一、 H2氫氣的發現、名稱由來及分佈
1. 氧氣的發現
16 世紀末期，瑞士化學家巴拉采爾斯把鐵放在硫酸中，鐵片和硫酸發生反應，產生許多氣泡—即為 H2 氫氣。但直到 1766 年，氫才被英國科學家亨利·卡文迪什確定為化學元素，當時稱為「可燃空氣」，並證明它在空氣中與 O2 氧氣燃燒生成水。因此 H2 氫氣被認為是最理想的燃料，放熱量多，無污染。1787 年(一說 1783 年)法國化學家拉瓦錫證明氫是一種單質並將它命名。
科學家 拉瓦錫(Antoine-Laurent Lavoisier)命名
2. 名稱由來
希臘語 hydro(水)+genes(造成)，意即「產生水」的物質。
中文原稱「H2 氫氣」為「輕氣」，「氫」屬以後新造的形聲字。
日語及朝鮮語循希臘語原義，稱為「水素」(日語:水素(すいそ)，朝鮮語:수소)。
3. 分佈
在地球上和地球大氣中只存在極稀少的遊離狀態氫。在地殼里，如果按重量計算，氫只佔總重量的 1%，而如果按原子百分數計算，則佔17%。氫在自然界中分佈很廣，水便是氫的「倉庫」，以重量百分比計算，水中含 11%的氫;泥土中約有 1.5%的氫;石油、天然氣、動植物體也含氫。在空氣中，H2 氫氣倒不多，約佔總體積的兩百萬分之一。
在整個宇宙中，按原子百分數來說，氫卻是最多的元素。據研究，在太陽的大氣中，按原子百分數計算，氫佔 93%。在宇宙空間中，氫原子的數目比其他所有元素原子的總和約大 100 倍。
在三角座內的NGC604是個被電離氫區
二、 H2氫的特性
1. H 氫原子與 H2氫分子
H 氫原子是宇宙中最簡單也是質量最輕的原子，它只有一個質子(proton)及一個電子(electron)(見以下三圖)。由於電子軌道上要有 2 個電子才會穩定，因此自然界存在的氫大都是兩個 H 氫原子結合2在一起，形成 H2 氫分子。氫分子的軌道上恰好湊成一對電子。
由左至右分別為：H氫原子、H2氫分子、H2氫分子
2. O 氧原子與 O2氧分子
O 氧原子(見下圖)有 8 質子、8 中子、8 電子，它第一層軌道分配到 2 個電子，外層分配到 6個電子，由於外層只有 6 個電子，還欠缺 2 個電子才能達到 8 個電子的穩定狀態，所以它是負二價(O二)。因此，O 氧原子必須兩個原子共用分享電子，才成為相對穩定的 O2 氧分子。(見以下二圖)
由左至右分別為：O氧分子、O2氧分子、O2氧分子
3. H2O 水是孤男(O2)寡女(H2)乾柴烈火的結晶O
氧原子外層軌道尚欠兩個電子(O二)，H 氫原子則只有一個電子。O 氧原子的質量較 H 氫原子大，O 氧原子有 8 質子、8 中子、8 電子，H 原子則只有一個質子、一個電子，因此極弱的 H2氫氣分子的電子，很快就被 O2 吸走。 好比 O 氧與 H 氫相見歡，一拍即合，完美結合兩不相欠，形成H2O(見下四圖)好搭檔。但它們不是搞一夜情，而是一見鍾情，情投意合的男女，結成永世恩愛夫妻。如果把 H2O 這如膠似漆的夫妻加熱，它就變成水蒸氣，不論是變成水氣、霧、雲、雪，它永遠都不分離，風吹雨打日曬都無法把它們拆散。水以各種不同的面貌呈現，但 H2O水的分子結構始終不會改變。真是地老天荒，海枯石爛永誌不渝。
H2O水分子
H2O水分子
H2O水分子
聚集在一起的H2O水分子之結合
4. 人體有兆兆部發電機
一部車子只有一部引擎內燃機，但一個細胞則至少有上千個引擎內燃機(粒腺體)，粒腺體發出電力(ATP)，細胞才能「活」。人腦有一千五百億個神經細胞。1，500 億×1，000 個粒腺體豈不是天文數字?佔體重 2%的腦卻耗掉 25%的 O2 氧氣，腦內的上兆粒腺體(發電機)在運作時，產生的廢氣已很可觀，全身細胞所產生的廢氣可就更嚇人了。這些廢棄物中以 CO2 二氧化碳的量最大，OH●自由基最毒。
粒腺體在利用葡萄糖作為燃料時，一個分子的葡萄糖 Glucose 要用到 6 個分子的 O2 氧氣，才能生成 36 個 ATP(能量)，並排放 6 個分子的 CO2 二氧化碳及 6 分子的 H2O 水。
1分子葡萄糖 + 6 分子氧氣 → 6 分子二氧化碳 + 6 分子水 + 能量(ATP) + 活性氧 + 有毒自由基
Glucose + 6 O2 → 6 CO2 + 6H2O + ATP + 活性氧 + 有毒自由基
O2 氧氣濃度足夠時，一個分子的葡萄糖可被氧化成 36 個 ATP，O2 氧氣一旦不足，所能生成的ATP 就遞減，廢氣及 OH●自由基越多;大部分 CO2 都可經由肺臟呼出體外。
在正常情況下，也至少有 2%的 O2 氧氣，會與葡萄糖中的氫原子產出 OH●自由基。所謂 OH●自由基，就是來不及生成 H2O 水的中間物質。也可以說是燃燒尚未完全，來不及多加上一個電子。
OH●之所以對細胞會有毒，是因為 OH●這化合物的 O 氧原子，只搶到一個來自 H 的電子，還來不及多搶到一個電子，無法變成穩定的 H2O，OH●的性子就變得更急，十萬火急想要補足所欠缺的電子，於是把主意打到細胞膜身上，去搶細胞膜的電子。
搶別人電子的行為被稱作「氧化作用」(把別人氧化)，打個比方說，O 氧原子因為自己不夠錢(電子)，還欠兩塊錢(負二價)，就一直想搶別人的錢來給自己用，O二氧原子已經搶到來自 H 原子的一塊錢(電子)，變成 OH●，但還欠一塊錢，因此就不管三七二十一，見到有人就搶，如果 OH●壞人很多，蜂擁而上，細胞一直被搶劫，即是被「氧化」，久了細胞會受傷，無法行使原有的正常功能，這種情形我們稱之為「發炎」。就好比人被強盜搶劫毆打受傷，引起紅腫熱痛的發炎。細胞 DNA 受傷後功能變差。若細胞核 DNA 受傷後，細胞可能突變成癌細胞。
三、 O2氧氣的特性
1. O2 氧氣可助燃
車子能發動行駛，是因為車上裝有引擎內燃機，內燃機把汽柴油燃燒產生出電力或動力。汽柴油燃燒需要 O2 氧氣來助燃，在 O2 氧氣充足的條件下，燃料如果完全燃燒，可完全生成 CO2 二氧化碳及 H2O 水，但燃燒通常不可能達到 100%，故所排出的氣體中，多少會含有一些不完全燃燒物質。
在 O2 氧氣充足的情況下，木柴燃燒後只會剩下灰燼，木柴中的碳(C)、氫(H)、氧(O)、硫(S)等成分都由固態變成氣態揮發在空氣中。
如果在完全缺氧的條件下加熱木柴，木柴中的碳就會被保留下來，變成黑色的木炭。其他各種成分則變成氣體。這就是炭窯燒柴的原理。
如果我們把燒木柴或燒炭時所冒出來的黑煙，引導入冷却管中，煙被冷卻後就形成液態物，此液態物靜置後，就分離成木醋液及黑色的焦油。
人體一個細胞的複雜程度(見下圖)，並不亞於一部汽車。汽車只有一個引擎內燃機，一個細胞內的內燃機數目往往逾千，細胞內燃機就叫做粒腺體(Mitochondria)。
細胞構造複雜，粒腺體為內燃機
粒腺體(見下圖)的功能是負責把燃料(葡萄糖、脂肪酸、胺基酸)在 O2 氧氣的助燃下產生電力，肝臟細胞內的粒腺體數目最多，高達兩千個。
粒腺體構造
ATP 好比是充滿電力的電池，細胞有了電力，才能行使功能，ATP 把電用掉後，就成了沒有電的電池(ADP)，ADP 又必須回到粒腺體中充電，再度成為 ATP，如此周而復始，表現出生命活力。
2. O2 氧氣濃度適當時才有好的活性
人為需氧生物，O2 氧氣一旦停止供應，生命就結束。在氣壓為 760mm Hg(一大氣壓 1 atm)海平面的氧氣濃度為 21%，海拔越高，O2 氧氣濃度越低，生活在高海拔的居民，粒腺體已經適應低濃度 O2;但是居住在低海拔者一旦到了高山上，因無法忍受低 O2 就會發生高山症，嚴重者可因缺氧而死亡，就好比火爐缺氧火會熄滅一樣。
3. 高濃度 O2氧氣有毒性
a.
早產兒睡保溫箱的時間越長，產生眼毒性致失明的比例就越高，這是因為過度氧化產生過多OH●自由基而導致視網膜病變。也可能使神經細胞氧中毒凋萎而影響智力及引起注意力不集中症 ADD，適量導入 H2 則將可將 O2之毒性消彌於無形。
b.
長期使用高濃度 O2 氧氣的成人病患，也會因 OH●過量而引發肝、眼、腦毒性。
c.
在高壓艙中的純氧治療也有急性中毒的個案報導。預防之道就是做完高壓氧後，給予水電解氫 O2 氧氣吸入治療，消除因過度氧化而產生的 OH●自由基。
4. O2 氧代謝物:活性氧與毒性自由基
人體內之所以會產生活性氧，是因為有 O2 氧氣的源頭。需氧生物一旦 O2 氧氣中斷就沒有了活性，趨於死亡。O2 氧氣在體內的粒腺體中有助燃作用，幫助葡萄糖等燃燒，也就是氧化產生 ATP 能量電力，就好像發電機燃燒燃料而發出電力一樣。
O2 氧氣在氧化的過程中，產生了數十種 O2 氧代謝物。按照 O2 代謝物毒性之有無大小來區分，O2 氧代謝物可被分為三類(見下圖)。
第一類：低濃度時無毒性，反而有好的生物活性效應，也就是有信號作用，如一氧化氮(NO)、過氧化氫(H2O2)等，被稱為有生物活性的活性氧。
第二類：有強烈毒性，無特殊生物活性，如羥自由基(OH●自由基)、硝酸根離子(NO3-)、亞硝酸根離子(NO2-)等，被稱為有毒性的自由基(見下圖)。
第三類：只是 O2 氧的代謝物，既沒有信號作用，也沒有毒性作用，這類活性氧較少被討論。
O2 氧化代謝物的種類
自由基與其氧化壓力(ROS)強度
為方便讀者辨認及記憶，我們在中道自然醫學的範圍內，特地用「活性氧」來稱呼低濃度時無毒性的第一類 O2 氧代謝物，至於有強烈毒性的第二類活性氧，則稱之為「自由基」。
粒腺體(細胞內發電內燃機)在燃燒各種燃料(葡萄糖、脂肪酸、胺基酸)，生產電力時，難免會產生一些廢棄物，其中對人體毒性最強的廢棄物就是「羥自由基」(OH● Hydroxyl Radical)。在本書中，大部份都寫成「OH●自由基」。
在 O2 氧氣供應充分的條件下，一個葡萄糖分子可產生 36 個 ATP;O2 氧氣若越不足，燃燒就越不完全，能產生的 ATP 就越少，燃燒不完全的悶燒，像汽、機車引擎故障一樣，產生的黑煙廢氣就越多(見下圖)。
機車燃燒不完全冒黑煙
正常情形下，只有 2%的 O2 氧氣會被轉換成 OH●自由基，但 O2 氧氣一旦不足，由 O2 產生的 OH●自由基也就更多(圖)，OH●會攻擊正常細胞，引起細胞發炎，而「發炎」又是所有疾病的源頭，「癌症」也是持續不斷發炎的結果。有許多致癌物質進入人體後，就是透過啟動NFKB 因子的發炎程序而產生癌症的。
O2氧氣在人體內燃燒會產生OH●自由基
並非所有活性氧都是毒自由基，有些活性氧只要濃度不過高，其實是好的活性氧，好的活性氧可發揮信息調節作用，但有些活性氧則是百害而無一利的毒素分子，如 OH●自由基，硝酸根陰離子和亞硝酸根陰離子等。人若過度使用腦力體力，或處於高壓力環境中，覺得過度疲累時，就表示已經過度氧化了。這時測量體內的有毒自由基，就會超過上限。
四、 氧化還原反應與抗氧化
1. H2 氫氣是捨身成仁的俠客
化學物質之間的化學反應，其實就像是「電子爭奪戰」，而我們把失去電子的一方稱為被「氧化」，而把得到電子的一方稱為被「還原」。例如:O2 氧搶了 H2 氫的電子，因此是 O2 把 H2 氧化掉，反之，H2 把電子給了 O2，就是 H2 把 O2 還原掉了。H2 把電子給了 OH●自由基，所以是 H2 把 OH●還原掉。
OH●既然還欠一個電子，成為喜歡搞破壞的壞蛋，那我們就投其所好，由呼吸道直接吸入水電解H2 氫氣+ O2 氧氣，給它一個來自 H2 氫氣的電子吧!OH●喜歡氧化別人，而 H2 又喜歡被氧化，剛好把它們送作堆。如果站在 H2 氫分子的立場來看，實際上 H2 也不是真的喜歡被人氧化，而是它喜歡還原別人，即 H2 把 OH●自由基給還原了。這就是「內源性抗氧化」的真諦，也就是在 OH●壞自由基發生的那一瞬間，H2 就把它給還原掉，不讓它有機會向細胞搶電子(錢)。
H2 的作用，好比捨身成仁的俠客，見到老虎(OH●)要吃人(細胞)，就衝向老虎把自己肉身(電子)餵飽了老虎，老虎吃飽了就不想吃人了(再也不會傷害到正常細胞)。
不論如何詳細解說，氧化還原作用還是有些抽象，但我們做一個鐵釘是否生銹的實驗，就很容易理解了。把鐵釘放到兩個杯子中，一杯灌注入 H2 氫氣，另一杯則無(對照組)，觀察發現，沒有灌注H2 氫氣對照組杯內的鐵釘，二天後就開始生銹(見下圖)，有灌注 H2 氫氣杯內的鐵釘，則長保如新不生銹(見下圖)。
無加「氫」的泡水鐵釘兩天後產生鐵鏽
有加「氫」的泡水鐵釘不會生鏽
2. 抗氧化物
所謂「抗氧化物」，並不是說它會阻止 O2 氧氣發生作用產生 ATP 能量。抗氧化物的真義，是指某些能夠提供電子給缺少電子的自由基之物質，有能力滿足自由基的需求，使它不再去搶細胞的電子(見下圖)。OH●自由基的外層軌道只有 7 個電子，距離穩定狀態(8 個電子)還欠缺一個電子。
抗氧化物的外層軌道則有多餘(比 8 個多)的電子，剛好滿足欠缺一個電子的自由基之需求。使自由基轉變成穩定的化合物，不再是自由基。這就是所謂的「抗氧化物」。
人體內毒性最強的自由基，就是 OH●自由基(見下圖)，有很多種食物中的抗氧化物都可以提供多餘的電子給 OH●自由基。但那些來自食物中的外來自由基，除了還原 OH●自由基之外，也可能把有些好的活性氧也還原掉。唯有由腸道菌自行產生的 H2 氫氣具有專一性，H2 只針對 OH●，把 OH●自由基還原成 H2O 水。這就是為什麼 H2氫氣被稱為天然「高選擇性內源性抗氧化物」的由來。由電解水而來的 H2氫氣，在化學上與腸道菌所產生的 H2氫氣是完全一樣的。
OH●自由基
自由基與抗氧化物
「H2 氫氣是最強效的抗發炎藥物」這句話可不是隨便說說的，而是有深厚化學基礎根據的。但由於民智未開，以氫氣來治療疾病及養生和抗衰老的風氣尚未成熟，每當我們告知患者，中道自然醫學是不開抗發炎藥物的，而是開 H2 氫氣來當作抗發炎藥物，幾乎每個人聽了都一臉茫然、錯愕、覺得不可思議的樣子，好像聽醫師在講外星語。因此不得不在此章節利用較多的篇幅及淺顯易懂的口語來說個明白。
3. 高選擇性內源性抗氧化
所謂內源性抗氧化，就是在有害 OH●自由基產生之瞬間，就將之還原中和成水，而不是等到傷害已造成再來補救;人體所需要的 H2 氫氣，乃是由大腸中有益菌所生產供應的，因此人體本身就有這種自行消除有害 OH●自由基的能力，這就是內源性抗氧化能力。吸入由純水電解而來的 H2氫氣，只不過是強化原本就有的反應而已。吸入水電解 H2 氫氣時，同時也會吸入較高濃度的 O2 氧氣，因為水(H2O)是由氫(H)及氧(O)原子組成的穩定化合物。H2O 水電解後會同時分解成 H2 氫氣及O2 氧氣(2H2O 2H2+O2)。
人只要吸入 2%的 H2氫氣，即可迅速使血液中的 H2氫氣濃度升高，H2氫氣是宇宙間最小的分子，H2 氫分子不必經由任何載體(如紅血球 RBC)運輸，即可迅速擴散到人體每一個角落(見下圖)。
人呼吸 1%~4% H2 氫氣前後血液 H2 氫氣濃度( umol/L)的變化
所謂高選擇性抗氧化，係指活性氧並非都是不好的，例如一氧化氮(NO)及過氧化氫(H2O2)，在低濃度時有很好的生物活性作用，H2 不會把上述的好活性氧都還原掉，而只是選擇性還原具有強烈毒性的 OH●自由基。(OH●自由基也是一種具有活性的 O2 氧氣代謝物)。
H2 氫氣在人體內的作用，是上天早就設定好的宇宙方程式，H2 氫氣並非只有能力還原 OH●有毒自由基而已，其實它對任何不利於人體的自由基，都可以還原掉。這是上天早就安排好的，但為了避免混淆視聽，在說明上只好單一突出 OH●自由基的重要性。人類自以為很有學問，其實對於自己身體的謎團，根本就是一無所知。有毒自由基真的只有被探索到的那幾種嗎?天曉得!
過度氧化產生過多自由基，就會引起過度發炎及衰老。H2 既然能消除毒性自由基，那麼它對抗發炎抗老化方面的重要性就不言而喻了。
有許多業者強調某些食品具有抗氧化作用，其實那些都屬於外源性抗氧化範圍，效果較不明顯。
效果最直接快速又無副作用的高選擇性內源性抗氧化物，首推 H2氫氣。
吃下抗氧化能力強的外源性抗氧化物質，如維他命 C、胡蘿蔔素、維他命 E 等等，它們的抗氧化能力雖強，但因不具選擇性，常把好的活性氧也對抗掉，反而對人體不利。
五、 H2氫氣之劑型及氫製劑標準
1. 劑型
世界各國都全力發展氫分子醫學，目前所常見之使用劑型簡介如下：
a.
高壓鋼瓶貯存 H2 氫氣，由鼻吸管吸入。
b.
純水經高壓低電流電解，成為 H2 氫氣+O2 氧氣，製造好立即使用，不需貯存槽，安全性高。
優點為出氣量大效果快，每次使用成本低。
c.
純水經低電壓 (2.5~5 伏特) 高電流電解成，成為純 H2 或 H2+O2，供人直接吸入。
d.
氫水：把 H2 氫氣溶解入水中飲用。
e.
氫水注射：把 H2 氫氣溶入生理食鹽水中靜脈注射。
2. 水素水製品自主認定制度(日本大阪水素水協會)
a. 目的
關於水素水製品，部份企業生產的水素水在水中水素溶存量極端稀少，溶存量多寡也無統一標準。此一事實已引起消費者的不安。為了水素水應用的健全發展及對人體保健的功效，特別訂定本標準。
b. 評價項目之認定基準
(i) 溶存水素量認定基準
(ii) pH 值(水素負離子濃度)基準
(iii) 有害物質含有基準
3. H2 的水溶解度
資料整理人：胡淼琳榮譽特聘教授 中興大學食品暨生物科技系
依據：日本學者太田成男教授 2014 年的 review paper，H2 在水中的飽和溶解度為:1.6 mg/L. Shigeo
Ohta， Molecular
hydrogen as a preventive and therapeutic medical gas: initiation， development and potential of hydrogen medicine. Pharmacology &
Therapeutics 144 (2014) 1–11.P. 3. Section 4.3. H2 can be dissolved in water up
to 0.8 mM (1.6 mg/L).
換算成%，1.6 mg/L = 0.16
mg/100 mL = 0.00016g/mL or 0.00016%
換算成 molarity: 1.6 ÷ 2 = 0.8 mM.
計算：在 15°C時，H2 的水溶解度約為 0.0017 g/Kg 水，換算成%
= 0.00017 g/100 mL =
0.00017% 而非 0.017%(後者大了 100 倍)
換算成 Molarity:0.0017 g/Kg = 1.7 mg/L 水
1.7 mg ÷ 2 = 0.85 mM
註1：0.00017%與下表 H2 的水溶解度約為 0.00016%相當。
註2：日本進口的富士山水素水(富氫水)標示的 H2 含量為;1.05 mg/L，
等於 0.105 mg/100 mL = 0.000105 g/100 mL = 0.00010%
換算 Molarity = 1.05 mg/L 水，H2 氫氣的分子量為 2， 故 1.05 mg ÷ 2 =
0.53 mM
此一數字(0.53 mM)與 H2 的 15°C最高溶解度 0.85 mM 相近
Solubility of Oxygen -
O2 - in Water
計算：在 15°C時，O2 的水溶解度約為 0.05 g/Kg 水，換算成 Molarity = 50 mg/L 水
氧分子的分子量為 16，故 50 mg ÷ 16 =
3.13 mM
換算成% 0.05 g/Kg 水 = 0.005 g/100 mL = 0.005%
註3：0.005%與下表 H2 的水溶解度 0.0043%相當。
資料來源 2：
下表的參考資料 Reference:
G.W.C. Kaye and T.H.
Laby， "Tables of
Physical and Chemical Constants，" 15th ed.， Longman， NY，1986，
p. 219. www.wiredchemist.com/chemistry/data/solubilities-gases
Solubilities of Gases
in Water at 293 K
備註：
1.
H2 氫氣對人體之效果與其濃度有關，以經鼻吸管吸入之 H2 氫氣有效濃度最高。
2.
H2 氫氣若使用容器來儲存，會有安全上的顧慮。如果利用純水電解成 H2 氫氣，電解出來即用掉，就安全無虞了。由於 H2O 水是由兩個 H 及一個 O 組成，因此水電解所生成的 H2+O2 氫氧雙合氣體中，H2 佔 66%，O2佔 33%。
3.
只要 O2 氧氣濃度足夠，H2 氫氣濃度並無嚴格上限。國際上普遍認為吸入氣體中 H2 氫氣只需佔2-4%就有療效，個人主張在提高 H2 氫濃度的同時，也提高 O2 氧氣農度，使 N2 所佔比例降低為最理想搭配，高濃度 H2 與低濃度 H2 吸入相比較，前者達到同樣效果所需要的時間比後者短。
4.
H2 氫氣曾長期被用來取代空氣中佔 78%的 N2 氮氣，灌在高壓鋼瓶中，作為潛水用氣體，已經被證明對人體完全安全，沒有任何副作用。若在常壓中吸入較高濃度的 H2，因被空氣中佔的 N2 及O2 稀釋掉，能進入人體的 H2 其實很有限，這就是為什麼說：只要 O2 氧氣濃度夠高，H2 氫氣濃度無嚴格上限的理由。超過身體需要量的 H2，會自呼氣或全身皮膚飄散，不會累積在體內。
5.
H2 氫氣分子極小，可迅速穿透塑膠容器，亦可穿透鋁箔包裝袋。因此氫水製成後保存期限極短，需儘快飲用。
生酮飲食臨床療癒體驗 作者：王群光醫師 電子書
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