氢

氫和氧在太空穿梭機主引擎中燃燒，在最大推力下產生近乎無色的火焰

氫氣是一種高度易燃的物質，只要在空氣中體積比例在4%和75%之間就可燃燒[15]。氫的燃燒熱為−286kJ/mol：[16]

${\displaystyle {\ce {2H2 + O2 -> 2H2O + 572}}}$kJ (286 kJ/mol)[註 2]

氫氣與空氣混合濃度處於4%至74%時，或與氯氣混合濃度處於5%至95%時，會形成爆炸性混合物，可經火花、高溫或陽光點燃。氫氣在空氣中的自燃溫度為500 °C[17]。純氫氧混合氣在燃燒時發出紫外光，且在氧氣比例較高時，火焰是無色的──例如，太空穿梭機主引擎的火焰呈淡蓝色，但穿梭機固體助推器的火焰則顏色鮮豔。正在燃燒的氫氣洩漏點需要火焰探測器才能發現，所以非常危險。在其他情況下，氫氣的燃燒火焰呈藍色，與天然氣的火焰顏色相似。[18]

H₂可以和所有氧化性元素發生反應。氫氣可以在室溫下與氯氣和氟氣自發產生劇烈反應，分別形成氯化氫和氟化氫兩種酸。[19]

氫原子模型（圖示不按比例）

氫原子的電子基態能級為−13.6eV，[20]對應於波長約為91納米的紫外線光子。[21]

用玻爾原子模型可以很準確地計算出氫原子的各個能級，該模型假設電子圍繞著中心質子「公轉」，就像地球繞太陽公轉一樣。不同的是，電子和質子通過電磁力互相吸引，行星和恒星則通過重力相吸。早期量子力學假定角動量分立原理，電子和質子的距離只能取特殊的數值，因此電子在原子中也只能擁有特殊的能量值。[22]

要更準確地描述氫原子，須用到純量子力學理論中的薛定諤方程式、狄拉克方程式，甚至是費曼路徑積分表述，來計算電子在質子周圍的機率密度。[23]最複雜的計算可考慮到狹義相對論和真空極化效應。在量子力學的氫原子模型中，位於基態的電子不含任何角動量，可見「行星軌道」模型與事實情況有著根本性的分別。

在貝法粒子加速器的液氫氣泡室觀測到的粒子軌跡

• 气态氢
• 液态氢
• 三相点上的氢
• 固态氢
• 金属氢

雖然${\displaystyle {\ce {H2}}}$在標準條件下的反應性不高，但它卻可以和大部份元素形成化合物。氫可以和電負性更高元素結合，如鹵素（氟、氯、溴、碘）和氧，這些化合物中的氫帶有部份正電荷。[24]氫與氟、氧和氮結合而成的分子之間可以形成氫鍵。這種中等強度的非共價化學鍵，正是許多生物分子能夠穩定存在的原因。[25][26]氫也可以和電負性更低的元素結合，如各種金屬和類金屬，這些化合物稱為氫化物，其中氫帶有部份負電荷。[27]

氫和碳可形成名目繁多的化合物，稱為碳氫化合物，又稱烴；再加上各種雜原子，所能形成的化合物數量則更大。由於這些物質和生物息息相關，所以統稱有機化合物。[28]有機化學是對此類化學物屬性的研究，[29]而對有機化合物在生物體中的作用之研究，則稱為生物化學。[30]根據某些定義，有機化合物囊括所有含有碳的化合物。然而，大部份有機化合物同時也含有氫，而且是其中的碳-氫鍵賦予了它們獨特的化學性質，因此在另一些定義中，有機化合物必須含有碳-氫鍵。[28]現在已知的碳氫化合物以數百萬計，它們的合成途徑一般都十分複雜，而且很少會直接使用單質氫。

含氫的化合物有時會稱為氫化物，但這一用詞並沒有嚴格的定義。氫化物一般是氫和電負性更低的元素結合而成，當中的氫呈負價，記作${\displaystyle {\ce {H-}}}$。吉爾伯特·路易斯在1916年提出，1族和2族的氫鹽中存在氫陰離子。1920年，K. Moers通過電解氫化鋰（${\displaystyle {\ce {LiH}}}$），在陽極提取出氫氣，證明氫陰離子的存在。[31]由於氫的電負性較低，所以「氫化物」一詞對於1、2族以外元素的氫化物並不完全準確。2族元素氫化物中有一個例外，即高聚物氫化鈹（${\displaystyle {\ce {BeH2}}}$）。在氫化鋁鋰的${\displaystyle {\ce {AlH4-}}}$離子中，四個氫陰離子緊靠著鋁(III)。

幾乎所有主族元素都可以形成氫化物，不過化種類數量卻有著巨大的差異。例如，已知的硼氫二元化合物共100多種，但鋁氫二元化合物卻只有一種。[32]二元氫化銦還未被發現，但它存在於更大的銦氫配合物中。[33]

在無機化學中，氫化物還可用作橋接配體，連接配合物中的兩個金屬中心。這一用途在13族元素配合物中最為常見，特別是硼烷、鋁配合物和碳硼烷簇。[34]

氫在氧化後會失去它的電子，形成氫陽離子（${\displaystyle {\ce {H+}}}$）。氫陽離子不含電子，其原子核通常只含一個質子，所以${\displaystyle {\ce {H+}}}$經常被直接稱為質子。氫陽離子是酸鹼理論中不可或缺的化學物質。酸鹼質子理論把酸、鹼分別定義為質子供體和質子受體。

質子${\displaystyle {\ce {H+}}}$不能在溶液或離子晶體中裸露存在，因為它不可避免地會靠近其他含有電子的原子或分子。除非在高溫等離子狀態，原子和分子的電子雲會一直附在質子的周圍，質子是無法脫離開來的。然而，人們常以「質子」來不嚴謹地表示與其他原子或離子鍵合的氫陽離子和帶正電荷的氫原子，並記作H+
。此時寫「${\displaystyle {\ce {H+}}}$」，並不意味著質子自由存在。

為了避免認為溶液中存在裸露的質子，人們有時會把酸性水溶液中的陽離子記作${\displaystyle {\ce {H3O+}}}$，稱為水合氫離子。這其實是一種假想的情況，現實中水分子和氫離子會結合組成更接近${\displaystyle {\ce {H9O4+}}}$的化學物質。[35]當酸溶液同時含有水和其他溶劑時，會形成其他的𨦡鹽。[36]

儘管在地球上十分罕見，但${\displaystyle {\ce {H3+}}}$離子（三氫陽離子，又稱質子化分子氫）卻是宇宙中最常見的離子之一。[37]

氕放電管

氘放電管

氕是最常見的氫同位素，含一個質子和一個電子。它是所有元素中唯一不含中子的穩定同位素

氫有三種天然同位素，分別為氕、氘、氚，記作${\displaystyle {\ce {^1H}}}$、${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$。其他不穩定同位素原子核（${\displaystyle {\ce {^4H}}}$至${\displaystyle {\ce {^7H}}}$）可在實驗室中合成，但不存在於自然界中。[38][39]

• 氕（${\displaystyle {\ce {^1H}}}$）是最常見的氫同位素，豐度高於99.98%。氕原子不含中子，只含一個質子和一個電子。[40]
• 氘（${\displaystyle {\ce {^2H}}}$，符號為${\displaystyle {\ce {D}}}$）是氫的另一種穩定同位素，其原子核含有一個質子和一個中子。宇宙中幾乎所有的氘皆是在大爆炸中形成的，殘留至今。氘無放射性，亦無毒性。含氘的水分子稱為重水。氘以及含氘的化合物可以在化學實驗及氕核磁共振波譜法溶劑中，作為非放射性標識。[41]在核反應爐中，重水是一種中子減速劑和冷卻劑。氘也有潛力成為商業核聚變反應的燃料。[42]
• 氚（${\displaystyle {\ce {^3H}}}$，符號為${\displaystyle {\ce {T}}}$) 的原子核含有一個質子和兩個中子。氚具有放射性，會β衰變成氦-3，半衰期為12.32年。[34]它的放射性可用於發光顏料，例如夜光鐘錶等（錶面玻璃可阻擋其輻射）。[43]因為宇宙射線和大氣氣體的相互作用會造成核嬗變，再加上多次核武器試驗的輻射性微塵，所以自然界中存在少量的氚。[44]氚的應用包括：核聚變反應、[45]同位素地球化學示蹤劑[46]以及自發光照明器材，[47]並可在化學和生物學實驗中用作放射性標識。[48]

氫是唯一一個同位素各自擁有不同名稱的元素。在放射性研究的早期，其他更重的同位素都有自己的名稱，但至今仍在廣泛使用的就只剩下氘和氚。${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$有時會記作${\displaystyle {\ce {D}}}$和${\displaystyle {\ce {T}}}$，但本來對應於氕（Protium）的符號${\displaystyle {\ce {P}}}$，已經是磷的元素符號，所以不再通用。[49]根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的命名指引，${\displaystyle {\ce {D}}}$、${\displaystyle {\ce {T}}}$、${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$均可使用，其${\displaystyle {\ce {^2H}}}$和${\displaystyle {\ce {^3H}}}$較為適宜。[50]

1671年，羅拔·波義耳發現鐵屑和稀釋酸之間會發生反應，並產生氣體——也就是氫氣。[51][52]1766年，亨利·卡文迪什同樣利用金屬和酸之間的反應，首次發現氫氣是一種獨立的物質，並將其命名為「易燃氣」。他猜想，「易燃氣」就是當時假想的燃素。[53][54]1781年，他又發現該氣體在燃燒後會生成水。故此，卡文迪什一般被後世尊為氫元素的發現者。[2][3]1783年，安東萬-羅倫·德·拉瓦節和皮耶爾-西蒙·拉普拉斯重複並證實了卡文迪什的實驗。拉瓦節為這一元素命名為「Hydrogen」，詞源為希臘文中的「水」（ὑδρο）和「創造者」（-γενής）。[4][3]

安東萬-羅倫·德·拉瓦節

在拉瓦節的實驗中，蒸汽在一支用火燒熱的鐵管內流通，高溫下水分子中的質子會對鐵金屬進行無氧性氧化反應，產生氫氣。此反應的方程式如下：

${\displaystyle {\ce {Fe + H2O -> FeO + H2}}}$

${\displaystyle {\ce {2Fe + 3H2O -> Fe2O3 + 3H2}}}$

${\displaystyle {\ce {3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2}}}$

不少金屬都可以代替鐵，進行以上的化學反應而產生氫氣，例如鋯。

1898年，詹姆斯·杜瓦用再生冷卻法及他所發明的真空保溫瓶，首次製成液氫。[3]翌年，他又製成固體氫。[3]哈羅德·尤里於1931年12月發現氘，而歐内斯特·盧瑟福、马克·奥利芬特和保羅·哈特克則在1934年首次製備出氚。[2]尤里的研究小組在1932年發現重水，即含有氘的水。[3]1806年，弗朗斯瓦·伊薩克·德·利瓦製造了第一部以氫氧混合物作為燃料的內燃機──德利瓦引擎。愛德華·丹尼爾·克拉克在1819年發明了氫氣吹管。德貝萊納燈和聚光燈則在1823年被發明。[3]

1783年，雅克·沙爾發明了首個氫氣球。[3]1852年，亨利·吉法爾發明了首個以氫氣提供升力的載人飛艇。[3]德國的斐迪南·馮·齊柏林伯爵大力推廣了這一運輸工具，他所設計的飛船稱作齊柏林飛船，於1900年首飛。[3]飛船的常規航班從1910年開始，到了1914年8月第一次世界大戰之始已搭載3萬5千多人，並無重大事故。氫氣飛船在戰時被用於觀測及轟炸。

1919年，R34飛船首次不停站橫跨大西洋。常規客運航班在1920年代陸續恢復。雖然當時在美國發現了氦氣儲備，但美國政府不願售賣氦氣作運輸之用。因此興登堡號飛船所使用的仍然是氫氣，飛船於1937年5月6日準備降落於新澤西州時，在半空中起火焚燒並墜毀。[3]整個事故經电视直播，且全程被拍攝下來。人們最早認為是洩漏的氫氣爆炸造成了這場事故，但之後的調查卻指出，是飛船鍍鋁的表面布料被靜電點燃引致起火。

1937年，第一部氫冷汽輪發電機在俄亥俄州代頓投入使用，這種發電機以氫氣作為轉子和定子的冷卻劑。[55]由於氫氣的導熱性極佳，所以至今仍是最常用的發電機冷卻劑。

1977年，美國海軍的導航科技2號衛星（NTS-2）搭載了首個鎳氫電池。[56]國際太空站、[57]2001火星奧德賽號[58]及火星全球探勘者號[59]都配備了鎳氫電池。處於地球陰影部份的時候，哈勃太空望遠鏡也是由鎳氫電池供電的。[60]這個電池在運作19年後（超過設計年期13年），終於在2009年5月被更換下來。[61]

氫在可見光範圍內的發射光譜共有巴耳末系的四條譜線

氫是原子結構最為簡單的元素，只含一個質子和一個電子。在原子結構模型的發展過程中，氫原子和它的發射、吸收光譜都有著特殊的理論價值。[62]物理學家在1925年前後發展出氫原子的量子力學描述，此後氫分子以及${\displaystyle {\ce {H2+}}}$陽離子又因為結構簡單，而成為科學家在研究化學鍵本質時所用的重要對象。

反氫（${\displaystyle {\overline {\mathrm {H} }}}$）是對應於氫的反物質，含一個反質子和一個正子。截至2015年，反氫是唯一被合成過的反物質原子[63][64]。

工业上，氢气可由蒸汽转化得到，但在转化之前，需要先经过脱硫步骤：[72]

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3H2}}}$

${\displaystyle {\ce {CO + H2O <=> CO2 + H2}}}$

能分離水的熱化學循環過程共有200多種，其中可以從水和熱量直接產生氫氣和氧氣的過程包括：氧化鐵循環、氧化鈰(IV)-氧化鈰(III)循環、鋅-氧化鋅循環、硫碘循環、銅氯循環、混合硫循環等等，都有待進一步研究。[73]多個國家都有實驗室著力研究可以從太陽能和水生成氫氣的熱化學方法。[74]

在無氧條件下，鐵和合成鋼會被水分子中的質子緩慢氧化，而水則會還原成分子氫。在鐵的無氧腐蝕過程中，首先形成的是氫氧化亞鐵（${\displaystyle {\ce {Fe(OH)2}}}$，又稱綠銹）：

${\displaystyle {\ce {Fe + 2H2O -> Fe(OH)2 + H2}}}$

水分子中的質子再對氫氧化亞鐵進行無氧性氧化反應，產生磁鐵礦（${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$）和分子氫，是為西科爾反應：

${\displaystyle {\ce {3Fe(OH)2 -> Fe3O4 + 2H2O + H2}}}$

磁鐵礦晶體的熱力學穩定性比氫氧化亞鐵高。

在缺氧地下水和位於地下水台以下具還原性的土壤中，鐵和鋼就是經過這一反應受無氧侵蝕的。

在地底深處缺乏大氣氧氣的環境下，鐵橄欖石晶格中的矽酸鐵會受到水分子中的質子的無氧性氧化，產生氫氣，這叫蛇紋石化作用。除了氫氣以外，反應還會產生磁鐵礦（${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$）和石英（${\displaystyle {\ce {SiO2}}}$）：

${\displaystyle {\ce {3Fe2SiO4 + 2H2O -> 2Fe3O4 + 3SiO2 +2H2}}}$

以上反應和氫氧化二鐵的無氧腐蝕過程（西科爾反應）十分相似。

在變壓器會產生的各種故障氣體中，氫氣是最常見的一種，在大部份故障情況下都會形成。所以，探測到氫氣，意味著變壓器可能出現了嚴重的問題。[75]