標籤:金屬氫

液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導電體、由於導電是金屬的特性,故稱金屬氫。 從理論上來看,在超高壓下得到金屬氫是確實可能的。不過,要得到金屬氫樣品,還有待科學家們進一步研究。 儘管目前還未把金屬氫拿到手,但理論工作者推斷,金屬氫是一種高溫超導體,是高密度、高儲能材料。

1金屬特徵

當我們看到一種金屬的時候,大家都知道它是金屬,因為金屬有一些不平常的性質。當金屬表面光滑時,它們反射光的效率很高,因此它們具有一種「金屬光澤」;但非金屬卻沒有很高的反射能力,因而具有一種「無光澤的顏色」。金屬容易變形,能夠製成金屬板和拉成金屬線;而非金屬在受到打擊時會被打碎,破裂或成為粉末。金屬易於導熱和導電,非金屬卻不能。

2相關差別

在多大數普通化合物中,例如在我們周圍,看得見的海洋里和土壤里的那些化合物分子是由原子所構成的,這些原子由於共同享有電子而緊密地保持在一起。這裡的每一電子都緊緊地被束縛在某一個原子或另一個原子上。當出現這種情況時,物質就表現出非金屬性質。
根據這種準則,氫是一種非金屬。普通的氫分子是由兩個氫原子構成的。每個氫原子只有一個電子,構成一個分子的兩個氫原子平均共享那兩個電子。沒有剩下的電子。
當一些電子不是牢固地受到束縛時會發生什麼情況呢?例如,我們看一看元素鉀吧。每個鉀原子都有19個電子,它們排列在4個殼層中,只有最外面殼層中的電子可供共享。在鉀原子的情況下,這就意味著它僅僅有一個電子可以為相鄰原子所共享。再則,這個最外面的電子被控制得特別松,因為在它和吸引它的中心原子核之間有另一些電子殼層,這些中間殼層把最外面的電子同中心引力隔開了。
在固體鉀中,原子緊密地結合在一起,就象我們有時在水果店裡看到的蘋果堆成角錐形那樣。每個鉀原子有8個相鄰原子。由於最外面的電子被控制得很松,而且許多相鄰原子又如此靠近,因而任何一個最外面的電子都易於從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。
可是,正是這些松而活動的電子,使得鉀原子有可能這樣緊密地結合在一起;使鉀有可能易於導熱和導電;也就使鉀有可能變形。總之,這些松而活動的電子使鉀(和其他元素以及含有這些元素的混合物)具有金屬性。
記住,氫像鉀一樣,僅僅有一個電子可以為相鄰原子所共享。然而,還有一個不同之處。在氫的一個(僅僅是一個)電子和中心原子核之間沒有起隔離作用的電子。因此,這個電子被控制得太緊了一些,以致不能進行足夠的運動來把氫轉變為金屬,或者迫使氫原子緊密地結合在一起。

3氫獲外力

但是,如果氫獲得了外力,那會出現什麼情況呢?如果氫不是由於本身電子的情況而是外界的壓力迫使它們緊密地結合在一起,那又會怎麼樣呢?假定有足夠的壓力把氫原子非常緊密地擠在一起,以致各個原子都被8個、10個甚至12個近鄰原子所包圍。於是,每個氫原子的單個電子,不管原子核有異常強的吸引力,就可能開始從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。這樣你就會得到「金屬氫」。
為了迫使氫這樣緊密地結合在一起,氫原子必須處在一種近於純粹的狀態中(其他種原子的存在會產生干擾),並且不是在太高的溫度下(高溫會使它擴張)。氫原子還必須處在巨大的壓力下。在太陽系中最接近於滿足這些條件的地方是在木星的中心,因此有些人認為,木星的內部也許是由金屬氫所構成的。

4用途

1936年美國科學家維那對氫轉變為金屬的壓力作了首次計算,提出了氫轉變為金屬的臨界壓力是在100萬到1000萬大氣壓的範圍以內。在世界各國正通過多種途徑來產生超高壓製取金屬氫。比較成熟的有兩種方法,一種叫動態壓縮法,即是從強磁場中採用快速衝擊壓縮,獲取高壓來製取金屬氫。另一種叫靜態壓縮法,即採用1000t重以上的壓力機或用將近10層樓高的水壓機來產生100~200萬大氣壓的高壓,壓縮液氫來製造金屬氫。

5先進性

為什麼人們如此費盡心血地來研製金屬氫呢?這是因為一旦金屬氫問世,就如同當年蒸汽機的誕生一樣,將會引起整個科學技術領域一場劃時代的革命。
金屬氫是一種亞穩態物質,可以用它來做成約束等離子體的「磁籠」,把熾熱的電離氣體「盛裝」起來,這樣,受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能,而這種電能將是廉價的又是乾淨的,在地球上就會方便地建造起一座座「模仿太陽的工廠」,人類將最終解決能源問題。
金屬氫又是一種室溫超導體,它將甩掉背在超導技術「身上」的低溫「包袱」。超導材料是沒有電阻的優良導體,但已研製成功的超導材料的超導轉變溫度多在零下250℃左右,這樣的低溫工作條件,嚴重地限制了超導體的應用。金屬氫是理想的室溫超導體,因此,可以大顯身手。
用金屬氫輸電,可以取消大型的變電站而輸電效率在99%以上,可使全世界的發電量增加四分之一以上。如果用金屬氫製造發電機,其重量不到普通發電機重量的10%,而輸出功率可以提高几十倍乃至上百倍。
金屬氫還具有重大的軍用價值。火箭是用液氫作燃料,因此必須把火箭做成一個很大的熱水瓶似的容器,以便確保低溫。如果使用了金屬氫,火箭就可以製造得靈巧,小型。金屬氫應用於航空技術,就可以極大地增大時速,甚至可以超過音速許多倍。由於相同質量的金屬氫的體積只是液態氫的1/7,因此,由它組成的燃料電池,可以較容易地應用於汽車,那時,城市就不再像現在這樣喧嘩、污染而變得十分清潔、安靜。
金屬氫內儲藏著巨大的能量,比普通TNT炸藥大30─40倍。伴隨著金屬氫的誕生必將會產生許多新式武器。

6製造歷史

從20世紀40年代開始,中、朝等國就投入了大量的人力、物力研製金屬氫。世界上的高壓實驗室已達100多個。中國已研製成功了能產生100萬大氣壓的壓力機。中國研製成功了「分離球體式多級多活塞組合裝置」能產生200萬個大氣壓。中國等幾個國家宣布已在實驗室內研製成功了金屬氫,這是人類向金屬氫邁出了可喜的一步。而要使金屬氫大規模投入工業生產,還有相當大的困難。但它已有力地推動和促進了超高壓技術、超低溫技術、超導技術、空間技術、激光、原子能等20多門科學技術向著新的深度發展。可以預言,大規模製造金屬氫的時代已為期不遠了。

7發現史

早在1935年,英國物理學家就預言,在一定的高壓下,任何絕緣體都能變成導電的金屬,只是,不同的材料轉變成導電金屬所需的壓力不同而已,有的材料,如磷,已能獲得導電體,但穩定的金屬氫樣品始終沒有得到。在蘇聯、日本、美國的幾個實驗室中,只在上百萬大氣壓的超高壓下得到了金屬氫,不過,一旦恢復常壓,氫又回復到初始狀態。判斷得到了金屬氫,依據是當處於高壓下時,它的電阻從10^8歐姆變為10^2歐姆(蘇聯人的數據),或從(1.26×10^12)歐姆降到10^2歐姆(日本人的數據)。

8可行性

從理論上來看,在超高壓下得到金屬氫是確實可能的。不過,要得到金屬氫樣品,還有待科學家們進一步研究。 儘管還末把金屬氫拿到手,但理論工作者推斷,金屬氫是一種高溫超導體,是高密度、高儲能材料。
已掌握的超導材料大多需在液氦(-269℃)冷卻下使用,這使超導技術的發展受到限制。金屬氫的超導臨界溫度(即體現超導性質主最高溫度)是-223--73℃,能夠在液氮(-196℃)溫度下使用這將大大推動超導技術的發展。
由於金屬氫是高密度材料,用它作燃料,火箭的體積和重量都會大大減小,航天事業將因此而產生巨大的飛躍。
和化學家不同,天文學家將氫和氦以外的一切元素統稱為金屬。在高溫和高壓條件下,氣態的氫也可以成為電導體的金屬氫。以木星為例:最外層是1000公里厚的氣態分子氫,再往下是24000公里厚的液態分子氫,再往下是45000公里厚的液態金屬氫。]

9總結

氫是人們最熟悉的化學元素。它在常溫下是一種氣體,在低溫下可以成為液體,在溫度降到零下259℃時即為固體。如果對固態氫施加幾百萬個大氣壓的高壓,就可能成為金屬氫。金屬氫的出現是當代超高壓技術創造的一項奇迹,它是高壓物理研究領域中一項十分活躍的課題。
氫在金屬狀態下,氫分子將分裂成單個氫原子,並使電子能夠自由運動。在金屬氫中,氫分子鍵斷裂,分子內受束縛的電子被擠壓成公有電子,這種電子的自由運動,使金屬氫具有了導電的特性。因此,把氫製成金屬,關鍵就是把電子從原子的束縛下解放出來。
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