“氫氣球”裡，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。記憶裡的場景中，不論是公園裡或是街道邊，總會有賣氣球的攤販頭頂着一團雲般的卡通氣球，不緊不慢地吆喝着。

從經典的米老鼠、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麼是孩子們的心頭好。

這些童年的“小夥伴”們，大家給了它們一個統一的名字——“氫氣球”。

不少細心的小夥伴也許會疑惑，爲什麼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？今天就帶你一次性瞭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“，就是他們對於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於1780年，由法國化學家布拉克把氫氣灌入豬膀胱得以製成。

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·羅伯特駕駛着他們的第二個氫氣球進行了載人飛行。

隨着時間的推移，氫氣球的種類和作用不斷豐富，有用於飄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日和玩具用小型乳膠氫氣球等。

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，儘管它叫氫氣球，偶爾也還是可以用氦氣作爲填充氣體的。

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，浮力的大小等於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後，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）。

由於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。於是乎，浮力大於重力，氣球就飄起來了，然後越飛越高。

那什麼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）

上表列出了部分常見的低於空氣密度（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，氣球便可以輕鬆漂浮起來，不過有的氣體由於自身的特性所以並不太適合作填充氣。

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膜上，從而產生刺激和炎症。作爲廁所下水道的臭味源頭，氨氣被填充到氣球裡，實在不是一個討喜的行爲。

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。

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。據統計，由於大氣逃逸，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，由於地球富含水及各種含氫化合物，所以氫氣實際上並不難獲取。不過作爲惰性氣體的氦氣，卻很難與其他元素形成化合物，所以氦氣的獲取途徑有限。

整個岩石圈每年估計會產生3000噸氦氣，這些氦氣往往會被天然氣捕獲並富集，而人類可以通過開採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製備氦氣的唯一來源，這使得目前全世界的氦氣資源已經發生了全球性的短缺。

作爲應用於軍工、科研、醫療、工業等領域的稀有戰略性物資之一，氦氣的價格也遠遠超過氫氣。

受限於成本，即便氦氣安全性更高，市面上“氫氣球”裡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後，其實蘊藏着巨大的安全與環境隱患。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慶典活動中，一隻廣告氫氣球脫落後飄至數百公里外的另一地區，被一名兒童發現後，將氣球撿回家中，數日後氣球發生爆炸，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。這意味着，在空氣裡，只要氫氣含量達到這個範圍，哪怕只有一點明火，也會發生爆炸。

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，僅僅是橡膠摩擦產生靜電引發的電火花，也足以引燃或引爆氫氣球。

而且很多氫氣球裡填充的氫氣不夠純，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合下發了《關於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爲施放氣球的填充物，以減少安全隱患。

綜合看來，氦氣作爲惰性氣體，具有極強的穩定性，不會像氫氣一樣在身邊成爲一個定時炸彈。並且它的密度也很低，足以給氫氣球提供足夠的升力。

所以爲了大家的安全，在選購氫氣球時，一定要優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，儘量遠離氫氣球。

出品：科普中國

製作：X-Y（中科院大連化學物理研究所）

監製：中國科普博覽

編輯：王婷婷

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]環境保護,2016,3.

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