氢元素的存在形式1.2

氢在自然界中存在的同位素有三种：氕、氘和氚，以人工方法合成的同位素还有氢4、氢5、氢6和氢7等。氕是自然界中含量最多的氢同位素，丰度达99.98%，氕的原子核只有一个质子，不含中子，是构造最简单的的原子（图 1.1）。作为最简单的原子，氢在原子物理中有特别的理论研究价值。众多科学家通过对氢原子的光谱、能级、成键等的不断深入研究，在量子力学等人类的革命性发现中都起了十分关键作用。

图 1.1 氢原子的玻尔模型

根据核外电子的不同，氢原子有氢负离子、氢阳离子和氢原子三种方式。在氢离子化合物中，氢原子得到一个电子成为氢负离子(以H^-表示）构成氢化物，氢负离子由两个电子及一个质子组成，是已知除电子盐外体积最小的阴离子。氢负离子不能在水溶液中存在，是已知最强的碱之一，负氢离子是非常强的还原剂。氢原子失去一个电子成为氢阳离子（以H⁺表示，简称氢离子），在水中，氢阳离子是与水结合存在的。

共价氢化物是非金属、类金属及一些电正性不大的金属元素与氢形成的化合物。单核的共价氢化物都可写成 MH_8-x（x为M的价电子数）的形式，有些元素还可形成双核及多核的氢化物，如H₃N和H₂O₂等，其中以碳形成的氢化物最多。许多有机物都是碳的氢化物，是构成生物体结构的最主要成分。

氢原子与电负性大的原子X（如氟、氧和氮等）以共价键结合，若与其他电负性大的原子Y接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的键，称为氢键。（X与Y可以是同一种类原子，如水分子之间的氢键）。氢键是一种比分子间作用力稍强，比共价键和离子键稍弱的相互作用，其稳定性弱于共价键和离子键之间。在蛋白质的a-螺旋的情况下是N-H…O型的氢键，DNA的双螺旋情况下是N-H…O，N-H…N型的氢键，因为这样氢键很多，因此这些结构是稳定的。水和其他溶媒是异质的，也由于在水分子间生成O-H—…O型氢键（图1.2）。因此，这也就成为疏水结合形成的原因。与共价键不同，氢键由于键能较低，形成和破坏都比较容易，所以氢键对生物分子间的识别与生物化学反应都有着非常重要的意义。在生物体中，大量氢键的共同作用仍然可以起到稳定结构的作用。

图1.2 水分子之间的氢键

氢阳离子在酸碱化学中尤为重要，酸碱反应中常存在氢离子的交换。所谓pH值亦称酸碱值，就是氢阳离子或质子的浓度指数，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。由于许多生命活动对酸碱度有非常严格的适应范围，例如人的血液pH值必须维持在7.35-7.45之间。最近的生物学研究发现，氢阳离子本身就是一种可以启动细胞膜通道的重要介质。

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