L'hydrogène est l'élément chimique de numéro atomique 1, de symbole H. L'hydrogène présent sur Terre est presque entièrement constitué de l'isotope stable H (un proton, zéro neutron), mais comporte environ 0,01 % de H (un neutron), stable également. Un troisième isotope H (deux neutrons), radioactif, est produit dans les explosions nucléaires.

L'hydrogène peut avoir les nombres d'oxydation 0 (dihydrogène H2 ou hydrogène métallique), +I (dans la plupart de ses composés chimiques) et –I (dans les hydrures métalliques). L'hydrogène est un élément électropositif, fréquemment ionisé à l'état H ou H3O. Mais il forme aussi des liaisons covalentes, notamment dans l'eau et la matière organique.

L'hydrogène est le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles (dont l'énergie provient de la fusion thermonucléaire de cet hydrogène), et de la matière interstellaire ou intergalactique. C'est un composant majeur des planètes géantes, sous forme métallique au cœur de Jupiter et de Saturne, et sous la forme de dihydrogène solide, liquide ou gazeux dans leurs couches plus externes et dans les autres planètes géantes. Sur Terre il est surtout présent à l'état d'eau liquide, solide (glace) ou gazeuse (vapeur d'eau), mais il se trouve aussi sous forme de dihydrogène H2 et de méthane CH4 dans les émanations de certains volcans.

Le nom hydrogène est composé du préfixe « hydro », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et du suffixe « gène », du grec γεννᾰν (gennan), « engendrer ». Ce nom a été inventé par Lavoisier pour désigner le gaz appelé à l'époque « air inflammable » et qui avait été mis en évidence par Cavendish en 1766. Il s'agit du gaz de formule chimique H2 dont le nom scientifique est désormais dihydrogène. Dans le langage courant, le dihydrogène est encore couramment appelé « hydrogène ».

Abondance

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 92 % en nombre d'atomes. Il est présent en grande quantité dans les étoiles et les planètes gazeuses ; il est également le composant principal des nébuleuses et du gaz interstellaire.

Dans la croûte terrestre, l'hydrogène ne représente que 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène (47 %) et le silicium (27 %). Il est rare également dans l'atmosphère terrestre, puisque le dihydrogène ne représente en volume que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau, dont la molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; l'hydrogène est surtout le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, associé au carbone dans tous les composés organiques. Par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain.

Sous de très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels, simplement parce qu'il est alors improbable qu'ils entrent en collision pour se combiner. Les nuages de dihydrogène sont à la base du processus de la formation des étoiles.

L'atome d'hydrogène

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple ; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron. L'hydrogène est ainsi le plus léger atome existant. Comme il ne possède qu'un électron, il ne peut former qu'une liaison covalente : c'est un atome univalent.

Cependant, l'hydrogène solide peut être métallique lorsqu'il se trouve sous très haute pression. Il cristallise alors avec une liaison métallique (voir hydrogène métallique). Dans le tableau périodique des éléments, il se trouve dans la colonne des métaux alcalins. N'étant toutefois pas présent dans cet état sur Terre, il n'est pas considéré comme un métal en chimie.

La section efficace de capture de l'hydrogène (200 mb aux neutrons thermiques et 0,04 mb aux neutrons rapides) est suffisamment faible pour permettre l'utilisation de l'eau comme modérateur et réfrigérant des réacteurs nucléaires.

Mécanique quantique

L'atome d'hydrogène est l'atome le plus simple qui existe. C'est donc celui pour lequel la résolution de l'équation de Schrödinger, en mécanique quantique, est la plus simple. L'étude de ce cas est fondamentale, puisqu'il a permis d'expliquer les orbitales atomiques, et ensuite les différentes liaisons chimiques avec la théorie des orbitales moléculaires.

Isotopes et propriétés nucléaires

Isotopes

L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse (comparativement à celle de l'atome d'hydrogène) est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (D2O) est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces : en raison de la grande différence de masse entre les isotopes la cinétique des réactions en solution aqueuse « lourde » est considérablement ralentie.

Les isotopes les plus notables de l'hydrogène sont :

l’hydrogène léger ou protium H, le plus abondant (~99,98 % de l'hydrogène naturel). Simplement constitué d'un proton et ne possédant donc pas de neutron, c'est un isotope stable.

le deutérium H (ou D), beaucoup moins abondant (de 0,0082 à 0,0184 % de l'hydrogène naturel, ~0,015 % en moyenne). Constitué d'un proton et d'un neutron, c'est aussi un isotope stable. Sur Terre il est essentiellement présent sous forme d'eau deutérée HDO (eau semi-lourde).

le tritium H (ou T), présent seulement en quantité infime dans l'hydrogène naturel (un atome de tritium pour 10 atomes d’hydrogène). Constitué d’un proton et de deux neutrons, il est radioactif et se transforme en He par émission d'un électron (radioactivité β). H et H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire. La radiotoxicité du tritium est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée), elle est moins connue et moins bien comprise lorsqu'il est présent sous forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux). Dans l’environnement, le tritium peut prendre la place du protium dans toutes les molécules comprenant de l'hydrogène, y compris dans les molécules biologiques et jusque dans l'ADN où il peut être cause de cassure de l'ADN, de mutations ou d'apoptoses cellulaires. Le tritium étant un isotope rare, sa concentration dans l'eau et les tissus est généralement très faible (hors contaminations accidentelles liées à une source anthropique de tritium).

le quadrium ou tétradium H (ou Q), l'isotope le plus instable de l'hydrogène (sa demi-vie est ultracourte : 1,39×10 seconde). Il se décompose par émission de neutron.

l'hydrogène 7 (H), l'isotope le plus riche en neutrons jamais observé. Sa demi-vie est de l'ordre de 10 seconde.

Fusion nucléaire

L'hydrogène présent en grandes quantités dans le cœur des étoiles est une source d'énergie via les réactions de fusion nucléaire, qui combinent 2 noyaux d'atomes d'hydrogène (2 protons) pour former un noyau d'atome d'hélium. Les deux voies de cette fusion nucléaire naturelle sont la chaîne proton-proton, de Eddington, et le cycle carbone-azote-oxygène catalytique, de Bethe et von Weizsäcker.

La fusion nucléaire réalisée dans les bombes à hydrogène ou bombes H concerne des isotopes intermédiaires de la fusion (de l'hydrogène en hélium) en cours dans les étoiles : isotopes lourds de l'hydrogène, hélium 3, tritium... En effet, dans une bombe H, les réactions nucléaires ne durent que quelques dizaines de nanosecondes, ce qui permet uniquement des réactions en une unique étape. Or, la transformation de l'hydrogène en hélium s'effectue en plusieurs étapes, dont la première (la réaction d'un proton) est extrêmement lente.

Le corps simple hydrogène

Sauf aux pressions extrêmement basses (comme dans l'espace intergalactique) ou extrêmement hautes (comme dans les parties centrales de Jupiter et Saturne), le corps simple hydrogène est formé de molécules H2 (dihydrogène).

Aux pressions les plus basses l'hydrogène est un gaz monoatomique. Aux pressions les plus hautes l'hydrogène devient un métal (liquide ou solide) semblable aux métaux alcalins qui le suivent dans le groupe 1 du tableau de Mendeleïev.

Isomérie

La molécule de dihydrogène existe sous deux isomères de spin nucléaire: l'hydrogène ortho (spins parallèles) et l'hydrogène para (spins antiparallèles).

Hydrogène gazeux

Hydrogène liquide

Hydrogène solide

L'hydrogène solide est obtenu en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, situé à 14,01 K (-259,14 °C). L'état solide fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar.

Hydrogène métallique

L'hydrogène métallique est une phase de l'hydrogène survenant lorsqu'il est soumis à une très forte pression et à de très basses températures. C'est un exemple de matière dégénérée. D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400 GPa) sous lesquelles l'hydrogène métallique est liquide, même à de très basses températures.

Propriétés chimiques et composés

Ions hydron H, hydronium H₃O et hydrure H

L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion H, désigné couramment par le nom de proton. En effet l'atome qui a perdu son seul électron est réduit à son noyau, et dans le cas de l'isotope le plus abondant H, ce noyau n'est constitué que d'un proton. Cette appellation n'est pas rigoureusement correcte si l'on tient compte de la présence, certes discrète (inférieure à 0,02 %), des autres isotopes. L'appellation hydron est plus générale (on dit aussi ion hydrogène, malgré la confusion possible avec l'anion H). Son rayon est très petit : environ 1,5×10 m contre 5×10 m pour l'atome.

En solution, le proton n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage électronique d'une molécule. En solution aqueuse il est solvaté par des molécules d'eau ; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau H2O, formant un ion hydronium H3O, aussi appelé oxonium ou hydroxonium.

L'atome d'hydrogène peut aussi acquérir un second électron pour donner l'ion hydrure H, ce qui lui confère le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.

Réactions acido-basiques

L'hydrogène joue un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens de la théorie de Brønsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H par rupture d'une liaison covalente, et la deuxième (la base) captant cet H par formation d'une nouvelle liaison covalente :

Liaison hydrogène

La liaison hydrogène est une interaction électrostatique entre un atome d'hydrogène, lié chimiquement à un atome électronégatif A, et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquement O, N ou F en chimie organique).

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique, puisque les atomes d'oxygène O, d'azote N ou de fluor F sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les alcoolates métalliques.

Composés covalents

L'atome d'hydrogène peut engager son unique électron pour former une liaison covalente avec de nombreux atomes non-métalliques.

Les composés les plus connus sont :

la molécule de dihydrogène H2 ;

la molécule d'eau H2O ;

les molécules d'hydrocarbures CxHy.

L'hydrogène est également présent dans toutes les molécules organiques, où il est lié principalement à des atomes de carbone, d'oxygène et d'azote.

Hydrures

L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques. Les composés qu'il forme avec les métaux sont appelés hydrures, dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H qui parfois n'existent qu'en solution. Dans les composés avec les éléments non-métalliques, l'hydrogène forme des liaisons covalentes, car l'ion H a une trop forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H3O appelés ions hydronium ou encore oxonium, association du proton et d'une molécule d'eau.

Production et usages

Production industrielle

Le processus industriel le plus économique pour produire de l'hydrogène est le reformage d'hydrocarbures. En pratique, la méthode la plus usuelle est le vaporeformage du gaz naturel qui est essentiellement composé de méthane. À une température comprise entre 700 et 1 100 °C, la vapeur d'eau réagit avec le méthane en donnant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. La purification de l'hydrogène étant plus facile sous forte pression, le reformage est réalisé sous une pression de vingt atmosphères. Le mélange hydrogène/monoxyde de carbone est communément appelé gaz de synthèse. Si la réaction est faite en présence d'un excès de vapeur d'eau, le monoxyde de carbone est oxydé au niveau d'oxydation supérieur, conduisant au dioxyde de carbone, ce qui augmente la production d'hydrogène.

La société Air liquide possède une maîtrise particulière de ce processus. En 2015, elle a mis en service en Arabie saoudite, sur le site de Yanbu, une unité ayant une capacité totale de production d'hydrogène de 340 000 m/h aux CNTP.

Filière hydrogène

C'est la filière qui produit, stocke, promeut et valorise l'hydrogène. Elle contribue aussi à la Recherche sur l'hydrogène.

En 2015, il est encore « majoritairement produit à partir de gaz naturel et employé comme composant chimique dans des procédés industriels », mais cet élément est souvent présenté comme intéressant pour le développement durable (car si sa production produit des NOx, il n'émet pas de CO2), s'il est issu de ressources renouvelables et surtout s'il peut être produit assez près du lieu de consommation, car pouvant « apporter une contribution importante à la transition vers un modèle énergétique décarboné, notamment dans le secteurs du stockage d’énergie et pour accompagner l’électromobilité ».

L'une des pistes de développement est l'injection dans le réseau de gaz.

La filière cherche à industrialiser ses processus afin d'en permettre une baisse des coûts (pile à combustible notamment). Le développement d'une « mobilité hydrogène » est également freiné par un nombre encore très faible de stations de recharge (et de leur capacité encore faible : 10 à 80 kg H2/j, 350 bars) ; L'hydrogène peut améliorer la puissance du véhicule, prolonger son autonomie, et améliorer la rapidité de recharge (par rapport aux batteries).

Moteur à hydrogène

Fusion nucléaire : bombe H et réacteurs à fusion

氢是一种化学元素，其化学符号为H，原子序为1。氢的原子量为1.00794 u，是元素周期表中最轻的元素。单原子氢（H）是宇宙中最常见的化学物质，占重子总质量的75%。等离子态的氢是主序星的主要成份。氢的最常见同位素是「氕」（此名称甚少使用，符号为H），含1个质子，不含中子；天然氢还含极少量的同位素「氘」，含1个质子和1个中子。

氢原子最早在宇宙复合阶段出现并遍布全宇宙。在标准温度和压力之下，氢形成双原子分子（分子式为H2），呈无色、无臭、无味非金属气体，不具毒性，高度易燃。氢很容易和大部份非金属元素形成共价键，所以地球上大部份的氢都以分子的形态存在，比如水和有机化合物等。氢在酸碱反应中尤其重要，因为在这类反应中各种分子须互相交换质子。在离子化合物中，氢原子可以获得一个电子成为氢阴离子（H），或失去一个电子成为氢阳离子（H）。虽然在一般写法中，氢阳离子就是质子，但在实际化合物中，氢阳离子的实际结构是更为复杂的。氢原子是唯一一个有薛定谔方程序解析解的原子，所以对氢原子模型的研究在量子力学的发展过程中起到了关键的作用。

16世纪，人们通过混合金属和强酸，首次制备出氢气。1766至1781年，亨利·卡文迪什第一次发现氢气是一种独立的物质，燃烧后会产生水。安东万-罗伦·德·拉瓦节根据这一性质，将其命名为「Hydrogen」，在希腊文中意为「生成水的物质」。19世纪50年代，英国医生合信编写《博物新编》（1855年）时，把元素名翻译为“轻气”，成为今天中文「氢」字的来源。

氢气的工业生产主要使用天然气的蒸汽重整过程，或通过能源消耗更高的水电解反应。大部份的氢气都在生产地点直接使用，主要应用包括化石燃料处理（如裂化反应）和氨生产（一般用于化肥工业）。在冶金学上，氢气会对许多金属造成氢脆现象，使运输管和保存罐的设计更加复杂。

性质

氕（H）是最常见的氢同位素，丰度高于99.98%。氕原子不含中子，只含一个质子和一个电子。

氘（H）是氢的另一种稳定同位素，其原子核含有一个质子和一个中子。宇宙中几乎所有的氘都是在大爆炸中形成的，残留至今。氘不具放射性，亦无毒性。含氘的水分子称为重水。氘以及含氘的化合物可以在化学实验及氕核磁共振波谱法溶剂中，作为非放射性标识。在核反应炉中，重水是一种中子减速剂和冷却剂。氘也有潜力成为商业核聚变反应的燃料。

氚（H）的原子核含有一个质子和两个中子。氚具有放射性，会β衰变成氦-3，半衰期为12.32年。它的放射性可用于发光颜料，例如夜光钟表等（表面玻璃可阻挡其辐射）。因为宇宙射线和大气气体的相互作用会造成核嬗变，再加上多次核武器试验的辐射性微尘，所以自然界中存在少量的氚。氚的应用包括：核聚变反应、同位素地球化学示踪剂以及自发光照明器材，并可在化学和生物学实验中用作放射性标识。

历史

发现及使用 1671年，罗拔·波义耳发现铁屑和稀释酸之间会发生反应，并产生气体──就是氢气。1766年，亨利·卡文迪什同样利用金属和酸之间的反应，首次发现氢气是一种独立的物质，并将其命名为「易燃气」。他猜想，「易燃气」就是当时假想的燃素。1781年，他又发现该气体在燃烧后会生成水。故此，卡文迪什一般被后世尊为氢元素的发现者。1783年，安东万-罗伦·德·拉瓦节和皮耶尔-西蒙·拉普拉斯重复并证实了卡文迪什的实验。拉瓦节为这一元素命名为「Hydrogen」，词源为希腊文中的「水」（ὑδρο）和「创造者」（-γενής）。 安东万-罗伦·德·拉瓦节 在拉瓦节的实验中，蒸汽在一支用火烧热的铁管内流通，高温下水分子中的质子会对铁金属进行无氧性氧化反应，产生氢气。此反应的方程序如下： Fe + H2O → FeO + H2 2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2 不少金属都可以代替铁，进行以上的化学反应而产生氢气，例如锆。 1898年，詹姆斯·杜瓦用再生冷却法及他所发明的真空保温瓶，首次制成液氢。翌年，他又制成固体氢。哈罗德·尤里于1931年12月发现氘，而欧内斯特·卢瑟福、马克·奥利芬特和保罗·哈特克则在1934年首次制备出氚。尤里的研究小组在1932年发现重水，即含有氘的水。1806年，弗朗斯瓦·伊萨克·德·利瓦制造了第一部以氢氧混合物作为燃料的内燃机──德利瓦引擎。爱德华·丹尼尔·克拉克在1819年发明了氢气吹管。德贝莱纳灯和聚光灯则在1823年被发明。 1783年，雅克·沙尔发明了首个氢气球。1852年，亨利·吉法尔发明了首个以氢气提供升力的载人飞艇。德国的斐迪南·冯·齐柏林伯爵大力推广了这一运输工具，他所设计的飞船称作齐柏林飞船，于1900年首飞。飞船的常规航班从1910年开始，到了1914年8月第一次世界大战之始已搭载3万5千多人，并无重大事故。氢气飞船在战时被用于观测及轰炸。 1919年，R34飞船首次不停站横跨大西洋。常规客运航班在1920年代陆续恢复。虽然当时在美国发现了氦气储备，但美国政府不愿售卖氦气作运输之用。因此兴登堡号飞船所使用的仍然是氢气，以致飞船于1937年5月6日准备降落于新泽西州时，在半空中起火焚烧并坠毁。整个事故经电台直播，且全程被拍摄下来。人们最早认为是泄漏的氢气爆炸造成了这场事故，但之后的调查却指出，是飞船镀铝的表面布料被静电点燃引致起火。无论如何，人们此时已不再愿意用氢气来飞行了。 1937年，第一部氢冷汽轮发电机在俄亥俄州代顿投入使用，这种发电机以氢气作为转子和定子的冷却剂。由于氢气的导热性极佳，所以至今仍是最常用的发电机冷却剂。 1977年，美国海军的导航科技2号卫星（NTS-2）搭载了首个镍氢电池。国际太空站、2001火星奥德赛号及火星全球探勘者号都配备了镍氢电池。处于地球阴影部份的时候，哈勃太空望远镜也是由镍氢电池供电的。这个电池在运作19年后（超过设计年期13年），终于在2009年5月被更换下来。 量子理论 氢在可见光范围内的发射光谱共有巴耳末系的四条谱线 氢是原子结构最为简单的元素，只含一个质子和一个电子。在原子结构模型的发展过程中，氢原子和它的发射、吸收光谱都有着特殊的理论价值。物理学家在1925年前后发展出氢原子的量子力学描述，此后氢分子以及H+ 2阳离子又因为结构简单，而成为科学家在研究化学键本质时所用的重要对象。 早在量子力学发展成熟整整半个世纪以前，詹姆斯·克拉克·马克士威就观察到了氢的量子效应。他注意到，H2的热容量在低于室温的温度下，开始偏离双原子气体的性质，在极低温下更像单原子气体。根据量子理论，这一现象源自于分子旋转能级之间的间距。在质量尤其低的H2分子中，能级之间的间距特别大。在低温下，较大的能级间距使得热量无法均分到分子的旋转运动上。由更重的原子所组成的双原子气体会有较小的能级间距，所以在低温下不呈现这种现象。 反氢（H）是对应于氢的反物质，含一个反质子和一个正子。截至2015年，反氢是唯一一种被合成过的反物质原子。

分布

NGC 604是三角座星系中一个巨大的电离氢区 氢是宇宙中丰度最高的化学元素，占重子总质量的75%，原子总数的90%以上。（不过，宇宙的大部份质量并不是由化学元素物质所组成的，而是有待进一步了解的暗物质和暗能量。）氢是恒星和巨行星的主要成份之一，并通过质子﹣质子链反应和碳氮氧循环核聚变反应为恒星提供能量。H2分子云是恒星形成的地点。 宇宙中的氢主要以单原子形态和等离子态存在，此两者的性质和双原子氢分子颇为不同。氢等离子体中，电子和质子各自独立，所以电导率和发射率都很高，这是太阳等恒星发光的原因。这些带电粒子受电磁场的影响，例如，太阳风会和地球磁层相互作用，产生白克兰电流和极光。星际物质含有中性单原子氢。直到红移z=4为止，宇宙重子密度都以阻尼莱曼α系统中的大量中性氢原子为主。 在地球上的常规条件下，氢的单质以双原子气体存在，即H2。但由于质量低，氢气比其他较重的气体更容易逃逸地球重力，所以在地球大气中的含量极低，只占大气总体积的百万分之1。另一方面，氢却是地球表面丰度排第三的元素，主要存在于碳氢化合物和水等化合物当中。某些细菌和藻类会释放氢气，胃肠气中也含有氢气。 星际物质中的氢分子经宇宙射线的电离之后，会形成三氢阳离子（H+ 3）。这种离子也存在于木星的大气上层。在太空的低温低密度环境下，三氢阳离子可以较稳定地存在，所以它是宇宙中最常见的离子之一，对星际物质的化学研究也起到了重要的作用。中性三原子氢（H3）是一种不稳定分子，只能在激发状态下存在。氢分子阳离子（H+ 2）是宇宙中罕见的分子。

自然形成与实验制备

在实验室中，不少化学反应都会释放氢气作为副产品。工业生产出的氢可以用来氢化各种不饱和物质。在自然界中，生物体的还原反应也会释放出氢气。 金属-酸反应 在实验室中制备氢气，一般用非氧化酸与反应性较高的金属（如锌）在启普发生器中发生反应： Zn + 2 H → Zn + H2 铝经过碱的处理后，也会产生氢气： 2 Al + 6 H2O + 2 OH → 2 Al(OH)− 4 + 3 H2 对水进行电解，可以很容易地制成氢气。当低电压的电流通过水的时候，氧气会在阳极积累，而氢气则在阴极积累。在制备氢气作保存之用时，阴极的材料一般选用铂等惰性金属，以避免与氢气发生反应。如果制成的氢气须要当场用来燃烧，则氧气可助燃，所以阳极也应该用惰性金属作为材料。理论上的最大能源效率，即产出的氢气所含潜在能量占投入电能的比例，为80%至94%。 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) 用铝镓合金制成的颗粒，加入水中，会产生氢气。这一反应也会产生氧化铝，但用于防止颗粒表面形成氧化层、成本较高的镓在反应之后可以回收再用。这一反应有潜力成为氢能经济的基础，因为氢气可以在现场生成，无须运输。 蒸汽重整 在众多氢气制备方法中，经济效益最高的是从碳氢化合物中提取出氢气。商业上，一般是对天然气进行蒸汽重整来大规模生产氢气。在高温下（1000–1400 K，700–1100 °C，1300–2000 °F），水蒸汽和甲烷会发生反应，产生一氧化碳和氢气： CH4 + H2O → CO + 3 H2 以上的反应在低压进行时效率更高，但却通常在高压下进行（2.0 MPa，20 atm，600 inHg），因为高压氢气是市场上最为普及，且变压吸附纯化系统更适合在高压下工作。由于反应所产生的一氧化碳-氢气混合物经常直接用于生产甲醇及其他相关的化合物，所以也称为合成气。甲烷以外的碳氢化合物也可以用来制造合成气，但产物比例可能会有所不同。在缺水的情况下，焦炭就会形成，影响合成气的产量： CH4 → C + 2 H2 因此，在进行蒸汽重整过程时，通常应注入过量的蒸汽。利用水气转移反应，并以氧化铁作为催化剂，可从蒸汽中提取出更多的氢气。蒸汽重整也是二氧化碳的一大工业来源： CO + H2O → CO2 + H2 氢气的其他生产方法还包括，碳氢化合物的部份氧化反应： 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2 以及对煤炭反应的碳产物进行以上的转移反应： C + H2O → CO + H2 氢气在生产后，有时会在同一道工业进程中直接被使用，期间不经分离。在用于生产氨的哈柏法中，氢气是从天然气中提取出来的。对盐水进行电解，在产生氯气的同时，也会生成氢气作为副产品。 热化学反应 能分离水的热化学循环过程共有200多种，其中可以从水和热量直接产生氢气和氧气的过程包括：氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫碘循环、铜氯循环、混合硫循环等等，都有待进一步研究。多个国家都有实验室着力研究可以从太阳能和水生成氢气的热化学方法。 无氧腐蚀作用 在无氧条件下，铁和合成钢会被水分子中的质子缓慢氧化，而水则会还原成分子氢。在铁的无氧腐蚀过程中，首先形成的是氢氧化亚铁（Fe(OH)2，又称绿锈）： Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2 水分子中的质子再对氢氧化亚铁进行无氧性氧化反应，产生磁铁矿（Fe3O4）和分子氢，是为西科尔反应： 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 磁铁矿晶体的热力学稳定性比氢氧化亚铁高。 在缺氧地下水和位于地下水台以下具还原性的土壤中，铁和钢就是经过这一反应受无氧侵蚀的。 蛇纹石化反应 在地底深处缺乏大气氧气的环境下，铁橄榄石晶格中的硅酸铁会受到水分子中的质子的无氧性氧化，产生氢气，这叫蛇纹石化作用。除了氢气以外，反应还会产生磁铁矿（Fe3O4）和石英（SiO2）： 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 以上反应和氢氧化二铁的无氧腐蚀过程（西科尔反应）十分相似。 变压器 在变压器会产生的各种故障气体中，氢气是最常见的一种，在大部份故障情况下都会形成。所以，探测到氢气，意味着变压器可能出现了严重的问题。

应用

石油和化学工业都需要大量的氢气，其中以化石燃料加工及经哈伯法生产氨为主要应用。在石油化工厂中须消耗氢气的过程有：加氢脱烷基反应、加氢脱硫反应和裂化反应等。氢气可以用来对非饱和脂肪和油类进行氢化，增加饱和程度（如固体植物牛油），也可以用于生产甲醇和氢氯酸。氢气可以对金属矿物进行还原。 氢气极易溶于许多稀土金属和过渡金属之中，同时也可溶于纳米晶态和非晶态金属。氢气在金属中的可溶性受到了晶格局部变形和杂质的影响。利用这一属性，可将氢气在高温钯圆盘上通过，提高氢气的纯度。不过，氢气在金属中的溶解会导致氢脆现象，使运输管和保存罐的设计更为复杂。 除了用在化学反应中以外，氢气在物理学和工程学上也有广泛的应用。它在一些焊接方法中可用作保护气体，例如原子氢焊接法。氢气的分子质量很低，因此它密度低，热容量和热导率亦为所有气体中最高，很适合用作发电机的转子冷却剂。液氢可用于低温物理学中，例如对超导现象的研究。氢气的质量密度很低，稍高于空气密度的四分之一，所以气球和飞艇都曾经用氢气来提供升力。但1937年的兴登堡号空难造成36人死亡后，氢气在载人飞般及气球填充上的应用已被较稳定的氦气所完全取代。 氢气和氮气混合后称为合成气体，可以作为示踪气体，用于探测微小的漏气点，在汽车、化学、发电、航空航天和电信等工业中都有应用的空间。氢气在许多国家属于合法的食物添加剂（E 949），可以用来探测包装有无泄漏，以及防止食物氧化。 氢可以用来饱和无定形碳和无定性硅的断键（悬键），使物质属性变得更加稳定。氢在各种氧化物材料中可以作为电子供体，包括：ZnO、SnO2、CdO、MgO、ZrO2、HfO2、La2O3、Y2O3、TiO2、SrTiO3、LaAlO3、SiO2、Al2O3、ZrSiO4、HfSiO4和SrZrO3等。 氘和氚同位素也有其各自的特殊应用。氘可用于核聚变反应中，也可用作核裂变反应的中子减速剂。化学和生物学都会利用氘化合物来研究各种化学反应的动力学同位素效应。核反应炉所产生的氚可以用来制造氢弹，在生物科学中用作同位素标识，以及在发光颜料中作为辐射源。 1990年国际实用温标（ITS-90）把氢在平衡态下的三相点温度定义为13.8033 K，从而为开尔文温标定下了国际标准。 能量载体 氢本身并不是一种能源资源。利用氘或氚同位素来进行核聚变发电的技术，目前还远没有达到发展成熟的阶段。虽然太阳的能量来自于氢的核聚变反应，但要在地球上稳定控制这一过程却是极为困难的。用太阳能、电能或生物过程产生单质氢所需要的能量，比氢燃烧后所得的能量要高，所以氢只能是一种能量载体，就像电池一样。氢可以取自甲烷等化石燃料，但这些燃料都属于不可再生资源。 液氮和压缩氢气的单位体积所含能量密度比传统燃料低得多，但单位质量所含能量密度却更加高。氢气被认为有潜力成为一种常用的能源载体，作为新的经济基础。举例来说，在从化石燃料提取氢气的同时，可以对二氧化碳进行收集及封存。汽车在燃烧氢气时的污染较低，除一些氮氧化物以外，不会排放任何的碳。燃料电池将氢气和氧气转化为电力，效率比内燃机更高。然而，要从现状完全转变到氢经济，则需要庞大的基建成本。

生物过程

某些类型的无氧代谢反应会产生氢气。会发布氢气的微生物一般以含铁或含镍的氢化酶作为催化剂，进行以下的可逆氧化还原反应： H2 2 H + 2 e 在丙酮酸盐发酵成水的过程中，还原当量（任何在氧化还原反应中可转移单个电子的化学物）转移时会产生氢气。生物体内氢的自然产生和消耗称为氢循环。 所有光和生物所进行的光反应都会把水分解成质子、电子和氧气。在某些生物中，如莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和蓝绿藻等，演化出了「暗反应」的第二阶段：质子和电子通过叶绿体的特殊氢化酶还原成氢气。一些科学家正在研究用基因改造方法，使水藻和蓝绿藻的氢化酶在有氧环境下也能高效合成氢气。

安全

氢在不同情况下都会对人体造成危险。与空气混合时，氢气会轻易燃烧和爆炸，而纯氢气则会使人窒息。泄漏到空气中的氢气无色无味，且可以自燃，产生高温但无色的火焰，因此有意外灼伤的可能性。液氢的温度极低，所以和其他低温液体一样有一定的危险性，比如会引致冻伤。氢气可以溶解在多种金属之中，除了可能的泄漏以外，氢气还会造成金属的氢脆现象，引致材料爆裂。 氢的许多性质都受到了其自旋异构体（正氢和仲氢）比例的影响。不少数据所描述的是处于平衡态的氢气，但氢气有时需要几天乃至几周的时间才会达致平衡，所以它的安全数据可能和现实中的氢气有所差别。另外，容器的形状，也会大大影响氢气的爆炸临界温度和压力。