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“氢气球”里，到底是充氢气，还是充氦气？
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“氢气球”里，到底是充氢气，还是充氦气？

“氢气球”里，到底是充氢气，还是充氦气？ 中科富海
2022-08-22
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回忆起童年好像总是少不了气球的身影。记忆里的场景中，不论是公园里或是街道边，总会有卖气球的摊贩头顶着一团云般的卡通气球，不紧不慢地吆喝着。

从经典的米老鼠、葫芦娃，到蓝猫、淘气，再到喜羊羊和小猪佩奇，卖气球的人似乎永远知道什么是孩子们的心头好。
图片来源：作者拍摄
这些童年的“小伙伴”们，大家给了它们一个统一的名字——“氢气球”。
不少细心的小伙伴也许会疑惑，为什么氢气球能漂浮在空中，而我们自己用嘴吹成的和用打气筒打出的气球却不能漂浮呢？
想知道答案吗？今天就带你一次性了解清楚氢气球的前世今生。

Part.1

                       
氢气球的前世今生
小朋友的诉求往往很简单，“能飘到头顶“，就是他们对于一个合格氢气球的最高要求。然而，历史上的氢气球可不仅仅只是飘到头顶而已，它们还具有载人载物的功能呢。
世界上第一个氢气球诞生于1780年，由法国化学家布拉克把氢气灌入猪膀胱得以制成。
而世界上首飞的不载任何乘客和货物的氢气球由雅克·查尔斯教授（Jacques Charles）1783年8月设计实施。1783年12月1日，雅克·查尔斯和尼古拉斯-路易斯·罗伯特驾驶着他们的第二个氢气球进行了载人飞行。
随着时间的推移，氢气球的种类和作用不断丰富，有用于飘浮广告条幅的商用氢气球，有探测高空的气象用氢气球以及节日和玩具用小型乳胶氢气球等。
图片来源：veer图库
然而，不管氢气球作何用处，它的填充气体其实只有氢气和氦气。没错，尽管它叫氢气球，偶尔也还是可以用氦气作为填充气体的。
之所以选用这两种气体，还要从氢气球的漂浮原理以及气体的物理化学特性讲起。

Part.2

                       
氢气球的漂浮原理

根据阿基米德定律（Archimedes law，又称浮力定律），浸在液体或气体中的物体会受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体或气体所受的重力。
具体来说就是，气球填充较低密度气体后，体积膨胀排开空气，而排开的空气重量就是气球所受到的浮力（原理图如下）。
氢气球漂浮原理图（作者制作）
由于低密度空气比同体积的空气轻，即使加上气球外皮的重量，气球整体受到的重力也较轻。于是乎，浮力大于重力，气球就飘起来了，然后越飞越高。
那什么样的气体可以使气球飘起来呢？
我们先来看看常见气体的标准密度（单位：千克/立方米）

上表列出了部分常见的低于空气密度（1.29 kg/m3）的气体，其中氢气、氦气、氨气及甲烷等明显比空气轻。
其实，理论上来讲只要将上述几种气体充入气球，气球便可以轻松漂浮起来，不过有的气体由于自身的特性所以并不太适合作填充气。
其中，氨气具有强烈刺激性臭味，且容易被吸附在皮肤黏膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。作为厕所下水道的臭味源头，氨气被填充到气球里，实在不是一个讨喜的行为。
甲烷则是家用天然气的主要成分，和氢气一样易燃易爆，但远比氢气重。所以，市面上可以飘起来的“氢气球”的填充气往往就是氢气和氦气了。
图片来源：veer
氢和氦是宇宙中含量最多的两种元素，但在地球大气中含量却极少。据统计，由于大气逃逸，在我们这个地球上，每年约有9.5万吨氢气和约1600吨氦气逃逸到宇宙中。
但幸运的是，由于地球富含水及各种含氢化合物，所以氢气实际上并不难获取。不过作为惰性气体的氦气，却很难与其他元素形成化合物，所以氦气的获取途径有限。
整个岩石圈每年估计会产生3000吨氦气，这些氦气往往会被天然气捕获并富集，而人类可以通过开采天然气将氦气分离提纯出来。氦气是一种不可再生资源，天然氦气是目前工业制备氦气的唯一来源，这使得目前全世界的氦气资源已经发生了全球性的短缺。
作为应用于军工、科研、医疗、工业等领域的稀有战略性物资之一，氦气的价格也远远超过氢气。
受限于成本，即便氦气安全性更高，市面上“氢气球”里面的充装气大部分还是名副其实的氢气。

Part.3

                       
氢气有危险，玩耍需谨慎

在这些充装了的氢气的漂亮气球背后，其实蕴藏着巨大的安全与环境隐患。近几年，因氢气球爆炸致伤致死的案例屡见报端。
有新闻报道显示，2014年，某地一购物广场开业庆典活动中，一只广告氢气球脱落后飘至数百公里外的另一地区，被一名儿童发现后，将气球捡回家中，数日后气球发生爆炸，致房屋倒塌，造成两人死亡、三人受伤的惨剧。
氢气易燃易爆，它在空气中的爆炸极限是4%~75%之间。这意味着，在空气里，只要氢气含量达到这个范围，哪怕只有一点明火，也会发生爆炸。
更令人担忧的是实际的生活场景中，氢气球的氢气极易泄漏，而且无需明火，仅仅是橡胶摩擦产生静电引发的电火花，也足以引燃或引爆氢气球。
而且很多氢气球里填充的氢气不够纯，再加上灌装过程中可能会混入少量空气，这使本就危险的处境更加危险。
实际上，早在2006年7月，国家气象局等多部门就联合下发了《关于进一步加强施放气球安全管理工作的通知》，提倡以惰性气体取代氢气等易燃易爆气体作为施放气球的填充物，以减少安全隐患。
综合看来，氦气作为惰性气体，具有极强的稳定性，不会像氢气一样在身边成为一个定时炸弹。并且它的密度也很低，足以给氢气球提供足够的升力。
所以为了大家的安全，在选购氢气球时，一定要优先选择用氦气填充的氢气球，同时也要将危险性告诉周边的小朋友，尽量远离氢气球。

参考文献:


[1]Austerfield, P. J. From hot air to hydrogen: filling and flying the early gas balloons. [J]Endeavour,1990,14(4):194–200.

[2] Zartman, R. E.; Wasserburg, G. J.; Reynolds, J. H. Helium Argon and Carbon in Natural Gases" (J).Journal of Geophysical Research.1961,66(1): 277–306.

[3]刘建湘.浅议氢气球的安全施放[J]环境保护,2016,3.
出品：科普中国
作者：X-Y（中科院大连化学物理研究所）
本文首发于中国科普博览（kepubolan)

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