<p class="ql-block">1. 氢的发现</p><p class="ql-block">在十六世纪早期，瑞士化学家Theophrastus Bombast von Hohenheim发现铁浸入到硫酸溶液中，产生的气泡可以燃烧。后来，英国科学家Robert Boyle在1671年发现了同样的现象。二人到此为止，就都没有深究下去。</p> <p class="ql-block">Theophrastus Bombast von Hohenheim</p><p class="ql-block">（1493.12.17-1541.09.24）</p> <p class="ql-block">Robert Boyle</p><p class="ql-block">（1627.01.25-1691.12.31）</p><p class="ql-block">18世纪，英国化学家Joseph Priestley发明了排水集气法，把铁浸入硫酸所产生的气泡收集起来，和空气混合装在试管里，碰到朋友来访，就演示给他们看。后来，他无意间发现演示过后试管里会出现露珠。一开始他以为是试管没有擦干净，或者是因为英国的空气太潮湿。他把试管擦的很干净，也用了干燥的空气，还是发现有水滴。他只能推论，金属碰到酸液产生的可燃气体可以燃烧生成水。</p> <p class="ql-block">Joseph Priestley</p><p class="ql-block">（1733.03.13-1804.02.06）</p><p class="ql-block">1766年，Henry Cavendish收集铁与硫酸反应生成的气泡，发现这种气体密度只有空气的9%，燃烧后会生成水。据此，他认为水是一种元素。</p> <p class="ql-block">Henry Cavendish</p><p class="ql-block">（1731.10.10-1810.02.24）</p><p class="ql-block">在1774年，瑞典化学家Carl Wilhelm Scheele和英国化学家Priestley发现了氧气。</p><p class="ql-block">于是，Cavendish就有了机会用纯氧代替空气进行试验。他证明可燃气体和纯氧燃烧生成水，已经进了一步了。可惜他笃信燃素学说，错误地认为可燃气体=水+燃素，氧气=水-燃素。</p><p class="ql-block">估计那时候的辩证逻辑也不强，要不然连个化学方程式配平都这么难。</p> <p class="ql-block">Carl Wilhelm Scheele</p><p class="ql-block">（1742.12.19-1786.05.21）</p><p class="ql-block">最后，法国科学家Antoine Lavoisier打破了燃素理论，确定了可燃气体和氧一样，都是元素，而水是化合物，并将这种元素命名为hydrogen，意为生成水的元素。</p><p class="ql-block">hydro-水，gen-产生，同源的词汇如，</p><p class="ql-block">hydraulic，水力的；hydrate，水合物；hydroelectric ，水力发电的。</p><p class="ql-block">generate，产生；gender，性别；gene，基因；generous，慷慨的。</p> <p class="ql-block">Antoine Lavoisier</p><p class="ql-block">（1743.08.26-1794.05.08）</p><p class="ql-block">2. 氢同位素</p><p class="ql-block">氢在整个宇宙占比75%——宇宙最大的股东。氢原子是在大爆炸过后379,000年由等离子体中的质子和电子结合形成。由于氢原子只含有一个电子，是目前唯一能解析求解Schrdinger方程的元素。</p><p class="ql-block">氢就好像是上帝留给人类的学步车，理解氢，才能进一步理解世界。这也是现在很多模拟计算的起点。</p> <p class="ql-block">氢同位素原子</p><p class="ql-block">2.1 氕（protium）</p><p class="ql-block">氕由1个质子和1个核外电子组成，丰度为99.985%。</p><p class="ql-block">在发现氘氚之前，氕就是氢，氢就是氕。prot(o)的意思“第一的，原始的”，有点像汉语里的“元”。</p><p class="ql-block">比如protocol 草约；prototype 原型；protophyte 原生植物；protozoan 原生动物；protoplasm 原生质；protogenic (地质) 原生的。</p><p class="ql-block">虽然在排列元素周期表的时候，氢的位置尚有讨论的余地。但是，氢在宇宙出现的时间顺序和宇宙中含量的序号唯1。</p><p class="ql-block">2.2 氘（deuterium）</p><p class="ql-block">氘由1个质子、1个中子和1个核外电子组成，丰度约0.015%。</p><p class="ql-block">氘的名称deuterium源于希腊语deuteros，意为second。</p><p class="ql-block">由于第二次世界大战，相关领域学科空前发展，留下了宝贵的财富。</p><p class="ql-block">1931年，美国科学家Harold Clayton Urey在研究氢原子光谱时发现了氘，并通过在氢的三相点14K下蒸馏升量级液氢得到毫升量级的液氘，分析证实了氘的存在。</p><p class="ql-block">因为只有1个质子和1个中子，氘核是研究中子与质子相互作用的理想对象。</p> <p class="ql-block">Harold Clayton Urey</p><p class="ql-block">（1893.04.29-1981.01.05）</p><p class="ql-block">1934年诺贝尔化学奖</p><p class="ql-block">2.3 氚（tritium）</p><p class="ql-block">氚核由1个质子、2个中子，一共三个核子组成，丰度基本可以忽略不计。</p><p class="ql-block">tri就是三的意思，相关的词汇有：triangle，三角形；tripod，三脚架；triple 三倍的。</p><p class="ql-block">1934年Ernest Rutherford在剑桥大学的Cavendish实验室加速氘核轰击氘置换的氯化铵（氘靶），实际上第一次实现了人工合成氚（这是一句马后炮，因为当时不知道）。但是这位科学巨人打了个盹儿了，误认为氚是稳定的同位素，并通过自己的影响力说服了挪威的Vemork重水厂电解十几吨高纯重水。他们将产物通过最灵敏的质谱仪进行分析，结果未能获得预期的氚，以失败告终，太遗憾。</p> <p class="ql-block">Ernest Rutherford</p><p class="ql-block">（1871.08.30-1937.10.19）</p><p class="ql-block">1908年诺贝尔化学奖</p><p class="ql-block">Vemork重水厂是当时世界上唯一生产重水的工厂，是德国部署在挪威用于生产重水，1943年2月28日被Joachim Holmboe Rnneberg率领的盟军六人小组炸毁。</p> <p class="ql-block">Vemork重水厂</p><p class="ql-block">（1935年）</p> <p class="ql-block">Joachim Holmboe Rnneberg</p><p class="ql-block">（1919.08.30-2018.10.21）</p><p class="ql-block">理论上，质量大于周期表中下一同质异位素核的核是不稳定的。1938年，Tom Wilkerson Bonner实验测出3H的质量大于3He。据此，他指出氚是不稳定核素，改正了Rutherford的方向，并朝着发现氚的目标迈了一大步。</p> <p class="ql-block">Tom Wilkerson Bonner</p><p class="ql-block">（1910.10.19-1961.12.06）</p><p class="ql-block">1939年，Luis Walter Alvarez和Robert Alden Cornog实验测得氚具有放射性，最终赢得了“Tritium Finder”这一大奖杯。</p> <p class="ql-block">Luis Walter Alvarez</p><p class="ql-block">（1911.06.13-1988.09.01）</p><p class="ql-block">1968年诺贝尔物理奖</p> <p class="ql-block">Robert Alden Cornog</p><p class="ql-block">（1912.07.07-1998-07.17）</p><p class="ql-block">2. 氢能</p><p class="ql-block">氢能利用涉及制备、存储和使用等。</p><p class="ql-block">工业上主要通过天然气重整和电解水等制氢。</p><p class="ql-block">储氢手段包括压缩气兼以各种储氢材料如LaNi5、Pd、NaBH4、碳材料等。</p><p class="ql-block">氢能的应用，在转换电能方面基本仍是实验阶段。从电视里的新闻报道和车展上的汽车类型来判断，估计电动汽车之后就是燃料电池汽车的时代了。现在全国各地都在政府推进氢能源汽车的项目和设施，估计以后北方空气可以稍微湿润一些了。</p><p class="ql-block">万物生长靠太阳。某种意义上，地球上大部分活动实际上是氢能驱动的——太阳是一个氘氚聚变反应器！据推算，太阳聚变反应每秒耗氢600,000,000,000kg！这数量级对地球现有可控聚变实力来说，简直就是刘姥姥进了大观园的大观园的大观园......</p><p class="ql-block">哇，壕~</p> <p class="ql-block">太阳内部时刻进行着聚变反应</p> <p class="ql-block">氘氚聚变反应</p><p class="ql-block">当前，人们正在努力实现可控的氘氚聚变。美国的TFTR，欧盟的JET、日本的JT-60U，中国的CFETR，几国合作的ITER，都是可控聚变的研究，虽然离目标五十年的距离总是不变。</p> <p class="ql-block">ITER反应器模型</p><p class="ql-block">1945年，日本政府因为军国主义作祟死活不肯投降认输，吃了美国两颗原子弹才学乖。如果日本一直这样的话，也许美国就该在日本投氢弹了。说实话，投降还算及时，哪怕是一克TNT，也是生命难以承受的，更不用说美丽的蘑菇了。</p> <p class="ql-block">氢弹爆炸效果</p><p class="ql-block">3. 水分解</p><p class="ql-block">水制氢有很多的便利：水来源丰富、产物氧也有很高价值。有意思的是，为了打断水分子的H-O键，人们煞费苦心利用热、光、电、声等来对抗这一化学能。还真别说，都可以得到氢。当然效率和产率就没法比了。更有牛人，提出把刀磨快，伸到水里不断地砍，就能切断氢氧键，制出氢来。</p><p class="ql-block">真的活久见。</p> <p class="ql-block">水分子</p><p class="ql-block">（仿佛看到有人拿着刀劈O-H键）</p><p class="ql-block">4. 氢脆</p><p class="ql-block">因为氢太特殊，所以有了很多不寻常的现象。</p><p class="ql-block">氢脆就是这些不寻常中的一个，也是原子尺寸效应最显著的例证。氢原子尺寸小，很容易在金属原子间溶解和扩散，逐渐在晶界积累聚并形成气泡。时间久了气泡达到一定程度，就会在材料中形成应力，影响结构稳定。类似地，还有氦脆。</p><p class="ql-block">氢脆是导致氢气瓶使用寿命有限的主要原因。氢气钢瓶一般规定使用寿命为15年，15年内需要检修四次，前三次都是间隔4年，最后一次是3年，如果画图表示的话，大概可以这么表示：</p><p class="ql-block">投入使用----|----|----|---|报废回收</p><p class="ql-block">竖线|表示检修，短横线-表示一年的时间。</p><p class="ql-block">5. 氢键</p><p class="ql-block">氢键是分子中的氢原子，和与它直接相连原子之外的电负性比较强的原子间的一种弱作用。其他原子可能是O、N、F等。</p> <p class="ql-block">氢键示例</p><p class="ql-block">在水体系，蛋白质，DNA中，都存在很多氢键。氢键使某些存在变得稳定，也使质子传递变得与众不同。</p> <p class="ql-block">水中氢键网络</p> <p class="ql-block">氨基酸之间中的氢键</p> <p class="ql-block">氢键在蛋白质折叠中的作用</p> <p class="ql-block">氢键在蛋白质折叠中的作用</p> <p class="ql-block">DNA组成结构</p><p class="ql-block">6. 质子</p><p class="ql-block">氢原子失去电子剩下的就是质子。氢原子的玻尔半径为0.053nm相比，质子只有0.842fm，63倍的只是线性的尺寸差别，再算体积的话还要三次方。显然，原子有多“空虚”一下就看出来了。</p><p class="ql-block">不过话说回来，在常见的化学反应中，质子一般呈溶剂化状态，是一种依附于溶剂分子的状态，而不是这么孤零零。此外，质子在粒子物理中是一个重要的工具，通过粒子加速器获得高能后，对靶核进行轰击进行核反应研究。</p> <p class="ql-block">质子独特的传递模式</p><p class="ql-block">7. 质子与反应</p><p class="ql-block">忍不住要把PCET-proton coupled electron transfer写在这里。这个反应太重要了，在光合作用和水分解反应都涉及到。图示举个例子，公式太多干脆了，以后有机会再补充。</p> <p class="ql-block">一个PCET反应例子</p><p class="ql-block">8. 质子与酸</p><p class="ql-block">酸的定义经历了三个阶段：1）Arrhenius理论基于水溶液，以能给出氢离子的物质定义酸，以能给出氢氧根的物质为对立面定义碱；2）Brnsted-Lowry理论中以质子供体和受体为对立面定义酸和碱，到这儿酸碱理论开始变得比较统一，新理论呼之欲出；3）Lewis往前走了一步，提出以电子对的受体和给体为对立面来定义酸和碱。这种认识的变迁中，理论层次不断上升，涵盖范围也不断扩张，也越来越趋于物理本质。</p> <p class="ql-block">不同酸碱定义及范围</p><p class="ql-block">9. 氢与医学</p><p class="ql-block">现在多数人们认为，自由基具有极强的活性和氧化能力，是加速老化、形成疾病的原因。为此，出现了不计其数的保健品，如胡萝卜素、葡萄素、花青素、虾青素等。因为这些物质具有还原性，可以缓减衰老。</p><p class="ql-block">不过，强活性和氧化性只是自由基的一方面。至于自由基在新陈代谢过程中的作用，复杂到超乎想象。所以以后再见到这样的说法，要记得多想想。</p><p class="ql-block">1998年，美国科学家JoAnne Stubbe发现，核糖核苷酸的核糖2号位羟基被氢取代而成为脱氧核糖核苷酸的反应过程，是核糖核苷酸还原酶利用自由基共同完成的。这一发现刷新了人们对自由基的认识，也在一定程度上改变了癌症的治疗思路。胰腺癌、非小细胞肺癌等癌症的化疗药物吉西他滨（Gemcitabine）也正是基于这一发现，通过阻止DNA 合成、造成癌细胞死亡的方式治疗癌症。</p> <p class="ql-block">JoAnne Stubbe</p><p class="ql-block">（1946.06.11-）</p> <p class="ql-block">Gemcitabine分子结构</p><p class="ql-block">过分的是有人提出通过摄入氢可以达到同样的效果，甚至有院士跳出来为此背书。此外还有各种商家的噱头广告，睁着眼说瞎话，不知哪天雷劈，离这些人要远一点。</p><p class="ql-block">当然噱头终归是噱头，人们还是应该追求有价值的事物。</p><p class="ql-block">将药物分子中的H用D代替，可以在保证药物的物理和化学性质的前提下，提高药物的稳定性和药效。同时，这种做法可以避开很多专利的限制开展生产，是一种商业上弯道超车的好办法。</p>