的時(shí)間內(nèi)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，是因其具有非同尋常的意義。氘是核聚變反應(yīng)的燃料，比原子彈威力大得多的氫彈的殺傷力就來(lái)源于氘的“燃燒”反應(yīng)。在核電站，重水還被用作慢化劑和冷卻劑。據(jù)計(jì)算，海水中大約每6500個(gè)氫原子中有1個(gè)氘原子，這樣每升水中大約含有30毫克的氘。而反應(yīng)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(gè)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(shè)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(lái)，世界上才開(kāi)始以工業(yè)規(guī)模大量生產(chǎn)重水。

我國(guó)實(shí)施的“東方超環(huán)”（EAST）項(xiàng)目，俗稱“人造太陽(yáng)”，其基本思路是，把氫彈的爆炸過(guò)程用人為的手段進(jìn)行控制，使得反應(yīng)產(chǎn)生的能量緩慢地釋放出來(lái)并轉(zhuǎn)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(yīng)。

2016年1月，“東方超環(huán)”已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了溫度超過(guò)5000萬(wàn)攝氏度、持續(xù)時(shí)間達(dá)102秒的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電，標(biāo)志著我國(guó)在核聚變研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位?！皷|方超環(huán)”項(xiàng)目的領(lǐng)銜者李建剛院士曾說(shuō)：“我的夢(mèng)想是在有生之年，有一盞燈泡被核聚變能點(diǎn)亮，而這一盞燈泡一定要在中國(guó)！”這是李院士的夢(mèng)想，也是我們每一個(gè)人的期待。

【責(zé)任編輯】龐 云