氢气可以以3种状态存在，即气态、液态和固态。下面就其特性分别加以叙述。
气体氢
通常情况下，氢气以气态的形式存在。其性质（物理属性、化学属性）、制备和储运将在后面的章节予以详细论述。
液体氢
在一定条件下，气态氢可以转化成液态氢。
我们先来看一下液氢的生产。氢作为燃料或作为能量载体时，液氢是其较好的使用和储存方式之一。因此液氢的生产是氢能开发应用的重要环节之一。氢气的转化温度很低，最高为20.4开，所以只有将氢气冷却到该温度以下，再节流膨胀才能产生液氢。
常温时，正常氢或标准氢（n-H2）含75%正氢和25%仲氢（正氢和仲氢是氢的两种同素异构体。一般认为分子是由两个原子的自旋方向的不同组合而成的。当两个原子核都顺时针旋转时，它们的自旋方向平行，就是正氢。当两个原子核自旋方向反平行时，则是仲氢）。低于常温时，正—仲态的平衡组成将随着温度而变化。在氢的液化过程中，生产出的液氢为正常氢，液态正常氢会自发地发生正—仲态转化，最终达到相应温度下的平衡氢。由于氢的正—仲转化会放热，这样，液氢就会发生气化；在开始的24小时内，液氢大约要蒸发损失18%，100小时后损失将超过40%。为了获得标准沸点下的平衡氢，也就是仲氢浓度为99.8%的液氢，在氢的液化过程中，必须进行正—仲催化转化。
液氢的生产通常有3种方法，分别是节流氢液化循环、带膨胀机的氢液化循环和氦制冷氢液化循环。节流循环是1859年由德国的林德和英国的汉普逊分别独立提出的，所以也叫林德或汉普逊循环。1902年法国的克劳特首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环，所以带膨胀机的液化循环也叫克劳特液化循环。氦制冷氢液化循环用氦作为制冷工质，由氦制冷循环提供氢冷凝液化所需的冷量。
从氢液化单位能耗来看，以液氮预冷带膨胀机的液化循环最低，节流循环最高，氦制冷氢液化循环居中。如以液氮预冷带膨胀机的循环作为比较基准，那么节流循环单位能耗要高50%，氦制冷氢液化循环高25%。所以，带膨胀机的循环效率最高，但流程简单，没有在低温下运转的部件，运行可靠，所以在小型氢液化装置中应用较多。氦制冷氢液化循环消除了处理高压氢的危险，运转安全可靠。但氦制冷系统设备复杂，因此在氢液化过程中应用得不多。
接下来我们来谈一下凝胶液氢（胶氢）。液氢虽然是一种液体，但是它具有与一般液体不同的许多特点。例如，液氢分子之间的缔合力很弱；液态范围很窄（-253℃～-259℃）；液氢的密度和黏度都很低；液氢极性非常小，离子化程度很低或者不存在离子化等。一般来说，液氢的物理性质介于惰性气体和其他低温液体之间。除了氦以外其他任何物质都不能溶于液氢。
液氢的主要用处是做燃料，液氢作为火箭燃料有下列缺点：
（1）密度低。符合固体推进剂密度为1.6～1.9克∕立方厘米，可储存液体推进剂的密度为1.1～1.3克∕立方厘米，而液氢的密度只有0.07克∕立方厘米；
（2）温度分层；
（3）蒸发速率高，造成相应的损失和危险；
（4）液氢在储箱中晃动引起飞行状态不稳定。
为了克服液氢的不足，科学家们提出，将液氢进一步冷冻，生成液氢和固氢混合物，即泥氢（slush hydrogen），以提高密度。或在液氢中加入胶凝剂，成为凝胶液氢（gelling liquid hydrogen），即胶氢。胶氢像液氢一样呈流动状态，但又有较高的密度。
与液氢相比，胶氢的优点表现在：
（1）安全性增加。液氢凝胶化后黏度增加1.5～3.7倍，降低了泄漏带来的危险性。
（2）蒸发损失减少。液氢凝胶化以后，蒸发速率仅为液氢的25%。
（3）密度增大。液氢中添加35%甲烷，密度可提高50%左右；液氢中添加70%（摩尔比）铝粉，密度可提高300%左右。
（4）液面晃动减少。液氢凝胶化以后，液面晃动减少了20%～30%，这有助于长期储存，并能简化储罐结构。
（5）比冲提高（比冲是内燃机的术语，也叫比推力，是发动机推力与每秒消耗推进剂质量的比值。比冲的单位是牛·秒∕千克），提高发射能力。
固体氢
固体氢具有许多特殊的性能，所以固体氢是科学家多年追求的目标。
如何制备固体氢呢？将液氢进一步冷却，达到-259.2℃时，就可以得到白色固体氢。
固体氢的用途主要表现在：
一是可以做冷却器。固体氢在特殊制冷方面可以发挥作用。有这样一个实例，它就是由于氢冷却器的失效而导致天文探测器失效的。
1999年3月4日，美国航空航天局发射了一颗名叫“宽场红外线探测器（WIRE）”的人造卫星。按计划这个重255千克的探测器将用30厘米口径的红外线望远镜研究星系的形成和演变过程。该望远镜是一台非常灵敏的仪器，需要一个使用固态氢的低温冷却系统。固态氢升华才能使它保持-267℃（近似绝对零度）的低温。原先设计只要该望远镜对准太空深处，装有固态氢的低温冷却系统就能够持续工作4个月。但是当控制人员向它发出一个指令导致卫星发生误动作时，固态氢提前升华，而且升华速度非常快，形成了一股气流，使卫星以60转/分的速率开始自旋，最后失灵。
二是高能燃料。物理学家指出，金属氢还可能是一种高温高能燃料。现在科学家正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中的飞行时间就能更长。
三是高能炸药。氢是一种极其易燃的气体，被压成固态时，它的爆炸威力相当于最厉害的炸药的50倍。目前还没有人在实验室里制成过这种固态氢，但它却一直是军事研究的目标。
那么固体氢在什么条件下会变成金属呢？在很高的压力下，分子固体氢可能成为金属态。
有计算表明，固体氢在300吉帕的压力下通过与分子相本身的谱带交叠应当会变成一种金属。现在，研究人员在高于这一压力，即在高达320吉帕的压力下获得了光谱测量结果。虽然仍没有发现金属氢，但是第一次观测到了带隙随密度的明显的定量变化。在这个压力下，氢完全变成了不透明状态，但这种所谓的“黑色氢”还不是金属。据预测，直接带隙的闭合应当在450吉帕左右的压力下出现，这是人们探索金属氢的下一个目标。
根据物理学理论研究可知，金属氢还可以在一定条件下转化为超导体。
大多数人都会奇怪，为什么有人会想起把氢变成金属呢？其中确实发生了一些有趣的故事。
1989年5月，美国华盛顿卡内基研究所的毛何匡和鲁塞尔·赫姆利宣布，他们用250万个标准大气压，把氢气压成了固体氢。这种氢不仅密度高（0.562～0.8克/立方厘米），而且具有金属导电性，是一种储能密度极高的能源材料。
氢在常温下本是一种不导电的气体，卡内基研究所怎么会想到要研究能导电的金属氢呢？原来，他们认定，在化学元素周期表中，氢和锂、钠、钾、铷、铯、钫都是同属ⅠA族元素，但除氢外，其他成员都是金属，因此气态氢有可能在高压下变成导电的金属氢。一是氢和锂、钠、钾等元素是同族元素，有“亲缘”关系；二是从金属的特性分析，氢有可能压成金属氢。
根据这种分析，毛何匡和赫姆利开始了实验。他们取来纯度很高的氢气，放在一个能承受极高压力的金刚石之间的密闭装置内，在-196℃的低温下逐渐加压到250万个大气压。结果发现气态氢从透明状态逐渐变成了褐色，最后变成为有光泽的不透明固体，导电性也发生了变化，由绝缘逐渐变成半导体，进而变成为导电体。于是他们于1989年5月初在美国地球物理协会上报告了这项实验成果。
但两年后有人对这一结果表示怀疑。美国科内尔大学的阿瑟·劳夫和克雷格·范德博格认为，毛何匡的实验容器内含有红宝石粉末，红宝石的主要成分是氧化铝。劳夫和范德博格认为，可能是氧化铝和氢气在高压下形成铝金属，而不是真正的金属氢。而且，毛何匡以后也没有再报道过研究金属氢的进展情况。
可见，制造金属氢的难度有多大，人们估计，有可能需要几代人的努力才能取得突破性进展。目前，美国、俄罗斯和日本等国都宣布过用高压技术观察到了金属氢的现象，但在压力卸除后金属氢又变成了普通的氢气。因此，尽管金属氢对人们有巨大的吸引力，但在常压下要得到稳定的金属氢，还要攻克许多难关。
不过，持乐观态度的科学家认为，这个问题总有一天会解决，因为石墨在高温、高压下变成金刚石后，就能在常温下长期稳定地存在。因此，尽管困难重重，科学家们仍以坚韧不拔的毅力在从事金属氢的研究。
毛何匡和赫姆利还认为，研究金属氢有两方面的意义：一是金属氢有希望成为高温超导体，还能做核聚变的燃料，即高能量密度而无污染的能源；二是金属氢的研究还有助于解决理论物理和天体物理中存在的一些长期未能解决的问题，例如天文学家在观察太阳系的土星、木星、天王星和海王星这些天体时，发现有金属氢核心，他们非常希望知道，在多高的压力和温度下氢会变成金属氢。
一旦金属氢问世，就如同以前蒸汽机的诞生一样，将会引起整个科学技术领域的一场划时代的革命。
金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，这样，受控核聚变反应使原子核能转变成了电能，而这种电能既是廉价的也是干净的，在地球上就会很方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”，人类将最终解决能源问题。
金属氢又是一种室温超导体，它将甩掉背在超导技术“身上”的低温“包袱”。超导材料是没有电阻的优良导体，但现在已研制成功的超导材料的超导转变温度多在-250℃左右，这样的低温工作条件，严重地限制了超导体的应用。金属氢是理想的室温超导体，因此可以充分显示它的魅力。
用金属氢输电，可以取消大型的变电站而输电效率在99％以上，可使全世界的发电量增加1/4以上。如果用金属氢制造发电机，其重量不到普通发电机重量的10％，而输出功率可以提高几十倍甚至上百倍。
金属氢还具有重大的军用价值。现在的火箭是用液氢作燃料，因此必须把火箭做成一个很大的热水瓶似的容器，以便确保低温。如果使用了金属氢，就可以制造更小而又十分灵巧的火箭。金属氢应用于航空技术，就可以极大地增大时速，甚至可以超过音速许多倍。由于相同质量的金属氢的体积只是液态氢的1/7，因此，由它组成的燃料电池，可以很容易地应用于汽车，那时，城市就会变得非常清洁、安静。
金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大30～40倍。因此，金属氢聚变时释放的能量要比铀核裂变大好多倍。伴随着金属氢的诞生必将会产生比氢弹威力大好多倍的新式武器。
目前，世界上的高压实验室已达100多个。我国已研制成功了能产生100万个标准大气压的压力机。我国成功研制的“分离球体式多级多活塞组合装置”能产生200万个标准大气压。近年来，中国等几个国家宣布已在实验室内研制成功了金属氢，这是人类在研究金属氢的道路上迈出的可喜的一步。而要使金属氢大规模投入工业生产，还有相当大的困难。但它已有力地推动和促进了超高压技术、超低温技术、超导技术、空间技术、激光以及原子能等20多门科学技术向着新的深度发展。
从理论上来看，在超高压下得到金属氢确实是可能的。不过，要得到金属氢样品，还有待科学家们进一步研究。
金属氢的出现是当代超高压技术创造的一个奇迹，也是目前高压物理研究领域中一项非常活跃的课题。
