<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>