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  • 氢是一种化学元素,在元素周期表中位于第一位。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭,极易燃烧的由双原子分子组成的气体,氢气是最轻的气体。医学上用氢气来治疗疾病。氢气的爆炸极限:4.0~74.2%(氢气的体积占混合气总体积比)。早在十六世纪,瑞士的一名医生就发现了氢气。他说:“把铁屑投到硫酸里,就会产生气泡,像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位著名的医生,病人很多,没有时间去做进一步的研究。十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙蔽,认为不管什么气体都不能单独存在,既不能收集,也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什么不同,很快就放弃了研究。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 外文名: Hydrogen
    符号: H 序号: 1
    CAS号: 133-74-0 族: 1族
    周期: 1 元素分区: s
    原子质量: 1.00794 密度: 0.08342kg/m3,液体密度70.78kg/m3(-252.9℃,101.3kPa)
    外观: 无色、无臭、可燃气体,它是已知的最轻气体 熔点: -259
    沸点: -253 临界点: -234.8
    溶解度(水): 0.00017G/100ML
    安全性描述: S16/33:远离火源,防止静电发生 危险性符号: F+:很易燃物质
    危险性描述: R12:极端易燃 应用: 用作合成氨、合成甲醇等
    水溶性: 0.00017G/100ML

    目录

    历史发展/氢 编辑

    早在十六世纪,瑞士的一名医生就发现了氢气。他说:“把铁屑投到硫酸里,就会产生气泡,像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位著名的医生,病人很多,没有时间去做进一步的研究。

    十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙蔽,认为不管什么气体都不能单独存在,既不能收集,也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什么不同,很快就放弃了研究。

    最先把氢气收集起来并进行认真研究的是在1766年英国的一位化学家卡文迪什。

    卡文迪什非常喜欢化学实验,有一次实验中,他不小心把一个铁片掉进了盐酸中,他正在为自己的粗心而懊恼时,却发现盐酸溶液中有气泡产生,这个情景一下子吸引了他。他又做了几次实验,把一定量的锌和铁投到充足的盐酸和稀硫酸中(每次用的硫酸和盐酸的质量是不同的),发现所产生的气体量是固定不变的。这说明这种新的气体的产生与所用酸的种类没有关系,与酸的浓度也没有关系。

    氢气氢气

    卡文迪什用排水法收集了新气体,他发现这种气体不能帮助蜡烛的燃烧,也不能帮助动

    物的呼吸,如果把它和空气混合在一起,一遇火星就会爆炸。卡文迪什经过多次实验终于发现了这种新气体与普通空气混合后发生爆炸的极限。他在论文中写道:如果这种可燃性气体的含量在9.5%以下或65%以上,点火时虽然会燃烧,但不会发出震耳的爆炸声。

    随后不久他测出了这种气体的比重,接着又发现这种气体燃烧后的产物是水,无疑这种气体就是氢气了。卡文迪什的研究已经比较细致,他只需对外界宣布他发现了一种氢元素并给它起一个名称就行了。但卡文迪什受了虚假的“燃素说”的欺骗,坚持认为水是一种元素,不承认自己无意中发现了一种新元素。

    后来拉瓦锡听说了这件事,他重复了卡文迪什的实验,认为水不是一种元素而是氢和氧的化合物。在1787年,他正式提出“氢”是一种元素,因为氢燃烧后的产物是水,便用拉丁文把它命名为“水的生成者”。

    物化属性/氢 编辑

    元素简介

    氢

    氢是原子序数为1的化学元素,化学符号为H,在元素周期表中位于第一位。其原子质量为1.00794u,是最轻的元素,也是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙质量的75%。主星序上恒星的主要成分都是等离子态的氢。而在地球上,自然条件形成的游离态的氢单质相对罕见。

    氢最常见的同位素是氕(piē),含1个质子,不含中子。在离子化合物中,氢原子可以得一个电子成为氢阴离子(以 H表示) 构成氢化物,也可以失去一个电子成为氢阳离子(以 H表示,简称氢离子),但氢离子实际上以更为复杂的形式存在。氢与除稀有气体外的几乎所有元素都可形成化合物,存在于水和几乎所有的有机物中。它在酸碱化学中尤为重要,酸碱反应中常存在氢离子的交换。氢作为最简单的原子,在原子物理中有特别的理论价值。对氢原子的能级、成键等的研究在量子力学的发展中起了关键作用。

    氢气(H2)最早于16世纪初被人工合成,当时用的方法是将金属置于强酸中。1766~81年,亨利·卡文迪许发现氢气是一种与以往所发现气体不同的另一种气体,在燃烧时产生水,这一性质也决定了拉丁语 “hydrogenium” 这个名字(“生成水的物质”之意)。常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。

    氢原子则有极强的还原性。在高温下氢非常活泼。除稀有气体元素外,几乎所有的元素都能与氢生成化合物。

    基本属性

    物质状态

    气态

    元素在太阳中的含量 75%
    地壳中含量 1 , 5%
    大气 含量 0 , 0001,%
    质子质量 1 , 673×,-27
    质子相对质量 1.00794
    所属周期 1
    所属族数 IA
    摩尔质量 1g/, mol
    氢化
    氧化物 H2O
    最高价氧化物 H2O

    原子属性

    外围 电子排布

    1s1

    核外电子排布 1
    电子层 K
    原子量 1.00794
    原子半径 (计算值)25(53), pm
    共价半径 37, pm
    范德华半径 120, pm

    具体性质

    颜色

    常温下为无色气体

    熔点 14 , 025,K,(-259 , 125,℃)
    沸点 20 , 268,K,(-252 , 882,℃)
    三相点 13,8033,K,(-259,℃)7,042kPa
    临界点 32,97,K,(-240,℃),1,293MPa
    摩尔体积 22 , 4L/mol
    汽化热 0 , 44936,kJ/mol
    熔化热 0 , 05868,kJ/mol
    蒸气压 209, 帕斯卡 ,(23K)
    比热容量 14000J/(kg·℃)
    声在其中传播的速度 1270,m/s(293 , 15K)
    电离能 (kJ,/mol) M,-,M+,1312
    密度 , 硬度 0 , 0899,kg/m³,(273K), NA
    热导率 W/(m·K)180,5

    同位素

    氢是唯一的其同位素有不同的名称的元素。(历史上每种元素的不同同位素都有不同的名称,现已不再使用。)D 和 T 也可以用作氘(deuterium)和氚(tritium)的符号,但 P 已作为磷的符号,故不再作为氕(protium)的符号。 按照IUPAC的指引,D 或2H 和 T 或3H 都可以使用,但推荐使用2H 和3H(同位素相对原子质量不同),生活中通常使用氕。

    氢在自然界中存在的同位素有:

    氕(piē)(氢1,H)

    氘(dāo)(氢2,重氢,D)

    氚(chuān)(氢3,超重氢,T)

    以人工方法合成的同位素有: 氢4、氢5、氢6、氢7

    氕(氢-1)

    氕的原子核只有一个质子,丰度达99.98% ,是构造第二简单的的原子。

    氢

    氘(氢-2)

    氘为氢的一种稳定形态同位素,也被称为重氢,元素符号一般为2H或D。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一。氢(H)的同位素,其相对原子质量为普通轻氢的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反应,并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子(deuterium)——亦称“重氢”,元素符号D。

    氚(氢-3)

    氚,亦称超重氢,是氢的同位素之一,元素符号为T或3H。它的原子核由一颗质子和两颗中子所组成,并带有放射性,会发生β衰变,其半衰期为12.43年。自然界中存在极微,从核反应制得。主要用于热核反应。

    氢-4

    氢-4是氢的同位素之一,它包含了质子和三个中子。在实验室里,是用氘的原子核来轰炸氚的原子核,来合成一个氢4的原子核。在这过程中,氚的原子核会从氘的原子核上吸收一个中子。氢4的质量为4.0279121U,半衰期为9.93696×10-22秒。

    氢-4.1

    氢-4.1结构上类似氦,它包含了2个质子和2个中子,但因其中一个电子是渺子,但由于渺子的轨道特殊,轨道非常接近原子核,而最内侧的电子轨道与渺子的轨道相较之下在很外侧,因此,该渺子可视为原子核的一部份,所以整个原子可视为:原子核由1个渺子、2个质子和2个中子组成、外侧只有一个电子,因此可以视为一种氢的同位素,也是一种奇异原子。一个渺子重约0.1U,故名氢- 4.1(4.1H)。氢-4.1原子可以与其他元素反应,和行为更像一个氢原子不是像惰性的氦原子。

    氢-5

    氢-5是氢的同位素之一,它的原子核包含了四个中子和一个质子,在实验室里用一个氚的原子核来轰炸氚,这让氚吸收两个氚原子核的质子而形成了氢5。氢5的半衰期非常短,只有8.01930×10-22秒。

    氢-6

    氢-6是不稳定的氢同位素之一,它包含了一个质子和五个中子,半衰期为3×10-22秒。

    氢-7

    氢-7是不稳定的氢同位素之一,它包含了一个质子和六个中子,

    图表

    符号 质子数 中子数 原子质量单位 (u) 半衰期

    原子核自旋

    丰度 丰度的变化率
    1H 1 0 1 , 007,825,032,07(10) 稳定 ,[>,2 , 8×,1023,年] 1/2+ 0 , 999885(70) 0 , 999816~0 , 999974
    2H 1 1 2 , 0141017778(4) 稳定 1+ 0 , 000115(70) 0 , 000026~0 , 000184
    3H 1 2 3,0160492777(25) 12 , 32(2),年 1/2+
    4H 1 3 4 , 02781(11) 1 , 39(10)×,10-22,s,[4 , 6(9),MeV] 2-
    5H 1 4 5 , 03531(11) >,9 , 1×,10-22,s (1/2+)
    6H 1 5 6 , 04494(28) 2 , 90(70)×,10-22,s,[1 , 6(4),MeV] 2-#
    7H 1 6 7 , 05275(108)# 2 , 3(6)×,10-23#,s,[20(5)#,MeV] 1/2+#

    备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明,只是理论推测而已,而用括号括起来的代表数据不确定性。

    氢气生物学效应

    早在1975年就有人开展了氢气治疗肿瘤的研究,后来2001年才有法国学者将高压氢用于治疗肝脏寄生虫感染的研究。早期的研究只能简单地观察氢气被动物呼吸后的反应,显然观察结果证明氢气对动物没有产生显着的影响。关于氢气的生物学效应,最热闹地当然属于潜水医学,因为氢气作为人类潜水呼吸的气体被国际许多重要的潜水医学研究单位深入研究,作为呼吸气体的最重要前提是该气体的安全性,就是不能对人体产生明显的影响,包括在极端高压下呼吸这种气体。许多年的潜水医学研究证明呼吸氢气是非常安全的,但也同时给人们一种深刻印象,呼吸氢气对人体是没有明显生物学效应的。2007年日本学者报道,动物呼吸2%的氢可有效清除强毒性自由基,显着改善脑缺血再灌注损伤,采用化学反应、细胞学手段证明,氢溶解在液体中可选择性中和羟自由基和亚硝酸阴离子。而后两者是氧化损伤的最重要介质,体内缺乏他们的清除机制,是多种疾病发生的重要基础。随后他们又用肝缺血和心肌缺血动物模型,证明呼吸2%的氢可以治疗肝和心肌缺血再灌注损伤。采用饮用饱和氢水可治疗应激引起的神经损伤和基因缺陷氧化应激动物的慢性氧化损伤。美国匹兹堡大学器官移植中心学者Nakao等随后证明,呼吸2%的氢可以治疗小肠移植引起的炎症损伤,饮用饱和氢水可治疗心脏移植后心肌损伤、肾脏移植后慢性肾病。国内第四军医大学谢克亮等的研究证明,呼吸氢气能治疗动物系统炎症、多器官功能衰竭和急性颅脑损伤。孙学军等的研究也证明,呼吸2%的氢可以治疗新生儿脑缺血缺氧损伤。随后,孙学军等成功制备了饱和氢注射液,并与国内40多家实验室开展合作,先后发现该注射液对疼痛、关节炎、急性胰腺炎、老年性痴呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒迟发性脑病、肝硬化、脂肪肝、脊髓创伤、慢性低氧、腹膜炎、结肠炎、新生儿脑缺血缺氧损伤、心肌缺血再灌注损伤、肾缺血再灌注损伤和小肠缺血再灌注损伤等具有良好的治疗作用。这些研究说明,氢是一种理想的自由基、特别是毒性自由基的良好清除剂,具有潜在的临床应用前景。

    制取方法/氢 编辑

    工业制法

    启普发生器启普发生器

    水煤气法:C(s)+ H₂O(g)= CO(g)+ H₂(g)【高温】

    CO(g)+H₂O(g)==CO₂(g)+H₂(g)

    除此之外,还有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法等。实验室制法锌与稀硫酸反应(中学课本标准实验室制法)

    Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑

    若用盐酸,制得的氢气中可能会混有氯化氢气体(HCl),因为稀盐酸也有一定的挥发性。

    金属若用铁或镁,反应速率会影响实验观察效果。其他制法2Al + 3H₂SO₄=Al₂(SO₄)₃+ H₂↑Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑

    Mg+2HCl=MgCl₂+H₂↑Mg+H₂SO₄=MgSO₄+H₂↑

    Zn+2HCl=ZnCl₂+H₂↑

    Zn+H₂SO₄ = ZnSO₄+H₂↑

    2Al+6HCl=2AlCl₃+3H₂↑

    2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑(注:NaAlO₂为简化形式,实际存在的是四羟基合铝酸钠Na[Al(OH)₄])

    2H₂O==2H₂↑+O₂↑

    6CH₃COOH+2Al=2Al(CH₃COO)₃+3H₂↑ 铝与乙酸反应生成氢气

    Fe+2HCl==FeCl+H↑

    元素纯化

    随着半导体工业、精细化工和光电纤维工业的发展,产生了对高纯氢的需求。例如,半导体生产工艺需要使用99.999%以上的高纯氢。但是工业上各种制氢方法所得到的氢气纯度不高,为满足工业上对各种高纯氢的需求,必须对氢气进行进一步的纯化。氢气的纯化方法大致可分为两类(物理法和化学法), 氢气提纯方法主要有低温吸附法,低温液化法,金属氢化物氢净化法;此外还有钯膜扩散法,中空纤维膜扩散法和变压吸附法等六种方法。

    方法 基本原理 适用原料气 制得氢气浓度(%) 适用规格
    高压催化法
    氢与氧发生反应而去除氧
    含氧的氢气,主要是电解法制得的氢气
    99.999
    金属氢化物分离法
    先使氢与金属形成金属氢化物之后,加热或减压使其分解
    氢含量较低的气体
    >99.9999
    中小
    高压吸附法
    吸附剂选择吸附杂质
    任何含氢气体
    99.999
    低温分离法
    低温下使气体冷凝
    任何含氢气体
    90~98
    钯合金薄膜扩散法
    钯合金薄膜对氢有选择渗透性,其他气体不能透过
    氢含量较低的气体
    >99.9999
    中小
    聚合物薄膜扩散法
    气体透过薄膜的扩散速率不同
    炼油厂废气
    92~98
    [1]

    同位元素/氢 编辑

    在自然界中存在的同位素有:氕(氢1)、氘(氢2,重氢)、氚(氢3,超重氢),以人工方法合成的同位素有:氢4、氢5、氢6、氢7,氕只同位素-氢,这里是特指的。氢:可以泛指氢这种元素即原子核中只有一个质子的元素,包括氕氘氚;同时也可以指氢气。

    前面介绍的是普通的氢,它的原子量是1,它还有两个“能干”的大“哥哥”氘(音刀)和氚(音川)它们的原子量分别是2和3。人们有时候也把它们称为“重氢”和“超重氢”,它们与氧结合生成的水分别叫重水和超重水。

    水在地球上的总重大约是140亿亿吨,其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水,这比砂里淘金花的代价要大得多,因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少,而超重水就更加少了,在宽广无际的大海里,连十亿分之一也找不到,只有靠人工的方法去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中,在中子的轰击下,使锂转变为氚,然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量,而且生产很慢,一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水,所以超重水的价格比重水还要贵上万倍,比金子要贵几十万倍。

    表面看来,重水和一般的水没有什么两样。但脾气却大不一样,如果你用重水养金鱼,没多久鱼便死了,用重水浸过的种子不会发芽。重水的“个头”也比水大,一立方米重水比一立方米普通的水要重105.6公斤。普通的水在零度时结冰,在100℃时沸腾;而重水在3.8℃时就变成了冰,人们把它叫做“热冰”。虽然重水和超重水生产起来要花费很大代价,但人们还是在不断地制造着他们。这是什么缘故呢?原来它们对人类也有很多好处。先说起重水,它有放射性,利用它的这个特性,科学家可以研究某些生物或化学过程的进展情况。比如让病人喝一点含有极少量超重水的茶,半小时后,就可以从尿中检查出放射性,一直到14天以后,放射性才消失,这说明水分在人体中停留的时间是14天。如果要研究某种化学过程中水的来龙去脉,但又不许加入别的东西来破坏化学反应,这时就可以在普通水中加入一些超重水,超重水流到哪儿,哪儿就出现放射性。科学家很容易用探测器测量出它的藏身之处。

    重水是原子能工业中的重要角色,它是原子反应堆最好的减速剂和载热剂,用了它之后,就可以大大降低原子燃料的成分。重水还是重要的国防原料,氢弹就是用它来制造的,重氢在极高温度下会产生原子核的聚合反应,发生强烈的爆炸,它的能量相当于几千万吨烈性炸药。一个普通的氢弹就能轻而易举地炸毁一座城市。如果把它爆炸时放出能量全部转换成电能,人类几十年也用不完。

    制备纯化/氢 编辑

    氢

    制备:

    工业制法:电解水2H2O=O2↑2H2↑

    实验室制法:锌与稀盐酸反映Zn 2HCl=ZnCl2 H2↑

    工业法有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法、炼厂气提取法。

    水电解制氢是一种较为方便的方法。在充满氢氧化钾或氢氧化钠的电解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,分解成氢气和氧气。其化学反应式如下:

    阴极:2H2O 2e H2↑2OH

    阳极:2OH—2e H2O 1/2O2↑

    总反应式:2H2O 2 H2↑ O2↑

    根据库仑定律,气体产量与电流成正比,与其它因素无关

    随着半导体工业、精细化工和光电、半导体生产工艺需要使用99.999%以上的高纯氢。但是目前工业上各种制氢方法所得到的氢气纯度不高,为满足工业上对各种高纯氢的需求,必须对氢气进行进一步的纯化。氢气的纯化方法大致可分为两类(物理法和化学法),六种方法。

    贮存方法/氢 编辑

    氢是一种能量密度很高的清洁可再生能源,但其特殊性质导致难以常温常压储存,泄漏后有爆炸危险。若能突破储存技术便可以广泛用于各种动力设备。中国利用特殊溶液大量吸收氢气,一立方米可以吸收超过50公斤,平常可以稳定储存,加入催化剂便可释放氢气,储氢材料可重复使用2000次。该技术国际领先,或引发氢能利用革命。

    保存氢气方法很多,但是高效的储氢方法主要有:液化储氢(成本太高,而且需要很高的能量维持其液化);压缩储氢(重量密度和体积密度都很低);金属氢化物储氢(体积存储密度较高,但是重量密度低),还有一个是现在正在研究的碳纳米管吸附储氢(已经证明在室温和不到1bar(约一个大气压)的压力下,单壁碳管可以吸附5%-10%,多壁碳纳米管储氢可达14%,但是这些报道都受到了质疑,原因是目前尚未建立一个世界上公认的检测碳纳米管储氢的检测标准)目前根据理论推算和反复验证,大家普遍认为可逆储/放氢量在5%(质量密度百分比)左右,但是即使是只有5%也是迄今为止最好的储氢材料。

    氢的储运技术是制约氢能发展的最主要技术瓶颈,目前其研究主要集中在高压储氧罐、轻金属材料、复杂氢化物材料、有机液态材料等氢储运技术。将氢气经特殊处理溶解在液态材料中,实现氢能的常态化、安全化应用,甚至用普通矿泉水瓶也能装运,这一愿景正在逐渐接近现实。业界认为该技术处于国际领先水平,并有可能引发氢能利用革命。

    2014年9月9日,中国地质大学(武汉)可持续能源实验室开发的液态储氢技术已经完成了实验室阶段的研究,正准备进行大规模中试和工程化试验。

    团队利用不饱和芳香化合物催化加氢的方法,成功攻克了氢能在常温常压下难以贮存和释放这一技术瓶颈,实现了氢能液态常温常压运输,而且克服了传统高压运输高成本、高风险的弊病,所储氢在温和条件下加催化剂释放后即可使用。储氢材料的技术性能指标超过了美国能源部颁布的车用储氢材料标准。

    实验室研究显示,储氢分子熔点可低至-20℃,能在150℃左右实现高效催化加氢,并在常温常压下进行储存和运输;催化脱氢温度低于200℃,脱氢过程产生氢的纯度可高达99.99%,并且不产生CO、NH3等其他气体;储氢材料循环寿命高、可逆性强(高于2000次);质量储氢容量>5.5wt%,体积容量>50kg(H2) ·m-3。程寒松告诉记者,所用催化剂无需再生即可重复使用,5年内无需更新。

    作用用途/氢 编辑

    氢是重要工业原料,如生产合成氨和甲醇,也用来提炼石油,氢化有机物质作为收缩气体,用在氧氢焰熔接器和火箭燃料中。在

    氢

    高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他方法,产品的性质更易控制,同时金属的纯度也高。广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。由于氢气很轻,人们利用它来制作氢气球。氢气球。)氢气与氧气化合时,放出大量的热,被利用来进行切割金属。

    利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量能生产杀伤和破坏性极强的氢弹,其威力比原子弹大得多。

    清洁能源,用于汽车等的燃料。为此,美国于2002年还提出了“国家氢动力计划”。但是由于技术还不成熟,还没有进行大批的工业化应用。2003年科学家发现,使用氢燃料会使大气层中的氢增加约4~8倍。认为可能会让同温层的上端更冷、云层更多,还会加剧臭氧洞的扩大。但是一些因素也可抵销这种影响,如使用氯氟甲烷的减少、土壤的吸收、以及燃料电池的新技术的开发等。

    在常温下,氢比较不活泼,但可用合适的催化剂使之活化。在高温下,氢是高度活泼的。除稀有气体元素外,几乎所有的元素都能与氢生成化合物。非金属元素的氢化物通常称为某化氢,如卤化氢、硫化氢等;金属元素的氢化物称为金属氢化物,如氢化锂、氢化钙等。

    氢是重要的工业原料,又是未来的能源,也是最清洁的燃料。

    氢的同位素氘和氚可应用于核聚变,提供能量,因为技术原因,核聚变发电还无法大量应用。

    工业生产

    不同的氢气生产方法有不同的固定投资额和边际成本。制氢的能源和燃料可以来自多种来源例如天然气、核能、太阳能、风力、生物燃料、煤矿、其他化石燃油、地热。(以下以全美国汽车都改为氢气的假设为计算单位)

    医学用途

    一、氢气治疗疾病的概况

    2007年,Ohsawa的关于氢气选择性抗氧化和对大鼠脑缺血治疗作用的报道是该领域具有开创意义的工作。虽然早在1975年和2001年就有关于氢气抗氧化的报道,但2001年是研究呼吸800 kpa氢气14天的效应,而2007年报道是呼吸2kpa氢气不足1小时的效应,两者分压相差400倍,呼吸时间相差600倍,所以这绝对是完全不同性质的工作。该研究将大鼠中动脉临时阻断90分钟(将一根缝合线插到大脑中动脉起始段),然后再灌流,这是经典的脑中风动物模型,类似脑缺血后再恢复血流的情况。在恢复血液供应前5分钟开始给动物呼吸含氢气1、2、4%的混合气体35分钟,结果发现动物脑组织坏死体积非常显着地减少。日本学者将这种作用归因于氢气可以选择性中和羟基自由基(羟基自由基是生物体毒性最强的自由基),尽管氢气也可以中和亚硝酸阴离子,但作用比较弱。该文章发表后,迅速引起国际上的广泛关注,大批临床和基础医学学者迅速跟进,到现在已经有63个疾病类型被证明可以被氢气有效治疗。每年氢气生物学文章数量,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,呈现爆发式增长。氢气的分子效应可在多种组织和疾病存在,例如大脑、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、肾、胰腺、小肠、血管、肌肉、软骨、代谢系统、围产期疾病和炎症等。在上述这些器官、组织和疾病状态中,氢气对器官缺血再灌注损伤和炎症相关疾病的治疗效果最显着,有4篇文章涉及到恶性肿瘤。

    二、氢气治疗疾病的病理生理学机制

    目前关于氢气治疗疾病病理生理学机制主流观点仍是氢气的选择性抗氧化,在选择性抗氧化基础上,人们相继证明氢气对各类疾病过程中的氧化损伤,炎症反应、细胞凋亡和血管异常增生等具有治疗作用。活性氧在各类心脑血管疾病如中风和心肌梗死、代谢性疾病如糖尿病动脉硬化等人类重要急性和慢性疾病的病理生理进程中扮演了重要角色,它是分子氧在还原过程中的中间产物,包括以氧自由基形式存在和非氧自由基形式存在的两大类物质,其中氧自由基又包括羟自由基、超氧阴离子、一氧化氮、亚硝酸阴离子等物质。生理情况下,活性氧在体内不断产生,也不断被清除,处于动态平衡。但在缺血、炎症等病理状态下,机体将产生大量的活性氧。其中,羟自由基和过氧亚硝基阴离子毒性较强,是细胞氧化损伤的主要介质。而一氧化氮、超氧阴离子和过氧化氢等物质毒性较弱,具有重要的信号转导作用。既往在抗氧化损伤的治疗中,还原性过强的药物可能导致机体氧化- 还原状态出现新的失衡。2007 年Ohsawa等人研究证实,氢气能够选择性清除毒性较强的羟自由基和亚硝酸阴离子,而对其它具有重要生物学功能、毒性较低的活性氧影响不大,此即氢气的选择性抗氧化作用。该作用为抗氧化治疗提供了新的思路。早在2001 年,Gharib等人报道吸入8 个大气压的氢气对肝脏血吸虫感染引起的炎症反应具有治疗作用,他们认为氢气与羟自由基直接反应是氢气抗炎作用的基础。2009 年Kajiya等人报道氢气能明显抑制葡聚糖硫酸钠诱发的结肠炎症反应,减少受损结肠的炎症因子水平,减轻炎症的病理损伤,改善预后。氢气的抗炎作用与其抑制活性氧产生、中和羟自由基、抑制促炎因子释放有关。另外,巨噬细胞在炎症反应和免疫调节中起重要作用,氢气对巨噬细胞的调节为其抗炎作用奠定了基础。孙学军等2008 年的研究发现,氢气能减少大鼠缺血缺氧模型的组织损伤,呼吸低浓度的氢气可时间依赖性地减少凋亡酶Caspase-3和Caspase-12 的活性,减少凋亡阳性细胞数量,研究提示氢气的作用与减少Caspase 依赖性凋亡有关。Kubota等报道使用含氢气的水滴眼具有抗角膜血管增生的作用。

    三、氢气对中枢神经系统疾病的治疗作用

    氢气生物学效应发现以来,氢气对以脑血管疾病为代表和以老年性痴呆为代表的中枢神经系统疾功能紊乱都具有明显的保护作用。

    氢气对脑血管病的治疗作用

    Ohsawa等2007年报道的呼吸氢气对大鼠左大脑中动脉阻断模型的治疗作用后。孙学军等很快证明呼吸氢气对新生儿窒息引起的缺血缺氧性脑损伤具有理想的治疗作用,发现氢气对缺血缺氧性脑损伤后神经细胞凋亡酶活性有抑制作用,凋亡酶活性下降导致神经细胞凋亡减少,使神经细胞坏死减少。从而减轻了脑损伤,保护了成年后的脑功能。氢气对心脏停跳引起的脑损伤具有保护作用,这进一步肯定了氢气对缺血缺氧性脑损伤的保护作用。衣达拉奉是目前唯一被批准用于中风治疗的抗氧化药物,和单纯使用衣达拉奉相比,氢气联合使用衣达拉奉上述核磁共振检测指标均获得更好的改善。美国Loma Linda神经外科研究所和南京医科大学、浙江大学附属医院神经外科等三家实验室先后报道氢气呼吸和注射氢气生理盐水对脑出血和珠网膜下腔出血引起的早期脑损伤、神经细胞坏死、脑水肿和血管痉挛等具有理想的保护作用。

    氢气对神经退行性疾病的治疗作用

    巴金森病是脑干神经核黑质内多巴胺神经元死亡引起的疾病,经常是许多其他神经退行性疾病如老年性痴呆的继发表现。孙学军等在模型制备前1周开始给动物随意饮用氢气饱和水,结果发现该治疗可完全消除单侧巴金森病症状的发生。非治疗组动物注射侧多巴胺神经元数量比对照侧减少到40.2%,而治疗组仅减少到83%。即使在模型制备后3天开始给氢气水治疗,单侧巴金森病症状仍可以被抑制,但治疗效果低于预先治疗,神经元数量比对照侧减少到76.3%。预先治疗组动物在模型制备后48小时,纹状体内代表多巴胺神经元末梢的酪氨酸羟化酶活性在模型对照组和治疗组均显着下降。Fujita等用MPTP诱导的小鼠巴金森病模型证明氢气具有类似效应。研究结果表明,和其他如银杏叶比较,氢气具有更理想的治疗效果。

    四、氢气对肝脏病的治疗作用

    氢气在肝脏领域的应用研究十分突出,是早在2001年,法国潜水医学领域就有学者希望证明氢气的抗氧化作用,在马赛法国著名饱和潜水设备公司COMEX SA的设备、技术和人员帮助下,他们开展了这一研究。让感染了肝日本曼氏血吸虫病的小鼠连续14天呼吸氢氧混合气(氢气浓度为87.5%,分压为0.7 Mpa),观察对小鼠肝脏功能、肝组织氧化损伤、纤维化和血液炎症反应等方面的影响,研究结果证明,连续呼吸高压氢气对肝脏血吸虫病动物的肝组织损伤、炎症反应和后期的肝纤维化均有非常显着的保护作用。Fukuda 等在2007 年制作了大鼠肝脏缺血再灌注的模型,通过对组织标本的HE 染色加MDA 加肝功能酶学检测,发现氢气疗法对肝脏的缺血损伤有非常明显的治疗效果。2009 年时,哈佛大学口腔医院的学者Kajiya 等在实验中让大老鼠喝下能产生氢气的细菌,发现对伴刀豆球蛋白诱导的肝炎具有预防作用,如果用抗生素杀灭这些细菌,则抗肝炎的作用消失,这显示了氢气对肝炎的预防与治疗作用。他们还证明,饮用氢气饱和水对伴刀豆球蛋白诱导的肝炎具有类似的治疗效果。同年,Tsai 等发现饮用富氢电解水可以保护小鼠四氯化碳诱导的肝脏损伤。中国学者孙汉勇等采用GalN/LPS,CCl4 和DEN 3 种肝损伤动物模型,通过检测氢气、活性氧水平,评价氧化损伤、细胞凋亡和炎性反应程度,发现腹腔注射氢气生理盐水对急性肝脏损伤、肝纤维化和肝脏细胞增生均具有显着的抑制作用,同时细胞碉亡相关分子如JNK和caspase-3 活性下降,研究结果证明氢气不仅能治疗急性肝脏损伤,而且能治疗肝硬化。刘渠等研究认为,腹腔注射氢气生理盐水通过提高肝脏抗氧化能力,抑制肝脏炎性反应能治疗胆管阻塞后黄疸和肝损伤,这对临床上的指导意义很大。对非酒精性脂肪肝的研究证明,长时间饮用氢气水可以对抗高脂饮食引起的脂肪肝,不仅对肝脏功能、肝形态学如纤维化,而且对脂肪肝相关细胞内信号通路均有明显的阻断效应,该效果可以和传统的治疗脂肪肝的药物吡格列酮(促进胰岛素受体敏感性,降血脂)治疗效果相嫣美。长期饮用氢气水不仅可以对抗脂肪肝,而且可以显着减少这种脂肪肝晚期转化成肝癌的比例,也就是说可以减少脂肪肝发生肝癌的可能性。氢气可以通过促进一种重要的信号分子FGF 21发挥减肥和治疗脂肪肝的效果。氢气在肝脏疾病的临床研究十分缺乏,最近韩国学者Kang 等对49例接受放射治疗的恶性肝癌病人,采用随机安慰剂对照方法,给病人在放射治疗期间饮用一定量的金属镁制备的氢气水,通过对生活质量进行评价,发现该氢气水可显着提高肝癌病人放射治疗后的生活量,同时可以降低血液中氧化应激指标。氢气作为一种选择性抗氧化物质,氢对肝脏缺血、药物性肝炎、胆管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多种类型的肝脏疾病具有有效和明显的治疗作用。

    五、氢气的临床研究进展

    到目前为至,先后有7个疾病临床研究报道,分别是二型糖尿病、代谢综合症、血液透析、炎症/线粒体肌肉病、脑干缺血和放射治疗副作用和系统性红斑狼疮。从世界卫生组织注册的信息中可以发现,也有一些没有发表论文的临床研究。这些研究报告显示氢气在人体脂代谢和糖代谢中的关键的调节作用。

    天然气

    氢

    用气电共生改良后需要15.9百万立方米的瓦斯,如果每天生产500公斤由改装的加油站就

    地生产(例如高科技加气站),相当于改装777,000座加油站成本$1兆美金;可产每年1亿5000万吨氢气。先假设不需额外氢气分配系统的投资成本下;等于每GGE单位$3.00美元(Gallons of Gasoline Equivalent 相当一加仑汽油的能量简称GGE,方便和油价作比较)核能

    用以提供电解水的氢气电能来源。需要240,000吨铀矿—提供2,000座600兆瓦发电厂 等于$8400亿美金,等于每GGE单位$2.50美元。

    太阳能

    用以提供电解水的氢气电能来源。需要每平方公尺达2,500千瓦(每小时)效率的太阳能版科技共1亿1300万座40千瓦的机组,成本推估约$22兆 等于每GGE单位$9.50美元。

    氢能

    化学元素氢(H——Hydrogen),在元素周期表中位于第一位,它是所有原子中最小的。众所周知,氢分子与氧

    分子化合成水,氢通常的单质形态是氢气(H2),它是无色无味,极易燃烧的双原子的气体,氢气是密度最小的气体。在标准状况(0摄氏度和一个大气压)下,每升氢气只有0.0899克重——仅相当于同体积空气质量的二十九分之二。氢是宇宙中最常见的元素,氢及其同位素占到了太阳总质量的84%,宇宙质量的75%都是氢。

    氢具有高挥发性、高能量,是能源载体和燃料,同时氢在工业生产中也有广泛应用。现在工业每年用氢量为5500亿立方米,氢气与其它物质一起用来制造氨水和化肥,同时也应用到汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料,因为氢的液化温度在-253℃。

    氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源,其主要优点有:燃烧热值高,每千克氢燃烧后的热量,约为汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源。资源丰富,氢气可以由水制取,而水是地球上最为丰富的资源,演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。

    氢能简介

    二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是应用最广的“过程性能源”;柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接贮存,因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就无法直接使用从发电厂输出来的电能,只能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源”。可见,过程性能源和含能体能源是不能互相替代的,各有自己的应用范围。随着,人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”,作为二次能源的电能,可从各种一次能源中生产出来,例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然,生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,终有一天这些资源将要枯竭,这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。

    风力

    用以提供电解水的氢气电能来源。 每秒7公尺的平均风速计算,需要1百万座2百万瓦风力机组成本约$3兆美金等于每GGE单位$3.00美元。

    生物燃油

    气化厂用气电共生改良后.。需要15亿吨干燥生物材料,3,300座厂房需要113.4百万英亩(460,000 平方千米)农场提供生物材料。约$5650亿美元 等于每GGE单位$1.90美元(假设土地不匮乏且地价最便宜状态)

    煤矿

    火力发电用气电共生改良后提供电解水的氢气电能来源。需要10亿吨煤将近1,000座275兆瓦发电厂成本$5000亿美金,等于每GGE单位1美元。

    以上看出由煤矿的制氢最便宜,但是除非二氧化碳封存技术普及化及实用化,否则产生的高污染会使氢气科技的环保性荡然无存。

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