如果有人问你,氢是什么形状的?你一定会骂他神经病:“氢是气体,哪来什么形状?!”
氢只是气体吗?显然不是,它有气态、液态和固态。
氢只有这三态吗?你又错了!氢还有原子态、离子态、等离子体态、金属态和泥浆态。
“泥浆态?!”没错。
今天我们就来讲讲氢丰富的形态。
气态氢
地球表面自然界中的氢极少,它在地球大气中的含量仅有0.0001%,所以我们很难找到游离态的氢。氢气是最轻的气体,因为密度只有0.08988g/L,它们都逃逸到大气层的上方,有一些被太阳风吹到了太空中。
正因为氢气很轻,以前它经常被用来给气球充气,好让它有足够的浮力飞上天。
最新探测结果表明,地球大气层外围主要是氢和氢气
在一个大气压下,氢在-252.879°C就开始沸腾,变为气体氢,所以我们一般看到的氢都是氢气。它由两个氢原子组合成H₂,这两个氢原子之间的距离为74.14pm,我们知道氢原子的直径是1.1Å,1Å=100pm,这意味着当两个氢原子组成氢气分子时,它的外层1s轨道的电子互相之间会有交叠。
氢气里的氢分子都是一样的吗?并不。
当两个氢原子相聚时,它们外围的那个电子有可能相互交叠在一起形成σ轨域,这时候两个电子会更多地出现在原子之间交连的区域;也有一种可能,两个电子“互不理睬”,这个时候两个电子出现在中间的可能性几乎为0,我们将其称为反键的σ*轨域。σ*轨域拥有的能级比σ轨域要高,所以一般来说氢分子形成σ轨域的可能性更大。
氢分子的σ轨域与反键轨域
除了外层电子轨域有可能不同,氢分子还会因为原子核旋转方向的不同而导致相互之间有差别。
氢的原子核只有一个质子,质子是带自旋的,当两个自旋方向相同的氢原子核组合时,它们组成的氢分子被称为“正氢”,而当它们旋转方向相反时,则被称为“仲氢”,氢分子的这种现象被称为旋转异构体。仲氢的能量低于正氢,在25K的低温下,仲氢的比例为99.01%;随着温度的上升,正氢与仲氢的比值逐渐趋向于3:1,当达到室温状态时,氢气中含有74.87%的正氢和25.13%的仲氢;因为正氢是氢气的激发态,你很难得到很纯的正氢。仲氢与正氢之间的转换很重要,生产氢气的化工企业使用催化剂来阻止仲氢的转换,这可以使液态氢气更少地挥发。
液态氢
由于氢气实在是太占地方,它不利于储存及运输,所以我们需要把它变成液态。当将氢气的温度冷却到-252.87℃时,我们就得到了像水一样的氢。
液态的氢像水一样,无色透明
液态氢由99.79%的仲氢和0.21%的正氢组成。在沸点以下,液态氢的密度仅为70.99g/L,比水要轻多了,因此它运输起来也很方便。
那么,将液态氢直接用于火箭燃料是不是合适呢?还不行,在氢氧火箭的燃料槽里,我们需要一种叫泥浆氢的东西。
泥浆氢(Slush hydrogen)
形象地说,泥浆氢就是在-259.14℃时氢的“浆糊态”,它介于液态与固态之间,有一定的流动性,但又不算是液体。
泥浆氢的优点很明显:它的密度要比液态氢高16~20%,这使得同样体积的燃料槽可以携带更多的燃料;它不是液体,不会晃荡;它不是固体,可以更快地输送到发动机里燃烧。
有这么多的优点,泥浆氢简直就是氢氧火箭的绝配。阿丽亚娜5型运载火箭
阿丽亚娜5型运载火箭芯级采用了氢氧发动机
固态氢与金属氢
固态氢就是金属氢吗?它们其实并不是一样的东西。
当我们将液体氢的温度继续降低,当达到-259.14℃(14.01K)时,氢跨过它的熔点,从液体变成了固体。固体氢的密度为0.086g/cm³,这是密度最低的固体之一。
还记得本文开头的那个问题吗?固体氢是有形状的,因为它是六角形紧密排列的晶体结构。
固态氢的六角形晶体结构
固态氢不是金属氢,金属氢是氢的一种特殊相。尽管氢处于元素周期表碱金属的最上端,但在正常条件下氢不具备碱金属的性质。相反,H₂分子氢的许多物理特性更像元素周期表第二行的非金属和卤族元素,比如氮气和氧气。
要怎么才能得到金属氢呢?当我们给氢气施加巨大的压力,直到压力达到400GPA时,氢才会显现出它的金属态。在强大的压力下,一部分氢的电子从它们原来的轨道脱离出来,成为类似自由电子的状态,这让氢具有导电性,并且,室温下的金属氢有可能是一种超导体。
用来压制金属氢的激光钻石砧
在实验室条件下,我们很难通过加压的手段制备固态金属氢,即便是使用昂贵的钻石砧,也只能给极少量的氢加压。2017年1月,哈佛大学的研究人员在《科学》杂志上宣布他们在实验室里利用495GPA的压力制成了一小块金属氢,这一度被誉为摘取了“高压物理学的圣杯”,但他们没有重复自己的实验。在外界的质疑声中,2017年2月,一个研究人员“不小心弄破了压着金属氢的钻石砧”,那块金属氢因为失压而“蒸发”了。
但在木星内部就不同了,据科学家们估计,木星表面巨大的气压会将它内部的液态氢全部压成金属氢,也就是说,在木星的大气层下方是金属氢的海洋。
木星大气层下方的灰色区域是金属氢的海洋
氢的原子态、离子态和等离子体态
氢在地球表面通常表现为分子态H₂,当我们给水通上直流电对其进行电解时,氢原子会直接在电极上组合成分子冒出泡来。美国宇航局曾试图将氢原子跟液态氦混合,当氦气蒸发时,让原子态的氢直接输入到火箭发动机里与氧气混合燃烧,据说这样可以将燃烧效率提高50%。
在太空中这完全不是问题,宇宙中的氢大多以原子态、离子态和等离子体的方式存在,分子态的氢气很少。这可能是因为宇宙空间极其广阔,氢原子很少有机会碰到一起的缘故。
在恒星内部,由于存在高温和高压,氢原子的外围电子被迫与原子核分开。这时候氢就变成了高温等离子体,实际上也就是一个个的质子。氢的这种等离子体在许多星云中也很普遍。
在星际空间更多的是HII,它通常是被宇宙射线电离的氢,这些HII区域十分巨大,它们的半径动辄达到数百光年,许多恒星都诞生在这些氢离子的云团里。
猎户座大星云是直径24光年HII云团,质量约为太阳的2000倍
值得注意的是“HII”并不是氢分子H₂,而是电离氢H⁺,也就是游离的质子,II在天体物理中表示单电离,我们需要将其与2区分开来。另外,在宇宙中还有一种质子化分子氢H₃⁺,它是宇宙中最丰富的离子之一,在星际介质的化学中起着重要的作用。相比之下,正氢分子离子H₂⁺在宇宙中非常稀少。
科学家们通过氢的发射光谱与吸收光谱来确定物质的构成与形态,因为每一种物质它发出来的光都是不同的。科学家具体是怎么做到的?我们以后会就这个问题专门进行讨论。
总结
我们今天将氢的基本形态简单做了介绍:
氢除了常见的气态氢分子H₂外,还有液态、固态和金属态。在液态与固态之间,氢还有一个独特的泥浆态,它就像是浆糊一样。
宇宙中更广泛存在的是氢的原子态、离子态和等离子态,这些形态的氢构成了恒星、星云和星际介质,它们也是宇宙中氢最多的存在形式。
氢在元素周期表中的位置
氢不仅有如此丰富的形态,它还有好几种同位素,这些核素在核工业中有重要的应用,我将在以后的文章中为你介绍。
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