“氫氣球”里，到底是充氫氣，還是充氦氣？

回憶起童年好像總是少不了氣球的身影。記憶里的場景中，不論是公園里或是街道邊，總會有賣氣球的攤販頭頂著一團云般的卡通氣球，不緊不慢地吆喝著。

從經(jīng)典的米老鼠、葫蘆娃，到藍貓、淘氣，再到喜羊羊和小豬佩奇，賣氣球的人似乎永遠知道什么是孩子們的心頭好。

（圖片來源：作者拍攝）

這些童年的“小伙伴”們，大家給了它們一個統(tǒng)一的名字——“氫氣球”。

不少細心的小伙伴也許會疑惑，為什么氫氣球能漂浮在空中，而我們自己用嘴吹成的和用打氣筒打出的氣球卻不能漂浮呢？

想知道答案嗎？今天就帶你一次性了解清楚氫氣球的前世今生。

氫氣球的前世今生

小朋友的訴求往往很簡單，“能飄到頭頂“，就是他們對于一個合格氫氣球的最高要求。然而，歷史上的氫氣球可不僅僅只是飄到頭頂而已，它們還具有載人載物的功能呢。

世界上第一個氫氣球誕生于1780年，由法國化學家布拉克把氫氣灌入豬膀胱得以制成。

而世界上首飛的不載任何乘客和貨物的氫氣球由雅克 查爾斯教授（Jacques Charles）1783年8月設計實施。1783年12月1日，雅克 查爾斯和尼古拉斯-路易斯 羅伯特駕駛著他們的第二個氫氣球進行了載人飛行。

隨著時間的推移，氫氣球的種類和作用不斷豐富，有用于漂浮廣告條幅的商用氫氣球，有探測高空的氣象用氫氣球以及節(jié)日和玩具用小型乳膠氫氣球等。

（圖片來源：veer圖庫）

然而，不管氫氣球作何用處，它的填充氣體其實只有氫氣和氦氣。沒錯，盡管它叫氫氣球，偶爾也還是可以用氦氣作為填充氣體的。

之所以選用這兩種氣體，還要從氫氣球的漂浮原理以及氣體的物理化學特性講起。

氫氣球的漂浮原理

根據(jù)阿基米德定律（Archimedes law，又稱浮力定律），浸在液體或氣體中的物體會受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體或氣體所受的重力。

具體來說就是，氣球填充較低密度氣體后，體積膨脹排開空氣，而排開的空氣重量就是氣球所受到的浮力（原理圖如下）。

氫氣球漂浮原理圖（作者制作）

由于低密度空氣比同體積的空氣輕，即使加上氣球外皮的重量，氣球整體受到的重力也較輕。于是乎，浮力大于重力，氣球就飄起來了，然后越飛越高。

那什么樣的氣體可以使氣球飄起來呢？

我們先來看看常見氣體的標準密度（單位：千克/立方米）

其實，理論上來講只要將上述幾種氣體充入氣球，氣球便可以輕松漂浮起來，不過有的氣體由于自身的特性所以并不太適合作填充氣。上表列出了部分常見的低于空氣密度（1.29 kg/m3）的氣體，其中氫氣、氦氣、氨氣及甲烷等明顯比空氣輕。

其中，氨氣具有強烈刺激性臭味，且容易被吸附在皮膚黏膜和眼結(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥。作為廁所下水道的臭味源頭，氨氣被填充到氣球里，實在不是一個討喜的行為。

甲烷則是家用天然氣的主要成分，和氫氣一樣易燃易爆，但遠比氫氣重。所以，市面上可以飄起來的“氫氣球”的填充氣往往就是氫氣和氦氣了。

圖片來源：veer

氫和氦是宇宙中含量最多的兩種元素，但在地球大氣中含量卻極少。據(jù)統(tǒng)計，由于大氣逃逸，在我們這個地球上，每年約有9.5萬噸氫氣和約1600噸氦氣逃逸到宇宙中。

但幸運的是，由于地球富含水及各種含氫化合物，所以氫氣實際上并不難獲取。不過作為惰性氣體的氦氣，卻很難與其他元素形成化合物，所以氦氣的獲取途徑有限。

整個巖石圈每年估計會產(chǎn)生3000噸氦氣，這些氦氣往往會被天然氣捕獲并富集，而人類可以通過開采天然氣將氦氣分離提純出來。氦氣是一種不可再生資源，天然氦氣是目前工業(yè)制備氦氣的唯一來源，這使得目前全世界的氦氣資源已經(jīng)發(fā)生了全球性的短缺。

作為應用于軍工、科研、醫(yī)療、工業(yè)等領域的稀有戰(zhàn)略性物資之一，氦氣的價格也遠遠超過氫氣。

受限于成本，即便氦氣安全性更高，市面上“氫氣球”里面的充裝氣大部分還是名副其實的氫氣。

氫氣有危險，玩耍須謹慎

在這些充裝了的氫氣的漂亮氣球背后，其實蘊藏著巨大的安全與環(huán)境隱患。近幾年，因氫氣球爆炸致傷致死的案例屢見報端。

有新聞報道顯示，2014年，某地一購物廣場開業(yè)慶典活動中，一只廣告氫氣球脫落后飄至數(shù)百公里外的另一地區(qū)，被一名兒童發(fā)現(xiàn)后，將氣球撿回家中，數(shù)日后氣球發(fā)生爆炸，致房屋倒塌，造成兩人死亡、三人受傷的慘劇。

氫氣易燃易爆，它在空氣中的爆炸極限是4%~75%之間。這意味著，在空氣里，只要氫氣含量達到這個范圍，哪怕只有一點明火，也會發(fā)生爆炸。

更令人擔憂的是實際的生活場景中，氫氣球的氫氣極易泄漏，而且無需明火，僅僅是橡膠摩擦產(chǎn)生靜電引發(fā)的電火花，也足以引燃或引爆氫氣球。

而且很多氫氣球里填充的氫氣不夠純，再加上灌裝過程中可能會混入少量空氣，這使本就危險的處境更加危險。

實際上，早在2006年7月，國家氣象局等多部門就聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于進一步加強施放氣球安全管理工作的通知》，提倡以惰性氣體取代氫氣等易燃易爆氣體作為施放氣球的填充物，以減少安全隱患。

綜合看來，氦氣作為惰性氣體，具有極強的穩(wěn)定性，不會像氫氣一樣在身邊成為一個定時炸彈。并且它的密度也很低，足以給氫氣球提供足夠的升力。

所以為了大家的安全，在選購氫氣球時，一定要優(yōu)先選擇用氦氣填充的氫氣球，同時也要將危險性告訴周邊的小朋友，盡量遠離氫氣球。

參考文獻

[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]劉建湘.淺議氫氣球的安全施放[J]環(huán)境保護,2016,3.

作者：X-Y（中國科學院大連化學物理研究所）