氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

氢气密度是多少(氢元素的奇怪形态)

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。

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 举报,一经查实,本站将立刻删除。

(0)
上一篇 2023年1月28日 下午4:18
下一篇 2023年1月28日 下午4:22

相关推荐

  • sip和sop的区别(sip和sop表示什么)

    SIP与SOP的区别 我们将从以下三点说明SIP与SOP的区别: 一、定义 SOP(Standard Operating Procedure)——标准的操作指导书。这是给操作者使用的作业标准。是作业人员的工作准则,将作业人员的工作予说明与规范,以达到作业的一致性与标准性。 注:有些公司称为(意为工作指导);我们所说的 WI Work …

    2022年12月15日
    290
  • 当事公司回应女生实习每天剥玉米是怎么回事?

    摘要:由于暑期的来到,很多学生运用暑假去实习,锻炼自己的从而能挣些零花钱,还能在大学毕业以前多积攒一些社会发展社会经验。这类心理状态刚好拿了许多黑心组织或是企业贪便宜的机遇,喊着

    2022年9月9日
    750
  • win7自动关机怎么办(电脑自动关机是什么原因)

    正在使用电脑,突然自动关机。如果没有及时保存好资料,我们辛辛苦苦写的资料就会付诸东流。电脑自动关机是什么原因?其实主要是以下这4个方面的原因。你可以根据下面不同的原因来对症下药,寻找解决电脑自动关机的最好方法! 操作环境: 演示机型:华为笔记本Mate Book 14系统版本:Windows 10 一、病毒原因 电脑总是自动关机,其中一种原因就是电脑中病毒了…

    2023年1月27日
    160
  • wifi直连是什么意思(手机的wifi直连功能怎么用)

    不知道大家有没想过,出门用随身WiFi上网,以后再也无需移动电源,无需充电仓,只要将随身WiFi直插手机来使用,就可实现随身上网。 现代人出门,身上携带的东西越来越少,很多时候,基本就是一个口袋的数量,这可能就一部手机、或者一支口红、或者一包纸巾,所带物品不能太大、不能太重。 当我们出门有专业上网需求时,我们只需要一部手机和一台品速·真直连手机·随身WiFi…

    2023年10月13日
    120
  • 附件在落款前还是落款后(先落款还是先写附件)

    机关工作的同志们在制作文件的过程中,经常会遇到印发正文后带附件的文件情况。有的时候处理不当,挨批不说,还会闹笑话。为此,笔者专门请教了多位经验丰富的行家,在这里给大家分享一下文件附件的处理技巧。 1. 附件的位置应当放在哪里? 文件若有附件,应当在文件的正文之下、落款之上设置附件的位置。附件在正文下空一行、左边空2个字敲上“附件”2字。附件后敲上冒号(注意是…

    2022年12月11日
    1.2K0
  • 天津一家居广场关联252例阳性(天津划定部分区域静态管理)

    近日,天津出现了新一轮疫情,其中梅江灯饰家具广场的关联疫情已经累计报告了252例阳性感染者,除了梅江灯饰家具广场外,滨海新区的关联疫情也是传播风险比较大的,下面大家就和发迹号小编一起了解一下天津一家居

    2022年9月29日
    730
  • 古风歌曲最好听的前十名(最好听的十大古风歌曲)

    在这个快节奏的时代,古风音乐成为了不少人放松心情、追寻内心的选择。今天我给大家分享最好听的十首古风歌曲,带你一起穿越时光,感受音乐的魅力。无论是喜欢欢快的节奏还是深情的旋律,这里都有适合你的歌曲。让我们开始音乐之旅吧! ## 1.《山水之间》- 周深 《山水之间》是周深演唱的一首爽朗古风歌曲。歌曲以优美的旋律勾勒出山水之间的美景,令人顿生向往之情。周深温柔的…

    2023年12月25日
    80
  • 手机令牌动态密码在哪(手机令牌动态密码是什么意思)

    DNF已经是一款十年的老游戏了,从游戏开始就伴随着各种各样的骗局以及盗号狗的存在,并且至今依然存在,相信很多玩家都有过被洗号的经历,被洗号也非常痛苦,在95版本的今天,DNF里几乎没有不被盗的道具,狗眼换门票,魔岩石换卡片,如果只是金币和其他可购买的道具被盗,还有弥补的机会,但如果是团本材料被换掉,那付出的时间是回不来的。今天大师兄就给大家提醒一下,需要格外…

    2022年12月23日
    360
  • 淘宝双十一战队怎样退出?(2020双十一超级星秀猫怎么退队)

    2020双十一超级星秀猫怎么退队?在每年的11月左右是各大购物平台的双十一活动举办时间,再次期间,淘宝天猫每年都会推出一个瓜分红包玩法,2020年就是超级星秀猫,那我们在超级星秀猫加入队伍之后,该怎么

    2022年10月13日
    470
  • 订婚后多久可以领证(订婚怎么哪些是要注意的)

    订婚是每个人都需要经经历的,但由于大多数人的一生中只会经历一次,因此无论从订婚婚的日字、订婚的流程以及属相都会做到事无巨细,下面小编就和大家一起看看订婚后多久可以领证。订婚后多久可以领证看地方讲究。其

    2022年9月3日
    430

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

关注微信