本文来自微信民众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：七君，题图来自：视觉中国

咱们在中学时就知道，氢原子是元素周期内外最轻的元素，它也是宇宙中最早降生、最多的元素，数目占比到达91.2%。氢的性子活跃，燃烧后形成水，因此氢能源也是备受期待的清洁能源。

不外，氢并没有我们想象的那么“清洁”，它曾经让美军造价为3600万美金油轮以一个月140艘的速率淹没，让加州海湾大桥差点报废，而且阻止氢能源汽车成为主流。

为了驯服这个顽皮的元素，甚至还泛起了一个专门学科分支。今天，我们就来领会一下这个奇异元素的你不知道的另一面。

仅存的四艘自由轮之一的 SS John W. Brown 号 图片泉源：wikipedia

二战时，为了运输士兵和物资，美军制作了数千艘油轮——自由轮（Liberty Ships）。不外，自由轮很快成了灾难片现场。

在2710艘自由轮中，近1500艘泛起了严重的裂痕。在严寒而又波涛汹涌的海面上，一些自由轮甚至断成了两节。其中最着名的就是就是 S.S. Schenectady 号油轮。

裂成两半的自由轮 S.S. Schenectady 号 图片泉源：wikipedia

1943年1月16日的晚上，俄勒冈州Swan Island造船厂发出巨响，尚未交付的 S.S. Schenectady 裂成了两半。

由于这是该造船厂造的第一艘船，以是引起了恐慌。实际上在那年3月，另一艘自由轮 the Esso Manhattan 号在进入纽约湾的时刻也裂开了。

自由轮以一个月140艘的速率淹没。自由轮在那时的造价是每艘约200万美金，相当于现在的3600万美金。这种沉船速率里为美军带来了伟大的损失。问题事实出在哪儿了呢？

裂开的自由轮 图片泉源：tf.uni-kiel.de

战争时期没有人知道谜底，不外人人照样找到领会决方式，那就是打补丁。美国造船厂在裂痕处用钢板打补丁，防止汽船进一步开裂。这个方式还挺有用，因此厥后这些防开裂钢板就叫做止裂铆缝（crack arrestor）。

在这个措施全面实施后，一个月里就只有20艘自由轮淹没，数目速降到了之前的七分之一。

二战后，美国海军研究实验室的物理学家乔治·兰金·欧文（George Irwin）行使自由轮的数据举行了研究，终于找到了让汽船开裂淹没的凶手——氢。

原来在20世纪初，一些新的焊接手艺被发明晰出来，好比手工电弧焊（SMAW）和焊条焊接。电焊时，电弧或乙炔燃烧的热量会熔化金属，让两块金属焊接在一起。

在电焊手艺泛起前，拼接汽船的金属板用的是铆接手艺。铆接手艺有不少瑕玷，好比需要受过专门训练的技工，这让铆接工的成本占到汽船组装人力成本的三分之一之巨。此外，铆接时需要把几块金属板交叠，这不但会增添船体的重量，还会增添成本。

船体铆接 图片泉源：boat-building.org

由于缺乏熟练的铆接工，美国联邦海事委员要求美国的造船厂用焊接替换铆接。这样一来，汽船的交货速率迅速提高了。在1930～1937年间，美国的造船厂才制造了71艘船。然则用上电焊手艺后，在1939～1945年间美国造船厂造了5777艘船。

制造一艘自由轮只需要5天。在1941～1945年间，美国的18个造船厂就用焊接手艺为美军制造了2710艘自由轮。

然则，那时的人们不知道的是，焊接时会发生单原子氢（H），而单原子氢会钻入金属中形成氢气（H2）。

氢气在金属晶粒四周群集起来，损坏金属的结构，让金属胀气变脆。有时氢气在金属内能累积成18.7兆帕，也就是地表气压187倍的高压。这个征象被命名为氢脆（hydrogen embrittlement）。

此外在高温下，被钢铁吸收的氢原子还可能和钢材中的碳原子形成甲烷气体（CH4），使钢材脱碳变脆，这被称为氢侵蚀（hydrogen attack）。

在使用的历程中，发生氢脆和氢侵蚀的焊接部位很容易开裂。油轮运输的重物和海浪的拍打会加速裂痕的扩张。更恐怖的是，已经发生氢脆的金属外面看起来和通俗金属没有什么差别，不会引起制造和使用者的警醒，这就增添了氢脆的危险性。

氢脆的金属（左）和通俗金属（右）的对比，从外观看不出有什么差异。

氢脆的征象最早是在1875年由 W. H. Johnson 发现的。不外，在自由轮大量出事前，人人还不知道氢有这么强的损坏力。在把裂开的自由轮归因于氢脆后，欧文开创了断裂力学和质料强度的学科分支，建筑业和制造业也终于最先重视这种邪门的元素了。

需要指出的是，直到现在，研究者还没有完全搞清楚氢脆的原理，也无法展望质料在何时那边会泛起氢脆，因此最好的方式照样预防。

适才说到，电焊尤其容易释放氢原子，这是由于电弧和焊条外面的纤维素涂层或空气中的水蒸汽接触，会发生单原子氢。现在泛起了一种叫做低氢焊条的质料，它可以削减单氢原子的发生，适用于焊接高强度的钢材。

固然，有时氢是在制造历程中扩散到金属里的。电镀和洗濯的历程也可能会发生单原子氢，这些单原子氢就有可能污染金属。

好比，为了防侵蚀，一些螺栓常会做一层镀镉。在镀镉的时刻就有可能发生单原子氢。由于镀镉的问题，美国空军设立了低氢脆性镀镉的尺度，要求承包商遵照执行。为了去除氢，螺栓的供应商通常在镀镉后对螺栓举行烘焙（如在24摄氏度的环境中烤数小时），让氢气从螺栓中逸出。

镀镉可以防侵蚀 图片泉源：milinc

在氢的真面目被揭发后，现在氢脆引发的大灾难对照少见，但也并未彻底消逝。

2014～2015年间，伦敦金融区的利德贺大楼的好几个螺栓由于氢脆坏掉了。

旧金山-奥克兰海湾大桥 图片泉源：wikipedia

2013年，美国的旧金山-奥克兰海湾大桥为即将到来的通车举行测试。这座大桥是加州历史上最昂贵的公共建筑，也是被吉尼斯世界纪录收录的最宽的桥。

不外，在通车前的测试中工程师发现了问题：卖力把桥面架设在水泥柱上的保险螺栓在测试运行2周后就泛起了裂痕，让旧金山-奥克兰海湾大桥险些酿成美式断桥。

在测试中，96个保险螺栓里30个坏掉了。厥后发现，这就是氢脆引起的。替换螺栓花费了加利福尼亚州运输部2500万美金，是预估的5倍，引发舆论哗然。

发生氢脆的保险螺栓横断面

氢的憎恶性子也成了氢能源普遍使用的最大阻碍之一。

氢气（H₂）虽然不能被金属直接吸收，但在某些条件下（如高压），金属外面的氢气分子会拆解成两个单原子氢，然后被金属吸收，引发氢脆。换言之，用金属质料历久储存高压氢气就相当于养了个不定时炸弹。

1988年，法国里昂四周圣丰 (Saint-Fons)的一个3千升的金属氢气罐发生爆炸，周遭500米内的财物都受到波及。这个氢气罐最早在1939年投入使用，厥后的检测解释爆炸就是氢脆引起的。

氢能源汽车丰田Mirai的氢罐 图片泉源：wikipedia

虽然氢气的燃烧产物只有水，但氢带来的这些贫苦使能够平安压缩氢气燃料的商业手艺难产，这就导致氢气运输管网成本居高不下，氢能源汽车也没有成为主流。

真没想到你是这样的氢啊。

本文来自微信民众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：七君