氢

性质

氢在自然界中较常以氢气（双原子氢气分子）的形式存在，少数情况下会出现单原子的氢。

电子能级

氢原子的电子基态能级为−13.6eV，对应于波长约为91纳米的紫外线光子。
用玻尔原子模型可以很准确地计算出氢原子的各个能级，该模型假设电子围绕着中心质子“公转”，就像地球绕太阳公转一样。不同的是，电子和质子通过电磁力互相吸引，行星和恒星则通过重力相吸。早期量子力学假定角动量分立原理，电子和质子的距离只能取特殊的数值，因此电子在原子中也只能拥有特殊的能量值。
要更准确地描述氢原子，须用到标量子力学理论中的薛定谔方程、狄拉克方程，甚至是费曼路径积分表述，来计算电子在质子周围的概率密度。最复杂的计算可考虑到狭义相对论和真空极化效应。在量子力学的氢原子模型中，位于基态的电子不含任何角动量，可见“行星轨道”模型与事实情况有着根本性的分别。

共价及有机化合物

虽然在标准条件下的反应性不高，但它却可以和大部分元素形成化合物。氢可以和电负性更高元素结合，如卤素（氟、氯、溴、碘）和氧，这些化合物中的氢带有部分正电荷。氢与氟、氧和氮结合而成的分子之间可以形成氢键。这种中等强度的非共价化学键，正是许多生物分子能够稳定存在的原因。氢也可以和电负性更低的元素结合，如各种金属和类金属，这些化合物称为氢化物，其中氢带有部分负电荷。
氢和碳可形成名目繁多的化合物，称为碳氢化合物，又称烃；再加上各种杂原子，所能形成的化合物数量则更大。由于这些物质和生物息息相关，所以统称有机化合物。有机化学是对此类化学物属性的研究，而对有机化合物在生物体中的作用之研究，则称为生物化学。根据某些定义，有机化合物囊括所有含有碳的化合物。然而，大部分有机化合物同时也含有氢，而且是其中的碳-氢键赋予了它们独特的化学性质，因此在另一些定义中，有机化合物必须含有碳-氢键。现在已知的碳氢化合物以数百万计，它们的合成途径一般都十分复杂，而且很少会直接使用单质氢。

氢化物

含氢的化合物有时会称为氢化物，但这一用词并没有严格的定义。氢化物一般是氢和电负性更低的元素结合而成，当中的氢呈负价，记作。吉尔伯特·路易斯在1916年提出，1族和2族的氢盐中存在氢阴离子。1920年，K. Moers通过电解氢化锂（），在阳极提取出氢气，证明了氢阴离子的存在。由于氢的电负性较低，所以“氢化物”一词对于1、2族以外元素的氢化物并不完全准确。2族元素氢化物中有一个例外，即高聚物氢化铍（）。在氢化铝锂的离子中，四个氢阴离子紧靠着铝(III)。
几乎所有主族元素都可以形成氢化物，不过化种类数量却有着巨大的差异。例如，已知的硼氢二元化合物共有100多种，但铝氢二元化合物却只有一种。二元氢化铟还未被发现，但它存在于更大的铟氢配合物中。
在无机化学中，氢化物还可用作桥接配体，连接配合物中的两个金属中心。这一用途在13族元素配合物中最为常见，特别是硼烷、铝配合物和碳硼烷簇。

质子与酸

氢在氧化后会失去它的电子，形成氢阳离子（）。氢阳离子不含电子，其原子核通常只含一个质子，所以经常被直接称为质子。氢阳离子是酸碱理论中不可或缺的化学物质。酸碱质子理论把酸、碱分别定义为质子供体和质子受体。
质子不能在溶液或离子晶体中裸露存在，因为它不可避免地会靠近其他含有电子的原子或分子。除非在高温等离子状态，原子和分子的电子云会一直附在质子的周围，质子是无法脱离开来的。然而，人们常以“质子”来不严谨地表示与其他原子或离子键合的氢阳离子和带正电荷的氢原子，并记作H⁺。此时写“”，并不意味着质子自由存在。
为了避免认为溶液中存在裸露的质子，人们有时会把酸性水溶液中的阳离子记作，称为水合氢离子。这其实是一种假想的情况，现实中水分子和氢离子会结合组成更接近的化学物质。当酸溶液同时含有水和其他溶剂时，会形成其他的𨦡盐。
尽管在地球上十分罕见，但离子（三氢阳离子，又称质子化分子氢）却是宇宙中最常见的离子之一。

量子理论

氢是原子结构最为简单的元素，只含一个质子和一个电子。在原子结构模型的发展过程中，氢原子和它的发射、吸收光谱都有着特殊的理论价值。物理学家在1925年前后发展出氢原子的量子力学描述，此后氢分子以及阳离子又因为结构简单，而成为科学家在研究化学键本质时所用的重要对象。

反物质

反氢（）是对应于氢的反物质，含一个反质子和一个正子。截至2015年，反氢是唯一被合成过的反物质原子

分布

氢是宇宙中丰度最高的化学元素，占重子总质量的75%，原子总数的90%以上。（不过，宇宙的大部分质量并不是由化学元素物质所组成的，而是有待进一步了解的暗物质和暗能量。）氢是恒星和巨行星的主要成分之一，并通过质子﹣质子链反应和碳氮氧循环核聚变反应为恒星提供能量。H₂分子云是恒星形成的地点。
宇宙中的氢主要以单原子形态和等离子态存在，此两者的性质和双原子氢分子颇为不同。氢等离子体中，电子和质子各自独立，所以电导率和发射率都很高，这是太阳等恒星发光的原因。这些带电粒子受电磁场的影响，例如，太阳风会和地球磁层相互作用，产生白克兰电流和极光。星际物质含有中性单原子氢。直到红移为止，宇宙重子密度都以阻尼莱曼α系统中的大量中性氢原子为主。
在地球上的常规条件下，氢的单质以双原子气体存在，即。但由于质量低，氢气比其他较重的气体更容易逃逸地球重力，所以在地球大气中的含量极低，只占大气总体积的百万分之1。另一方面，氢却是地球表面丰度排第三的元素，主要存在于碳氢化合物和水等化合物当中。某些细菌和藻类会释放氢气，胃肠气中也含有氢气。
星际物质中的氢分子经宇宙射线的电离之后，会形成三氢阳离子（）。这种离子也存在于木星的大气上层。在太空的低温低密度环境下，三氢阳离子可以较稳定地存在，所以它是宇宙中最常见的离子之一，对星际物质的化学研究也起到了重要的作用。中性三原子氢（）是一种不稳定分子，只能在激发状态下存在。氢分子阳离子（）是宇宙中罕见的分子。

自然形成与实验制备

在实验室中，不少化学反应都会释放氢气，如活泼金属和酸的反应。工业生产出的氢可以用来氢化各种不饱和物质。在自然界中，生物体的还原反应也会释放出氢气。

热化学反应

能分离水的热化学循环过程共有200多种，其中可以从水和热量直接产生氢气和氧气的过程包括：氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫碘循环、铜氯循环、混合硫循环等等，都有待进一步研究。多个国家都有实验室着力研究可以从太阳能和水生成氢气的热化学方法。

变压器

在变压器会产生的各种故障气体中，氢气是最常见的一种，在大部分故障情况下都会形成。所以，探测到氢气，意味着变压器可能出现了严重的问题。

应用

氢气可用于石化或矿物加工，如加氢脱烷基反应、加氢脱硫反应和裂化反应等。它也可以用作工业辅助物质及能量载体。氢作为能量载体目前已经有了初期应用，如氢动力汽车、核聚变发电技术等。

安全

氢在不同情况下都会对人体造成危险。与空气混合时，氢气会轻易燃烧和爆炸，而纯氢气则会使人窒息。泄漏到空气中的氢气无色无味，且可以自燃，产生高温但无色的火焰，因此有意外灼伤的可能性。液氢的温度极低，所以和其他低温液体一样有一定的危险性，比如会引致冻伤。氢气可以溶解在多种金属之中，除了可能的泄漏以外，氢气还会造成金属的氢脆现象，引致材料爆裂。
氢的许多性质都受到了其自旋异构体（正氢和仲氢）比例的影响。不少数据所描述的是处于平衡态的氢气，但氢气有时需要几天乃至几周的时间才会达致平衡，所以它的安全数据可能和现实中的氢气有所差别。另外，容器的形状，也会大大影响氢气的爆炸临界温度和压力。