氢元素和氢气

氢是唯一由几种同位素共同组成的物质元素。自然界中存在的氢同位素有氕(protium)、氘(deuterium)和氚(tritium)三种。以人工方法合成的同位素还有“H、5H、6H和H等。氕是自然界中含量最多的氢同位素，丰度达99.98%，气原子核只有一个质子，不含中子，是构造最简单的原子(见图1-1)。

氢元素和氢气

图1-1 氢原子的波尔模型

氘是含量第二的氢同位素，在海水中氛的浓度大约是155ppm①，氘氢键能产生更强的蒸发分离效应，在高原极地冰中氘的含量是140ppm左右。虽然氘的含量比较少，但由于氢同位素效应是所有元素中最显著的，氘的生物学效应也受到学者关注。有概念认为冰川水和低氘水是功能水，低氘水支持者认为，氢键影响生命体所有反应和结构构成，是水、蛋白质和核酸等重要生物分子结构形成的最基本化学形式。由于同位素效应，氘形成的氢键键能比氕高，生物体系内氘比例改变必然对生物过程产生影响。1974年，T.R.格里菲思(T.R.Griffiths)根据氛的同位素效应，还有氘水对许多生物的毒性作用等现象，提出氘加速衰老、影响DNA反应酶活性的假说。此后一些学者开始对低氘水生物效应进行研究。其中比较著名的是匈牙利生物学家G.索姆利艾(Gabor Somylai)博士，他发现低氘水能显著抑制肿瘤细胞的分裂繁殖。索姆利艾博士用低氘水对癌症、糖尿病等疾病进行临床研究，发现低氘水具有一定抗癌和抗糖尿病效果。目前低氘水生物医学研究总体规模非常小，尚没有得到主流医学的认可。

作为最简单的原子，氢在原子物理领域有特别的理论研究价值。众多科学家对氢原子的光谱、能级、成键等方面不断深入研究，对量子力学和生命科学领域的人类革命性发现起到了十分关键的作用。

根据核外电子的不同，氢原子有氢阴离子、氢阳离子和氢原子三种存在方式。在氢离子化合物中，氢原子得到一个电子成为氢阴离子(以H表示，也称为氢负离子)，它与金属等共同构成氢化物(如氢化钙、氢化镁等)。氢阴离子由两个电子及一个质子组成，是已知的除电子盐外体积最小的阴离子。氢阴离子不能在水溶液中稳定存在，是已知最强的碱之一。氢阴离子也是非常强的还原剂，有人利用氢阴离子具有强还原性的特点制备功能食品，笔者认为这种氢阴离子在体内可与氢阳离子反应产生氢气发挥作用，可以归类为氢气医学健康产品。

氢原子失去一个电子成为氢阳离子(以H+表示，简称氢离子)。由于氢阴离子不常用，氢阳离子一般直接称为氢离子。在水溶液和水中，氢离子并不独立存在，而是与水结合存在的。氢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。pH值亦称为酸碱值，指的是氢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。近年来生物学研究发现，氢离子本身就是一种可以启动细胞膜通道的重要信号介质。

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。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。所有有机物都是碳的共价氢化物，有机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一H.…Y形式的键称为氢键。氢键是一种特殊的分子内和分子间作用力，是实现水的物理化学性质和许多生物大分子功能的重要基础。

氢键是一种比分子间作用力强，比共价键和离子键弱的化学结构，其稳定性介于共价键和离子键之间。在生物体中，大量氢键共同起到稳定结构的作用。例如蛋白质a螺旋是N-H…O型氢键，DNA双螺旋是N-H…O和N-H·N型氢键。水和其他溶媒的异质性是由于在水分子间生成O-HO型氢键(见图1-2)。由于键能较低，氢键的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。

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