氢气(H2)

技术流学习 · 发表于 2021-1-22 14:42:51

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简介

氢气，化学式为H₂，分子量为2.01588，常温常压下，是一种极易燃烧。无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即在1标准大气压和0℃，氢气的密度为0.089g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体（由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充）。氢气是相对分子质量最小的物质，还原性较强，常作为还原剂参与化学反应。
氢气 (H2) 最早于16世纪初被人工制备，当时使用的方法是将金属置于强酸中。1766–1781年，亨利·卡文迪许发现氢元素，氢气燃烧生成水，拉瓦锡根据这一性质将该元素命名为 “hydrogenium”（“生成水的物质”之意，“hydro”是“水”，“gen”是“生成”，”ium"是元素通用后缀）。19 世纪50 年代英国医生合信（B.Hobson）编写《博物新编》（1855 年）时，把“hydrogen”翻译为“轻气”，意为最轻气体。
工业上一般从天然气或水煤气制氢气，而不采用高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反应和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料（如蒙耐尔合金），设计也更加复杂。 [1]
2018年2月，中国实现氢气的低温制备和存储，荣获科技部2017年度中国科学十大进展。 [2]
中文名氢气外文名hydrogen别名纯氢、液氢化学式H₂分子量2.01588CAS登录号1333-74-0EINECS登录号215-605-7熔点-259.2℃(14.01K)沸点-252.77℃（20.28K)水溶性难溶于水密度0.089g/L外观无色闪点可燃气体，闪点无意义应用工业、氢气球、氢能安全性描述S9；S16；S33危险性符号R12危险性描述F+UN危险货物编号1950

研究历史
1766年由卡文迪许（H.Cavendish）在英国发现。
在化学史上，人们把氢元素的发现与“发现和证明了水是氢和氧的化合物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许（Cavendish，H.1731-1810）。
在18世纪末以前，曾经有不少人做过制取氢气的实验，所以实际上很难说是谁发现了氢，即使公认对氢的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许本人也认为氢的发现不只是他的功劳。早在16世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生；17世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特（van Helmont，J.B.1579-1644）曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来；波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们只知道它可燃，此外就很少了解；1700年，法国药剂师勒梅里（Lemery，N.1645-1715）在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。
但是，最早把氢气收集起来，并对它的性质仔细加以研究的是卡文迪许。
1766年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究报告《人造空气实验》，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气”（即氢气），并用普利斯特里发明的排水集气法把它收集起来，进行研究。他发现一定量的某种金属分别与足量的各种酸作用，所产生的这种气体的量是固定的，与酸的种类、浓度都无关。他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸；又发现氢气与氧气化合生成水，从而认识到这种气体和其它已知的各种气体都不同。但是，由于他是燃素说的虔诚信徒，按照他的理解：这种气体燃烧起来这么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃烧后成为硫酸，那么硫酸中是没有燃素的；而按照燃素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解出来的，而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时，“它们所含的燃素便释放出来，形成了这种可燃空气”。他甚至曾一度设想氢气就是燃素，这种推测很快就得以当时的一些杰出化学家舍勒、基尔万（Kirwan，R.1735-1812）等的赞同。由于把氢气充到气球中，气球便会徐徐上升，这种现象当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素具有负重量的根据。但卡文迪许究竟是一位非凡的科学家，后来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题，通过精确研究，证明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。他是这样做实验的：先把金属和装有酸的烧瓶称重，然后将金属投入酸中，用排水集气法收集氢气并测体积，再称量反应后烧瓶及内装物的总量。这样他确定了氢气的比重只是空气的9%.但这些化学家仍不肯轻易放弃旧说，鉴于氢气燃烧后会产生水，于是他们改说氢气是燃素和水的化合物。
水的合成否定了水是元素的错误观念，在古希腊：恩培多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、土四种元素，它们组成万物。从那时起直到18世纪70年代，人们一直认为水是一种元素。1781年，普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中，用电火花引爆，发现瓶的内壁有露珠出现。同年卡文迪许也用不同比例的氢气与空气的混合物反复进行这项实验，确认这种露滴是纯净的水，表明氢是水的一种成分。这时氧气也已发现，卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验，不仅证明氢和氧化合成水，而且确认大约2份体积的氢与1份体积的氧恰好化合成水（发表于1784年）。这些实验结果本已毫无异议地证明了水是氢和氧的化合物，而不是一种元素，但卡文迪许却和普利斯特里一样，仍坚持认为水是一种元素，氧是失去燃素的水，氢则是含有过多燃素的水。他用下式表示“易燃空气”（氢）的燃烧：
（水+燃素）+ （水－燃素）→水
1782年，拉瓦锡重复了他们的实验，并用红热的枪筒分解了水蒸气，明确提出正确的结论：水不是元素而是氢和氧的化合物，纠正了两千多年来把水当做元素的错误概念。1787年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“Hydrogen”（氢），意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。

物理性质

氢气是无色并且密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.089克，相同体积比空气轻得多）。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在一个标准大气压下，温度-252.87 ℃时，氢气可转变成无色的液体；-259.1 ℃时，变成雪状固体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时（如点燃、加热、使用催化剂等），情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性（特别是被钯吸附）。金属钯对氢气的吸附作用最强。当空气中的体积分数为4%-75%时，遇到火源，可引起爆炸。
氢气是无色无味的气体，标准状况下密度是0.089克/升(最轻的气体)，难溶于水。在-252 ℃,变成无色液体,-259 ℃时变为雪花状固体。
汽化热：305 kJ/kg（△H ，-249.5℃）
气体密度：0.089 kg/m3（1 atm，0℃）
比容：11.12 m3/kg（1 atm，21.2℃）
导热系数：
0.1289 W/(m·K)（气体，1 atm，0 ℃）、1264 W/(m·K)（液体，-252.8 ℃）
比热容：
Cp=14.30 kJ/(kg·K)，
Cv=10.21 kJ/(kg·K)（1 atm，25℃，气体）
蒸气压力：
10.67 kPa（正常态，17.703）
53.33 kPa（正常态，21.621）
119.99 kPa（正常态，24.249 K）
粘度：
0.010 mPa·S（气体，正常态）
0.040 mPa·s（液体，平衡态，-252.8 ℃）
重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体，是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%～0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同。但质量大些，反应速度小一些。

化学性质
氢气常温下性质稳定，在点燃或加热的条件下能多跟许多物质发生化学反应。
①可燃性（可在氧气中或氯气中燃烧）
(点燃不纯的氢气要发生爆炸,点燃氢气前必须验纯，相似的，氘（重氢）在氧气中点燃可以生成重水（D2O）)
（化合反应）在此反应中，燃烧火焰为苍白色，在光照条件下爆炸。
H2+F2=2HF（氢气与氟气混合，即使在阴暗的条件下，也会立刻爆炸，生成氟化氢气体）
②还原性（例如使某些金属氧化物还原）
H2+CuO

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Cu+H2O（置换反应）
（置换反应）
3H2+WO3

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W+3H2O（置换反应）
氢气还可以和双键或三键发生加成反应。

共价化合物
虽然氢气在通常状态下不是非常活泼，但氢元素与绝大多数元素能组成化合物。碳氢化合物已知有数以百万种，但它们无法由氢气和碳直接化合得到。氢气与电负性较强的元素（如卤素）反应，在这些化合物中氢的氧化态为+1。氢与氟、氧、氮成键时，可生成一种较强的非共价的键，称为氢键。氢键对许多生物分子具有重要意义。氢也与电负性较低的元素（如活泼金属）生成化合物，这时氢的氧化态通常为 -1，这样的化合物称为氢化物。
氢与碳形成的化合物，由于其与生物的关系，通常被称为有机物，研究有机物的学科称为有机化学，而研究有机物在生物中所起的作用的科学称为生物化学。按某些定义，“有机”只要求含有碳。但大多数含碳的化合物通常都含有氢。这些化合物的独特性质主要是由碳氢键决定的。故有时有机物的定义要求物质含有碳氢键。
无机化学中，H- 可以作为桥接配体，连接配合物中的两个金属原子。这样的特性通常在13族元素中体现，尤以硼烷、铝配合物和碳硼烷中。

离子型氢化物
含有氢元素的离子化合物称离子型氢化物。“氢化物”一词暗含氢显负价，且其氧化态为-1的意思。氢负离子记做H-，其存在是1916年由吉尔伯特·路易斯预言的。1920年Moers用电解氢化锂，在阳极产生氢气，从而证明了离子型氢化物的存在。

质子与质子酸
对氢原子的氧化，也即让氢原子失去其电子，即可得到H+（氢离子）。氢离子不含电子，由于氢原子通常不含中子，故氢离子通常只含1个质子。这也就是为什么常将H+直接称为质子的原因。H+是酸碱理论的重要离子。
裸露的质子H+不能直接在溶液或离子晶体中存在，这是由氢离子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。除非在等离子态物质中，氢离子不会脱离分子或原子的电子云。但是，“质子”或“氢离子”这个概念有时也指带有一个质子的其他粒子，通常也记做“H+”。
为了避免认为溶液中存在孤立的氢离子，一般在水溶液中将水和氢离子构成的离子称为水合氢离子（H3O+）。但这也只是一种理想化的情形。氢离子在水溶液中事实上以类似于H9O4+的形式存在。
尽管在地球上少见，H3+离子（质子化分子氢）却是宇宙中最常见的离子之一。

可燃性
氢气是一种极易燃的气体，燃点只有574℃，在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。氢气燃烧的焓变为−286 kJ/mol：
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
氢气占4.1%至74.8%的浓度时与空气混合，或占18.3%至59%易引爆。氢气的着火点为500 °C。纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线。
因为氢气比空气轻，所以氢气的火焰倾向于快速上升，故其造成的危害小于碳氢化合物燃烧的危害。氢气与所有的氧化性元素单质反应。氢气在常温下可和氯气（需要光照）反应，氢气和氟气在冷暗处混合就可爆炸，生成具有潜在危险性的酸氯化氢或氟化氢。
在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气，观察火焰的颜色。然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯，过一会儿，我们可以看到，纯净的氢气在空气里安静地燃烧，产生淡蓝色的火焰（氢气在玻璃导管口燃烧时，火焰常略带黄色）。用烧杯罩在火焰的上方时，烧杯壁上有水珠生成，接触烧杯的手能感到发烫。
氢气在空气里燃烧，实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应，生成了水并放出大量的热。
反过来，氢气可以用电解水的方式制备。这个反应的化学方程式是：
H2O=H++OH-
H++e-=H
2H=H2
OH--e-=OH
2OH=H2O2
2H2O2=2H2O+O2

取一个一端开口，另一端钻有小孔的纸筒（或塑料筒等），用纸团堵住小孔，用向下排空气法收集氢气，使纸筒内充满氢气。把氢气发生装置移开，拿掉堵小孔的纸团，用燃着的木条在小孔处点火，注意有什么现象发生。（做这个实验时，人要离得远些，注意安全。）
我们可以看到，刚点燃时，氢气在小孔处安静地燃烧，过一小会儿，突然听到“砰”的一声响，爆炸的气浪把纸筒顶部高高炸起。
实验测定，空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4%～75.6%，点燃时就会发生爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。实际上，任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合，遇火时都有可能发生爆炸。因此，当可燃性气体（如氢气、液化石油气、煤气等）发生泄漏时，应杜绝一切火源、火星，禁止产生电火花，以防发生爆炸。
正是由于这个原因，我们在使用氢气时，要特别注意安全。点燃氢气前，一定要检验氢气的纯度。
用排水法收集一试管氢气，管口朝下，用拇指堵住，试管口移近火焰，移开拇指点火，如果听到尖锐的爆鸣声，就表明氢气不纯，需要再收集，再检验，直到响声很小，只有“扑”的一声或几乎无声才表明氢气已较为纯净，可以安全进行实验。如果用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而需要再检验时，应该用拇指堵住试管口一会儿，然后再收集氢气检验纯度，否则会发生爆炸的危险。因为刚检验过纯度的试管内，氢气火焰可能还没有熄灭，如果立刻就用这个试管去收集氢气，氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气，使氢气发生器发生爆炸。用拇指堵住试管口一会儿，就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。
另外氢气在氧气过量和低温有催化剂的条件下点燃可生成过氧化氢（H2O2）（过氧化物中氧元素的化合价为-1）

同素异形体

氢3：H3分子是由H2结合一个氢原子（H）而形成,和臭氧O3一样，由O2和一个氧原子结合构成，可写为(O2·O)，H3分子亦可写为(H2·H)，有三中心三电子键，它非常不稳定，存在时间为微秒级，很快转化为氢气，其分子构型为V型，是一种由三个氢原子构成的不稳定分子。这种中性的分子可以在低压放电管中制备，这种分子只能以激发态存在，激发态的寿命为700纳秒，如果分子失去能量并回到低能级，它将迅速自动分解能量最低的介稳态，能量为-3.777 eV，比H3+和e-状态低，但是只能存在大约1皮秒，最稳定的状态可能是三氢阳离子获得一个离域电子。
金属态氢：2016年1月英国科学家在爱丁堡大学成功制出金属态氢。

主要用途

应用领域

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著的影响。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，显著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。 [1]

工业用途
1.氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时，氢也是一种理想的二次能源（二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源）。在一般情况下，氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中，在氮气保护气中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性，航天工业使用液氢作为燃料。
2.用作合成氨、合成甲醇、合成盐酸的原料，冶金用还原剂，石油炼制中加氢脱硫剂等

医学用途
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2 kPa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著地减少。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，至2014年已经有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著，有4篇文章涉及到恶性肿瘤。 [1]
氢气治疗疾病的病理生理学机制
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。 [1] [3]
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。 [1]
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。 [1]
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著下降。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。 [1]
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著的保护作用。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著的抑制作用，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同（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，而且可以显著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，2012年韩国学者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，发现该氢气水可显著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。 [1] [3]
氢气的临床研究进展
到2013年四月为至，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。 [1] [3]

燃料应用
氢气可以用作燃料,具有下列特点:
优点
一、资源丰富。以水为原料，电解便可获得。水资源在地球上相对主要燃料石油，煤也较丰富。
二、热值高。氢燃烧的热值高居各种燃料之冠，据测定，每千克氢燃烧放出的热量为1.4×108 J，为石油热值的3倍多。因此，它贮存体积小，携带量大，行程远。
三、氢为燃料最洁净。氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染。相反，以汽油，柴油为燃料的车辆，排放大量氮氧化物、四乙基铅[Pb(C2H5)4]，会导致酸雨，酸雾和严重的铅中毒。更重要的是，废气中还含有3,4-苯并芘的强致癌物质，污染大气，危害健康。现世界各国对以氢为新型能源的研究颇为重视。日本于1984年5月24日在富士高速公路以每小时200千米速度首次试车（以氢为燃料）成功。
缺点
氢气要安全储藏和运输并不容易，它重量轻、难捉摸、扩散速度快，需低温液化，会导致阀门堵塞并形成不必要的压力

行业应用
核研究、氘核加速器的轰击粒子、示踪剂，可以做气相色谱氢焰化验原料、密度小充探空气球、新型的高能燃料(驱动火箭)、冶炼金属钨、钼等，还有石油精炼、浮法玻璃、电子、食品、饮水、化工生产、航天、汽车业等行业

制备技术

制取方法
实验室制取
①反应原理：利用金属活动性比氢强的金属单质与酸反应，置换出氢元素。
用锌与稀硫酸反应：

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注意：
1、这里最好不用盐酸，是因为该反应放热，盐酸会挥发出氯化氢气体，使制得的气体含有氯化氢杂质。Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑
2、钾、钙、钠等金属与稀酸反应时，会优先置换出水中的氢并生成相应的碱，且反应过于剧烈
3、选取的金属应与酸反应速率适中，产生气泡均匀
4、不能使用硝酸或浓硫酸，因为这两种酸具有强氧化性，反应将会生成NO2或SO2

用铝和氢氧化钠溶液反应制取：
2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑
注：市场上零压氢气机就是根据铝和氢氧化钠反应制氢充球。因为是开放性，是一边放料一边充球，所以机内是无气压的，安全系数较高。
电解水实验
电解就是将两根金属或碳棒(即电极)放在要分解的物质(电解质)中，然后接上电源，使电流通过液体。化合物的阳离子移到带负电的电极(阴极)，阴离子移到带正电的电极(阳极)，化合物分为二极。
H2O=H++OH-
H++e-=H
2H=H2
OH--e-=OH
2OH=H2O2
2H2O2=2H2O+O2
总的化学方程式是：

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1.排水集气法（用于收集难溶于水的气体）
优点：可以收集到较纯净的气体。缺点：收集到的气体较湿润
2.向下排空气法（用于收集密度比空气小，不与空气中成分反应的气体）
优点：过程简洁。缺点：收集到的气体不纯

工业制作法
①水煤气法（主要成分CO和H2)

②电解水的方法制氢气

③电解饱和食盐水

原始制作法
原始氢气是宇宙大爆炸由原始粒子形成的氢气，大部分分布在宇宙空间内和大的星球中，是恒星的核燃料，是组成宇宙中各种元素及物质的初始物质。地球上没有原始氢气因为地球的引力束缚不了它。只有它的化合物。
人造氢气生产方法
可分为以下几种
1、工业氢气生产方法：
（1）由煤和水生产氢气（生产设备煤气发生设备，变压吸附设备）
将水蒸气通过炽热的炭层：

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（水煤气），再低温分离
（2）由裂化石油气生产（生产设备裂化设备，变压吸附设备，脱碳设备）

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（3）电解水生产（生产设备电解槽设备）
（4）工业废气。
2、民用氢气生产方法：
（1）氨分解（生产设备汽化炉，分解炉，变压吸附设备）
（2）由活泼金属与酸（生产设备不锈钢或玻璃容器设备）
（3）强碱与铝或硅（生产设备充氢气球机设备）一般生产氢气球都用此方法。

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（4）甲醇裂解（生产设备导热油炉，甲醇汽化裂解设备，变压吸附装置）一般用氢气量较大化工厂均用此方法。

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3、试验室氢气生产方法：
硫酸与锌粒（生产设备：启普发生器）
4、其他
（1）由重水电解。
（2）由液氢低温精镏。
工业制法
一、电解水制氢多采用铁为阴极面，镍为阳极面的串联电解槽（外形似压滤机）来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。阳极出氧气，阴极出氢气。该方法成本较高，但产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气。这种纯度的氢气常供：①电子、仪器、仪表工业中用的还原剂、保护气和对坡莫合金的热处理等，②粉末冶金工业中制钨、钼、硬质合金等用的还原剂，③制取多晶硅、锗等半导体原材料，④油脂氢化，⑤双氢内冷发电机中的冷却气等。像北京电子管厂和科学院气体厂就用水电解法制氢。利用电解饱和食盐水产生氢气
如

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二、水煤气法制氢气用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气（C+H2O=CO+H2）。净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的CO转化成CO2（CO+H2O→CO2+H2）可得含氢量在80%以上的气体，再压入水中以溶去CO2，再通过含氨蚁酸亚铜（或含氨乙酸亚铜）溶液中除去残存的CO而得较纯氢气，这种方法制氢成本较低产量很大，设备较多，在合成氨厂多用此法。有的还把CO与H2合成甲醇，还有少数地方用80%氢的不太纯的气体供人造液体燃料用。像北京化工实验厂和许多地方的小氮肥厂多用此法。
三、由石油热裂的合成气和天然气制氢石油热裂副产的氢气产量很大，常用于汽油加氢，石油化工和化肥厂所需的氢气，这种制氢方法在世界上很多国家都采用，在中国的石油化工基地如在庆化肥厂，渤海油田的石油化工基地等都用这方法制氢气也在有些地方采用（如美国的Bay、way和Batan Rougo加氢工厂等）。
四、焦炉煤气冷冻制氢把经初步提净的焦炉气冷冻加压，使其他气体液化而剩下氢气。此法在少数地方采用（如苏联的Ke Mepobo工厂）。
五、电解食盐水的副产氢在氯碱工业中副产多量较纯氢气，除供合成盐酸外还有剩余，也可经提纯生产普氢或纯氢。像化工二厂用的氢气就是电解盐水的副产。
利用电解饱和食盐水产生氢气：如

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六、酿造工业副产
用玉米发酵丙同、丁醇时，发酵罐的废气中有1/3以上的氢气，经多次提纯后可生产普氢（97%以上），把普氢通过用液氮冷却到—100℃以下的硅胶列管中则进一步除去杂质（如少量N2）可制取纯氢（99.99%以上），像北京酿酒厂就生产这种副产氢，用来烧制石英制品和供外单位用。
七、铁与水蒸气反应制氢

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但品质较差，此系较陈旧的方法现已基本淘汰
八、金属镁和水的反应制氢

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通过某些矿物质的参与，镁会在冷水中缓慢均衡地反应，并生成丰富的氢气。
九、其他
工业上用水和红热的碳反应

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制取氢气的新方法
1.用氧化亚铜作催化剂并用紫外线照射从水中制取氢气。
2.用新型的钼的化合物做催化剂从水中制取氢气。
3.用光催化剂反应和超声波照射把水完全分解的方法。
4.陶瓷跟水反应制取氢气。
5.生物质快速裂解油制取氢气。
6.从微生物中提取的酶制氢气。 [4]
7.用细菌制取氢气。 [4]
8.用绿藻生产氢气。
9.有机废水发酵法生物制氢气。 [4]
10.利用太阳能从生物质和水中制取氢气。
利用太阳能从生物质和水中制取氢气是最佳的制取氢气的方法。理由是太阳能能量巨大、取之不尽、用之不竭、而且清洁、无污染、不需要开采、运输。怎样制取氢气的成本就**降低。
11.用二氧化钛作催化剂，在激光的照射下，让水分解成氢气和氧气。
12.硼和水蒸气在高温下反应制取氢气

新型制氢
氢作为一种清洁能源已被广泛重视，并普遍作为燃料电池的动力源，然而制取氢的传统方法成本高，技术复杂。美国研究人员日前开发出一种利用木屑或农业废弃物的纤维素制取氢的技术，有望解决氢制取费用高的难题。
来自美国弗吉尼亚理工大学、橡树岭国家实验室等机构的研究人员发表报告说，他们把14种酶、1种辅酶、纤维素原料和加热到32摄氏度左右的水混合，制造出纯度足以驱动燃料电池的氢气。
研究人员说，他们的“一锅烩”过程有不少进步，比如采用与众不同的酶混合物，还提高了氢气的生成速度。此外，除了把纤维素中分解出的糖转化为化学能量外，这一过程还可产出高质量的氢。
研究人员说，他们主要使用从木屑中分解的纤维素原料制取氢，不过也可以使用稻草、废弃的庄稼秆等。木屑或农业废弃物资源非常丰富，利用它们制取氢，不仅可降低制造成本，而且将**扩大生产氢的原料资源。 [5]
2018年2月，中国实现氢气的低温制备和存储，荣获科技部2017年度中国科学十大进展。 [2]

其他制氢反应
氢化钠与水反应：

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氰化钠溶液与铜反应：

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硼氢化钠与水反应：

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铝和氢氧化钠溶液反应：

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此外，还包括一些金属（活动性比氢强）和酸的反应同样会生成氢气。

安全防护

安全性
氢气无毒，有窒息性。
氢气有易燃易爆性，容易发生爆炸，所以纯氢有一定危险性。
若燃烧时有尖锐的爆鸣声，则说明氢气不纯；极易发生爆炸，所以对此须引起足够的重视。
如果发生氢气泄露，处理办法是：迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。如有可能，将漏出气用排风机送至空旷地方或装设适当喷头烧掉。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。灭火方法：切断气源。若不能立即切断气源，则不允许熄灭正在燃烧的气体。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂：雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。
产品原料
上游原料：甲醇、氯化钠、煤、氢氧化钾、烧碱、盐酸、重油
下游产品：氢溴酸、盐酸、盐酸（食用）、盐酸（精制）、氯磺酸、工业氨水、硼氢化钠、硼氢化钾、氢化钠、油浸氢化钠、过氧化氢、多晶硅、钼、压缩氢气、液氩

包装运输
1.包装方式：氢气拖车/瓶组/钢瓶
2.运输方式：氢的贮运有四种方式可供选择，即气态贮运、液态贮运、金属氢化物贮运和微球贮运。现实际应用的只有前三种，微球贮运方式尚在研究中。

注意事项
氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟气、氯气、氧气、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，其中，氢气与氟气的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸，与氯气的混合体积比为1:1时，在光照下也可爆炸。氢气由于无色无味，燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现，在许多情况下向氢气中加入有臭味的乙硫醇，以便使嗅觉察觉，并可同时赋予火焰以颜色。
氢气虽无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢气含量增高，将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样，直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧，并有可能和空气一起形成baozha*物，引发燃烧爆炸事故。与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸。气体比空气轻，在室内使用和储存时，漏气上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。氢气与氟、氯、溴等卤素会剧烈反应。
氢气因为是易燃压缩气体，故应储存于阴凉、通风的仓间内。仓内温度不宜超过30℃。远离火种、热源。防止阳光直射。应与氧气、压缩空气、卤素（氟气、氯气、溴）、氧化剂等分开存放。切忌混储混运。储存间内的照明、通风等设施应采用防爆型，开关设在仓外，配备相应品种和数量的消防器材。禁止使用易产生火花的机械设备工具。验收时要注意品名，注意验瓶日期，先进仓的先发用。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。

待增加

补充内容

检测方法

中华人民共和国国家标准 GB 7445-87
本标准适用于氢气的检验，规定了氢气含量及氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水分等杂质含量的测定方法。
1 氢含量的测定
氢气的体积百分含量(c)用差减法计算求得，按式(1)计算：
式中：
c1--氧气的体积含量，ppm；
c2--氮气的体积含量；ppm；
c3--一氧化碳的体积含量，ppm；
c4--二氧化碳的体积含量，ppm；
c5--甲烷的体积含量，ppm。
2 氧和氮含量的测定
采用变温浓缩色谱技术，以热导检测器检测。首先使被测组分在液氮温度下的浓缩柱上定量吸附，然后升温定量脱附，再经色谱柱分离后检测。被测组分进入热导检测器引起桥路阻值的变化与氧、氮含量成比例，由此可定氧、氮含量。

仪器
气相色谱仪及配套的浓缩进样装置，要求仪器对氧、氮的最低检测浓度分别不高于4ppm、8ppm。色谱仪的安装和调试及浓缩操作按规定要求进行。
1、便携式氢气检测仪
便携式氢气泄漏检测仪可连续检测作业环境中氢气浓度。氢气泄漏检测仪为自然扩散方式检测气体浓度，采用电化学传感器，具有较好的灵敏度和出色的重复性；氢气检测仪采用嵌入式微控制技术，菜单操作简单，功能齐全，可靠性高，整机性能优良。检测仪外壳采用高强度工程材料、复合弹性橡胶材料精制而成，强度高、手感好。
2、泵吸式氢气检测仪
泵吸式氢气检测仪采用内置吸气泵，可快速检测工作环境中氢气浓度。泵吸式氢气检测仪采用电化学传感器，具有非常清晰的大液晶显示屏，声光报警提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危险气体并及时提示操作人员预防。
3、在线式氢气检测报警器
在线式氢气检测报警器由气体检测报警控制器和固定式氢气检测器组成，气体检测报警控制器可放置于值班室内，对各监测点进行监测控制，氢气检测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为气体传感器。氢气检测器将传感器检测到的氢气浓度转换成电信号，通过线缆传输到气体检测报警控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，气体检测报警控制器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。在线式氢气检测报警器广泛应用于石油、化工、冶金、电力、煤矿、水厂等环境，有效防止爆炸事故的发生。

测定条件
a. 检测器：热导池；
b. 桥路电流：150～200 mA;
c. 载气纯度：不低于99.999%的高纯氢，应符合GB 7445-87《氢气》要求；
d. 载气流速：40～60 ml/min
e. 浓缩时样品流速：1.0～1.5 ml/min；
f. 色谱柱：长2500px，内径3 mm，内装活化后的40～60目5分子筛，柱温为室温；
g. 浓缩柱：长750px，内径4 mm，内装活化后的40～60目5分子筛，吸附温度为-196 ℃(液氮浴)，脱附温度为室温（水浴）。

测定步骤
1.色普仪启动
按气相色谱仪使用说明书启动仪器。开启载气，充分置换色谱系统，纯化载气，调整流速至规定值，接通热导池电源，调整仪器各部位达测定条件，待仪器工作稳定。
2.测定
空白：关闭浓缩柱，套上液氮浴5min后，取下液氨浴，在室温下浴下令载气通过浓缩柱，以记录仪上无色谱峰出现为正常：再令载气通过浓缩，在小心严防空气倒吸的情况下，浓缩载气5min，测定色谱系统空白值符合要求为正常。
置换：将样品气钢瓶经采样阀及管道与仪器相连，然后3次升降压并用约20倍以上管道体积的样品气充分置换进入浓缩柱前的连接管和阀体，使所取样品具有代表性。
浓缩：令样品气以1.0～1.5L/min流速通过浓缩柱，置换2～3min后关闭浓缩柱出口，然后将浓缩柱缓慢套上液氮浴，待垫气结束后打开浓缩柱出口，样品气流经湿式流量计后放空。
样品气的浓缩体积数积数由被测组分含量和仪器灵敏度决定。
进样：浓缩完毕，关闭浓缩柱入口，取下液氨浴后在室温下浴下放掉解吸的氢，关闭浓缩柱出口，迅速转动六通阀。令载气通过浓缩柱将被测组分带入色谱柱，在湿式流量计上读到样品体积数。
测量：记录各被测组分的色谱流出曲线，分别测量各组分峰面积A1。
定标
用指数稀释法配制的标准气定标。定标方法见GB4815-84《氦气检验方法》附录C。
将标准气直接进样测定出标准气中氧和氮的色谱峰面积A2。
标准气是以99.999%的氢为底气，用空气经稀释配制而成的，定标时各组分的已知浓度应与样品气浓缩后各相尖组分浓度相近。

纯氢测定
纯氢中氮的测定，无需进行浓缩操作，其他步骤同上。采用1～5mL定体积量管接进样即可计算方法式（2）中的V1和V2分别代表样品气和标准气的进样体积，氧的测定按GB 6285-86《气体中微量氧的测定电化学法》进行。
结果处理
以两次平行测定的算术平均值为测定结果，平行测定的相对偏差：超纯氢、高纯氢、纯氢分别不大于50%、20%、10%。
氢中被测组分的含量按式（2）计算：
式中：c1--样品气中被测组分的含量，ppm；
c2--标准气中被测组分的含量，ppm；
A1--样品气中被测组分的峰面积，mm2；
A2--标准气中被测组分的峰面积，mm2；
V1--样品气浓缩体积，mL；
V2--标准气进样体积，mL。

待增加

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参考资料
1.  孙学军．氢分子生物学：第二军医大学出版社，2013年4月第1版
2.  2017年度中国科学十大进展  ．腾讯[引用日期2018-02-28]
3.  氢气生物学及其医学应用  ．中国知网．2012-9[引用日期2018-11-02]
4.  微生物电解池在氢气制备中的应用  ．中国知网．2017[引用日期2018-11-02]
5.  氢气能源获取新方法  ．学科[引用日期2014-08-07]

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