氢气是密度最小的气体,请设计两种方法,证明同体积的氢气比空气轻,二氧化碳比空气重.

Answer 1

氢气（Hydrogen）是世界上最轻的气体。它的密度非常小，只有空气的1/14。所以用氢气充灌的气球，必须用手牢牢捉住。否则，只要一撒手它就会闪闪升上天空。灌好的氢气球，往往过一夜，第二天就飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔，溜之大吉。不仅如此,在高温、高压下,氢气甚至可以穿过很厚的钢板。要气球能够在空中飘扬，那么就要在气球内的气体密度较小（比空气小）。由于氢气（hydrogen,H2）是一种密度较低的气体，把氢气注入气球内，便可以使它飘浮在空中。

氢气标准
工业氢GB/T3634-1995
H2≥99.90%（优等品）
H2≥99.50%（一等品）
H2≥99.00%（合格品）

纯 氢 GB/T7445-1995
H2≥99.99%

高纯氢 GB/T7445-1995
H2≥99.999%

超高纯氢 GB/T7445-1995
H2≥99.9999%

物理性质
氢气是无色并且密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.0899克，比空气轻得多）。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在101千帕压强下，温度-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；-259.1℃时，变成雪状固体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时（如点燃、加热、使用催化剂等），情况就不同了。

总结为：
分子式：H2
沸点：-252.77℃(20.38K)
密度：0.09kg/m3
相对分子质量：2.016
生产方法：电解，裂解,煤制气等

主要性能：
高燃烧性，还原剂，液态温度比氮更低

a. 可燃性：

〔实验1〕氢气在空气里的燃烧，实际上是与空气里的氧气发生反应，生成水。

2H2+O2=2H2O

这一反应过程中有大量热放出，是相同条件下汽油的三倍。因此可用作高能燃料，在火箭上使用。我国长征3号火箭就用液氢燃料。

不纯的H2点燃时会发生爆炸。但有一个极限，当空气中所含氢气的体积占混合体积的4％－74.2%时，点燃都会产生爆炸，这个体积分数范围叫爆炸极限。

也许有的同学会问：我们怎么知道一瓶氢气是否纯呢？

用试管收集一试管氢气，然后用燃着木条放到试管口，如果听到轻微的“噗”声，表明氢气是纯净的。如果听到尖锐的爆鸣声，表明氢气不纯。这时需要重新收集和检验。

如用排气法收集，则要用拇指堵住试管口一会儿，使试管内可能尚未熄灭的火焰熄灭，然后才能再收集氢气（或另取一试管收集）。收集好后，用大拇指赌住试管口移近火焰再移开，看是否有“噗”声，直到试验表明氢气纯净为止。

b. 还原性

我们先来看一下以下的动画实验：氢气与氧化铜反应

以上反应的实质是氢气夺取氧化铜中的氧生成水，使氧化铜变为红色的金属铜。

CuO+H2=Cu+H2O

在这个反应中，氧化铜失去氧变成铜，氧化铜被还原了，即氧化铜发生了还原反应。这种含氧化合物失去氧的反应，叫做还原反应。能夺取含氧化物里的氧，使它发生还原反应是的物质，叫做还原剂。还原剂具有还原性。

我们知道性质决定用途，那么氢气有什么用呢？

根据氢气所具有的燃烧性质，它可以作为燃料，可以应用与航天、焊接、航天、军事等方面；根据它的还原性，还可以用于冶炼某些金属材料等方面。

[小资料]氢能源
1)氢气的可燃性

在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气，观察火焰的颜色。然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯，过一会儿，观察烧杯壁上有什么现象发生。

我们可以看到，纯净的氢气在空气里安静地燃烧，产生淡蓝色的火焰（注）。用烧杯罩在火焰的上方时，烧杯壁上有水珠生成，接触烧杯的手能感到发烫。

（注）氢气在玻璃导管口燃烧时，火焰常略带黄色。

氢气在空气里燃烧，实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应，生成了水并放出大量的热。这个反应的化学方程式是：

2H2＋O2=2H2O

如果氢气不纯，混有空气(或氧气)，点燃时会怎样呢？

〔实验2〕取一个一端开口，另一端钻有小孔的纸筒(或塑料筒等)，用纸团堵住小孔，用向下排空气法收集氢气，使纸筒内充满氢气。把氢气发生装置移开，拿掉堵小孔的纸团，用燃着的木条在小孔处点火,注意有什么现象发生。(做这个实验时，人要离得远些，注意安全。)

我们可以看到，刚点燃时，氢气安静地燃烧(图5-11，Ⅱ)，过一小会儿，突然听到“砰”的一声响，爆炸的气浪把纸筒高高掀起。

实验测定，空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4％～74.2％，点燃时就会发生爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。实际上，任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合，遇火时都有可能发生爆炸。因此，当可燃性气体(如氢气、液化石油气、煤气等)发生泄漏时，应杜绝一切火源、火星，以防发生爆炸。

正是由于这个原因，我们在使用氢气时，要特别注意安全。点燃氢气前，一定要检验氢气的纯度。

〔实验3〕用排水法收集一试管氢气，用拇指堵住，移近火焰，移开拇指点火，如果听到尖锐的爆鸣声，就表明氢气不纯，需要再收集，再检验，直到响声很小，才表明氢气已纯净。如果用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而需要再检验时，应该用拇指堵住试管口一会儿，然后再收集氢气检验纯度，否则会发生危险，为什么？

因为刚检验过纯度的试管内，氢气火焰可能还没有熄灭，如果立刻就用这个试管去收集氢气，氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气，使氢气发生器发生爆炸。用拇指堵住试管口一会儿，就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。

应用：
氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时，氢也是一种理想的二次能源（ 二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源）。在一般情况下，氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中，在氮气保护气氛中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性，航天工业使用液氢作为燃料。

主要应用行业：
石油精炼
浮法玻璃
电子
食品
化工生产
航天
汽车业

包装：

氢气拖车/瓶组/钢瓶

贮存和运输：

氢的贮运有四种方式可供选择，即气态贮运、液态贮运、金属氢化物贮运和微球贮运。目前，实际应用的只有前三种，微球贮运方式尚在研究中。

安全环保注意：

氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，其中，氢与氟的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸，与氯的混合比为1：1时，在光照下也可爆炸。氢由于无色无味，燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现，在许多情况下向氢气中加入乙硫醇，以便感官察觉，并可同时付予火焰以颜色。氢虽无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢含量增高，将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样，直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧，并有可能和空气一起形成爆炸混合物，引发燃烧爆炸事故。

Answer 2

在气球中充入氢气，气球飘向高空，说明密度比空气小。
同样的方法可证明二氧化碳密度比空气大。