Czy wodór jest metalem? – Nauka na żywo

Czy wodór jest metalem? – Nauka na żywo.

Wodór nie jest metalem na Ziemi, ale naukowcy kontynuują próby wytworzenia metalicznego wodoru pod wysokim ciśnieniem, aby odblokować nowy nadprzewodnik.

Co to jest błyszcząca rzecz, która przewodzi prąd? Odpowiedź jest zwykle metalowa.

Następnie jest wodór, który jest gazem bezbarwnym i bezwonnym. Przynajmniej na pierwszy rzut oka nie jest to pierwiastek wskazujący na właściwości metaliczne. Jednak od końca XIX wieku fizycy snuli teorię, że w pewnych warunkach może powstać metaliczny wodór.

Teorie te zyskały na popularności, częściowo ze względu na wszechobecną obecność metalicznego wodoru Układ Słoneczny. Wnętrze dla JowiszUważa się na przykład, że jest to wodór metaliczny, ponieważ intensywne ciśnienie wewnątrz gazowego olbrzyma spręża go w nadprzewodzący metal, tworząc potężne pole magnetyczne planety. Jednak na Ziemi trudności eksperymentalne sprawiły, że metaliczny wodór był poza zasięgiem przez prawie sto lat.

W 1935 roku fizycy Eugene Wigner, pionier fizyki ciała stałego, oraz Hillard Bell Huntington opublikowali książkę Artykuł w Journal of Chemical Physics Sugeruje się, że wodór może być metaliczny pod wysokim ciśnieniem. Założyli, że stanie się to przy ciśnieniu 25 gigapaskali (GPa), czyli 250 000 razy większym od ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza.

Eugeniusz GregoriańskiProfesor fizyki na Uniwersytecie w Edynburgu, który bada ekstremalne warunki, powiedział Live Science:

W rzeczywistości jest dużo wyższy.

Powiedział, że przewidywania Wegenera i Huntingtona dotyczyły minimalnego wysokiego ciśnienia potrzebnego do osiągnięcia stanu metalicznego.

Przez lata kilka grup badawczych potwierdziło jego istnienie kreatura metaliczny wodór, a ich wyniki wyjaśniono złymi pomiarami. A Badanie Uniwersytetu Harvarda 2017 W publikacji w czasopiśmie Science twierdzono, że powstał metaliczny wodór pod ciśnieniem 495 GPa, ale drażniono to Wątpliwości i debaty Ze względu na obawy dotyczące sposobu kalibracji pomiarów ciśnienia, modeli, z którymi porównywano swoje obserwacje oraz braku powtarzalności. „Jedyne dostarczone pomiary dotyczyły czterech wykonanych zdjęć [an] „IPhone” – powiedział Gregorianz.

Badanie z 2019 roku opublikowane w czasopiśmie Fizyka przyrody Donoszono, że wodór półmetaliczny ma ciśnienie 350 GPa.

Michaił EremetsNaukowiec eksperymentalny zajmujący się fizyką wysokich ciśnień, chemią i materiałoznawstwem w Instytucie Chemii Maxa Plancka w Niemczech powiedział Live Science:

Skompresowaliśmy go ogromnie, około 20 razy większy.

Te eksperymenty wysokociśnieniowe stały się możliwe dopiero po stworzeniu diamentowego ogniwa kowadełkowego.

Stosując tę ​​technikę, gęsty wodór lub gaz płynny ładuje się do małego pojemnika i spręża w dwóch Diament, najtwardszy znany materiał. Chociaż wodór ma tylko jeden elektron, w naturalny sposób tworzy H2, gdy dwa atomy wodoru są połączone razem przez dwa niesparowane elektrony, tworząc wiązanie kowalencyjne. Kiedy cząsteczki wodoru są ściskane, siła między dwoma atomami zaczyna wibrować niczym sprężyna. Częstotliwość tych drgań wzrasta, co oznacza, że ​​atomy zbliżają się do siebie.

W tym momencie odległość między atomami jest tak mała, że ​​cząsteczki zamieniają się w stały wodór. A Stan stały wodoru uzyskano w 1979 r Przy ciśnieniu 5,5 GPa i nieco wyższej temperaturze niż pokojowa.

Ale jeśli naukowcy podniosą ciśnienie, gdy przekroczy ono 33 gigapaskale, stanie się coś dziwnego: częstotliwość zacznie spadać, co oznacza, że ​​atomy oddalają się od siebie.

Badanie opublikowane w 1980 roku w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego Zauważyłem taki efekt. Naukowcy obliczyli, że jeśli ciśnienie będzie nadal rosło, wiązanie między atomami wodoru w końcu ulegnie zerwaniu, w wyniku czego powstanie czysty metal alkaliczny z jednym elektronem wartościowości, czyli zewnętrznym. Metale alkaliczne łączą się w ciałach stałych i dzielą elektrony walencyjne, aby przewodzić prąd. Z drugiej strony atomy wodoru w naturalny sposób tworzą cząsteczkę H2, która zawiera jedno z najsilniejszych wiązań w chemii, Gregorianie powiedzieli w e-mailu do Live Science. Tylko wysokie ciśnienie – takie jak przekraczające 33 GPa – lub niskie temperatury mogą rozerwać to wiązanie, tworząc metal alkaliczny. Metale alkaliczne, takie jak lit i sód, znajdują się w pierwszej grupie układu okresowego, tuż poniżej wodoru. Reagują z wodą tworząc mocne zasady lub zasady.

Ponad 40 lat później biznes był powolny. „Eksperyment jest naprawdę bardzo trudny” – stwierdził Eremets, ponieważ czasami diamenty pękają, nie można osiągnąć najwyższego poziomu ciśnienia lub nie można dokonać pomiarów na tak małych próbkach, których wielkość wynosi zaledwie kilka mikrometrów.

Nawet wtedy stały metaliczny wodór może nie być daleko, powiedział Gregorianz. Jego grupa badawcza i inni zaobserwowali ciemnienie próbki wodoru, co wskazuje, że „przerwa wzbroniona” maleje. Pasmo wzbronione to odległość między obszarem przewodzenia a pasmem walencyjnym. W obszarze przewodzenia elektrony poruszają się swobodnie i wytwarzają prąd elektryczny Encyklopedia edukacji energetycznej Z Uniwersytetu w Calgary.

W metalach przestrzeń pomiędzy obszarem przewodzenia a pasmem walencyjnym zachodzi na siebie i tworzy przewodzenie elektryczne.

„Właściwości tego stanu mineralnego [are] „Myślę, że jest bardziej interesujący niż sam metal” – powiedział Gregorianz. Jeden pomysł Przewiduje, że wodór będzie miał postać ciekłą w postaci metalicznej i może być nadprzewodnikiem.

Eremets stwierdził, że nowe nadprzewodniki są ważne, ponieważ obecne opcje są delikatne i działają tylko w bardzo niskich temperaturach. Nadprzewodniki są niezbędne w nowoczesnych technologiach, takich jak chipy komputerowe i maszyny MRI.

Gregorianie nie uważają jednak, że nadprzewodniki wodorowe będą wkrótce stosowane w przemyśle, ponieważ czysty metaliczny wodór przekracza obecne możliwości technologiczne.

Zamiast tego wielu naukowców, w tym Gregorianie, koncentruje swoje wysiłki na wodorkach, które składają się z metalu i wodoru. Są to wciąż małe próbki, ale wodorki w rzeczywistości tworzą nadprzewodniki, które działają pod ciśnieniami znacznie niższymi niż wymagane dla czystego wodoru. Gregorianie stwierdzili jednak, że presja ta jest nadal zbyt wysoka, aby można ją było zastosować w przemyśle. „Ale jako zjawisko fizyczne jest to bardzo fascynujące” – powiedział.

czyta Najnowsze wiadomości kształtujące rynek wodoru w Hydrogen Central

Czy wodór jest metalem? – Nauka na żywo. źródło