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明明氫是非金屬元素，為何還有金屬氫？

時(shí)間：2023-03-10 10:34:10    來(lái)源：科普中國(guó)網(wǎng)    

出品：科普中國(guó)

作者：石霧遙

你知道嗎，木星的內(nèi)部可能存在著大量的液態(tài)金屬氫。


(資料圖片僅供參考)

木星

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

可是說(shuō)起“氫”，大家的第一想法一定是它是種非金屬元素，大家不免疑問(wèn)：難道“氫”也有金屬態(tài)？難道我們高中學(xué)習(xí)的知識(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題？

下面就讓我們一探究竟。

大家好，我叫氫，氫氦鋰鈹硼的氫

作為元素周期表的排頭兵，氫是最輕的元素，原子質(zhì)量只有1.00794，用化學(xué)符號(hào)H來(lái)表示。氫原子的組成非常簡(jiǎn)單，只有一個(gè)原子核和一個(gè)核外電子。雖然組成簡(jiǎn)單，但是它的作用可不一般。氫是宇宙中含量最多的元素，占到原子總質(zhì)量約75%。

氫元素

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

在我們的生活中也時(shí)刻有著氫的身影。

小朋友玩耍的氫氣球中填充的就是氫元素的單質(zhì)氫氣（H2），由于氫氣的密度低，質(zhì)量輕，因此靠浮力便可輕松地漂浮在空中，但是為了防止氫氣球爆炸，一定要注意要遠(yuǎn)離火及高溫的條件。除此之外，在許多化合物中都存在氫元素。比如維持我們生命活動(dòng)的水（H2O）、淀粉（（C6H10O5）n）、葡萄糖（C6H12O6）等中都有氫。

在標(biāo)準(zhǔn)的狀況下，氫確實(shí)是一種非金屬元素，所以我們?cè)诟咧谢瘜W(xué)中學(xué)到的知識(shí)也沒(méi)問(wèn)題。

但是在一定的條件下，金屬氫也確實(shí)存在，讓我們一起來(lái)看看吧！

氫氣球

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

金屬氫是什么？

在元素周期表中，氫與金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫為同一主族，因此當(dāng)氫具有同主族金屬元素的性質(zhì)時(shí)，就可以稱之為金屬氫。

元素周期表

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，兩個(gè)氫原子靠共用電子對(duì)相互連接形成氫分子。當(dāng)氫分子所處的環(huán)境壓力逐漸升高時(shí)，氫會(huì)逐漸被壓縮，由氣態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，最后到固態(tài)。

當(dāng)所處的環(huán)境變?yōu)闃O端的超高壓條件時(shí)，氫分子之間的化學(xué)鍵會(huì)斷裂，形成兩個(gè)單獨(dú)的氫原子，氫原子周圍會(huì)有電子自由運(yùn)動(dòng)，即這種極端的環(huán)境將分子間的公用電子從束縛中解救出來(lái)了，氫便可通過(guò)自由電子發(fā)生導(dǎo)電等一系列金屬的行為，即徹底地變成了金屬氫。

金屬氫是由氫原子組成，屬于簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)。由于氫原子之間的距離在超高壓的條件下被極大地壓縮，因此金屬氫的密度要比傳統(tǒng)的氫分子密度大至少7倍。

研究表明，由于木星是太陽(yáng)系中的超大氣態(tài)行星，中心的壓力可達(dá)到地球大氣壓的上百萬(wàn)倍，溫度也可以達(dá)到上萬(wàn)攝氏度，因此金屬氫存在于木星中。

木星

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

我們可以制備金屬氫么？

根據(jù)金屬氫的制備條件得知，要想在我們生活的地球上制備得到金屬氫是難上加難的，但是卻被科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了。

要想得到金屬氫，營(yíng)造超高壓的環(huán)境是必要的條件。早在二十世紀(jì)八十年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)在金剛石對(duì)頂砧裝置上可以產(chǎn)生超高的靜態(tài)壓力。因此，他們嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在1989年發(fā)現(xiàn)，氫在此條件下，可以由透明態(tài)變黑，但是是否得到了金屬氫還有待進(jìn)一步證實(shí)。

近期，我國(guó)的科研工作者以金剛石對(duì)頂砧設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)一步結(jié)合了脈沖激光加熱技術(shù)，最終營(yíng)造了一種極端的超高壓高溫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了金屬氫的成功制備。

金剛石對(duì)頂砧裝置

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

金屬氫的用途

1.清潔能源

由于金屬氫與氧氣反應(yīng)后得到的是水，因此可以作為一種清潔能源。同時(shí)，金屬氫與其他的重金屬相比密度較低，另一個(gè)重要的特征為金屬氫極有可能是一種超導(dǎo)材料。因此，用金屬氫制作大型的發(fā)電機(jī)，重量可減少9成，且輸電的損失可減少至1%以下，電輸出功率可至少提高幾十倍。

發(fā)電

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

2.炸藥與航空推進(jìn)劑

金屬氫爆炸的威力可達(dá)到目前常用的TNT炸藥的20倍之上。由此可見(jiàn)，金屬氫若能被大批量制備，必然會(huì)是完美的航空推進(jìn)劑。同時(shí)，也會(huì)在國(guó)防領(lǐng)域大有所為。

火箭發(fā)射

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

金屬氫在產(chǎn)能、輸電、環(huán)保等方面都有著極大的使用優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，金屬氫在地球上的大批量制備必然會(huì)是突破性的成就，而我們也相信科技與創(chuàng)造終能改善人類的生活！

參考文獻(xiàn)：

[1] Silvera I F , Cole J W . Metallic hydrogen: The most powerful rocket fuel yet to exist[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2010, 215:012194.

[2] Silvera, IF; Dias, R. Phases of the hydrogen isotopes under pressure: metallic hydrogen[J]. ADVANCES IN PHYSICS-X, 2021, 6: 1961607.

[3] 陳良辰. 金屬氫研究新進(jìn)展[J]. 物理, 2004, 33(4):5.

[4] 周茂堂. 金屬氫研究進(jìn)展[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 1994, 8(004):289-296.

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