明明氢是非金属元素，为何还有金属氢？

2023-03-10 11:07:45 来源：科普中国

出品：科普中国

作者：石雾遥

监制：中国科普博览

(资料图片)

你知道吗，木星的内部可能存在着大量的液态金属氢。

木星

（图片来源：Veer图库）

可是说起“氢”，大家的第一想法一定是它是种非金属元素，大家不免疑问：难道“氢”也有金属态？难道我们高中学习的知识出现了问题？

下面就让我们一探究竟。

大家好，我叫氢，氢氦锂铍硼的氢

作为元素周期表的排头兵，氢是最轻的元素，原子质量只有1.00794，用化学符号H来表示。氢原子的组成非常简单，只有一个原子核和一个核外电子。虽然组成简单，但是它的作用可不一般。氢是宇宙中含量最多的元素，占到原子总质量约75%。

氢元素

（图片来源：Veer图库）

在我们的生活中也时刻有着氢的身影。

小朋友玩耍的氢气球中填充的就是氢元素的单质氢气（H2），由于氢气的密度低，质量轻，因此靠浮力便可轻松地漂浮在空中，但是为了防止氢气球爆炸，一定要注意要远离火及高温的条件。除此之外，在许多化合物中都存在氢元素。比如维持我们生命活动的水（H2O）、淀粉（（C6H10O5）n）、葡萄糖（C6H12O6）等中都有氢。

在标准的状况下，氢确实是一种非金属元素，所以我们在高中化学中学到的知识也没问题。

但是在一定的条件下，金属氢也确实存在，让我们一起来看看吧！

氢气球

（图片来源：Veer图库）

金属氢是什么？

在元素周期表中，氢与金属锂、钠、钾、铷、铯为同一主族，因此当氢具有同主族金属元素的性质时，就可以称之为金属氢。

元素周期表

（图片来源：Veer图库）

标准状态下，两个氢原子靠共用电子对相互连接形成氢分子。当氢分子所处的环境压力逐渐升高时，氢会逐渐被压缩，由气态转换为液态，最后到固态。

当所处的环境变为极端的超高压条件时，氢分子之间的化学键会断裂，形成两个单独的氢原子，氢原子周围会有电子自由运动，即这种极端的环境将分子间的公用电子从束缚中解救出来了，氢便可通过自由电子发生导电等一系列金属的行为，即彻底地变成了金属氢。

金属氢是由氢原子组成，属于简并态物质。由于氢原子之间的距离在超高压的条件下被极大地压缩，因此金属氢的密度要比传统的氢分子密度大至少7倍。

研究表明，由于木星是太阳系中的超大气态行星，中心的压力可达到地球大气压的上百万倍，温度也可以达到上万摄氏度，因此金属氢存在于木星中。

木星

（图片来源：Veer图库）

我们可以制备金属氢么？

根据金属氢的制备条件得知，要想在我们生活的地球上制备得到金属氢是难上加难的，但是却被科学家们实现了。

要想得到金属氢，营造超高压的环境是必要的条件。早在二十世纪八十年代，科学家就发现在金刚石对顶砧装置上可以产生超高的静态压力。因此，他们尝试进行实验，在1989年发现，氢在此条件下，可以由透明态变黑，但是是否得到了金属氢还有待进一步证实。

近期，我国的科研工作者以金刚石对顶砧设备为基础，进一步结合了脉冲激光加热技术，最终营造了一种极端的超高压高温环境，实现了金属氢的成功制备。

金刚石对顶砧装置

（图片来源：参考文献3）

金属氢的用途

1.清洁能源

由于金属氢与氧气反应后得到的是水，因此可以作为一种清洁能源。同时，金属氢与其他的重金属相比密度较低，另一个重要的特征为金属氢极有可能是一种超导材料。因此，用金属氢制作大型的发电机，重量可减少9成，且输电的损失可减少至1%以下，电输出功率可至少提高几十倍。

发电

（图片来源：Veer图库）

2.炸药与航空推进剂

金属氢爆炸的威力可达到目前常用的TNT炸药的20倍之上。由此可见，金属氢若能被大批量制备，必然会是完美的航空推进剂。同时，也会在国防领域大有所为。

火箭发射

（图片来源：Veer图库）

金属氢在产能、输电、环保等方面都有着极大的使用优势。由此可见，金属氢在地球上的大批量制备必然会是突破性的成就，而我们也相信科技与创造终能改善人类的生活！

编辑：孙晨宇

参考文献：

[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] 陈良辰. 金属氢研究新进展[J]. 物理, 2004, 33(4):5.

[4] 周茂堂. 金属氢研究进展[J]. 材料研究学报, 1994, 8(004):289-296.

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