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氢显然是非金属的,但是为什么科学家说木星内部有液态金属氢呢?

 昵称UZWbF 2020-03-10

氢确实属于非金属元素。所谓的金属氢只是指氢在一定条件下具有金属的性质。

氢属于非金属元素

氢在元素周期表中排名第一,因为它是原子量最小的元素,原子量为1,仅由一个质子和一个电子组成。氢在常温常压下是一种气体,是最轻的气体。氢分子由两个氢原子组成。氢通常以化合物的形式存在于地球上,例如水,它由两个氢原子和一个氧原子组成。

氢总共有三种同位素,即氪、氘和氚。氘的原子核包含一个质子和一个中子,也就是说,原子量是2。氚的原子量为3,原子核中有两个中子。氢通常被称为di,因为它占自然界氢总量的99.98%。

在宇宙中,氢是最丰富的元素,其次是氦。就质量而言,在宇宙之初,氢约占宇宙原子总质量的75%,氦约占25%。宇宙中有许多恒星,氢和氦的融合反应正在恒星内部进行。随着时间的推移,氢的比例会减少,氦和其他元素的比例会增加。木星和太阳一样,主要由氢和氦组成。

金属与非金属的区别

要理解金属氢是什么,我们必须首先理解金属和非金属的区别。金属和非金属的区别通常在于它们的物理和化学性质以及原子结构的不同。

元素周期表中有100多种元素,其中23种是非金属元素,80种是金属元素。从元素周期表的界面分布来看,金属元素主要分布在左下区域,非金属元素主要分布在右上区域。在常温常压下,除液态汞外,所有金属元素都是固体。除液态溴外,非金属元素为固态或气态。

上图显示液态金属汞。

上图显示液态非金属溴。

金属具有金属光泽和延展性,是热和电的良导体,密度高。非金属通常是热和电的不良导体,没有金属光泽,密度低。金属能导电的原因是金属中有大量的自由电子。

在化学中,我们利用元素原子获得和失去电子的能力来描述其金属或非金属性质的强度。原子的电子损失能力越强,金属性越强;具有较强电子能力的原子具有较强的非金属性。在氧化还原反应中,金属性质越强,还原性越强。相反,非金属性越强,氧化性越强。

金属或非金属元素与原子的外层电子有关。除少数金属外,其他金属原子的最外层电子数小于4,而非金属元素的最外层电子数通常大于4。

事实上,金属和非金属之间没有严格的界限,相变会在一定的温度或压力下发生。例如,锡是锡的同素异形体,在低温下会转化为非金属灰色锡。元素周期表中位于金属和非金属交界处的元素也称为准金属(准金属或半金属),通常是半导体,包括硅、锗、砷、锑等元素。

金属氢仅存在于超高压环境下

导电性和金属光泽是区分金属和非金属的重要属性之一。当氢在一定条件下具有金属性质时,它被称为金属氢。

早在1934年,科学家们就从理论上预测,氢作为主要的族元素,在极端条件下会表现出金属的特性。产生金属氢非常困难,因为氢只能在大约500万倍标准大气压的压力下转化成金属氢,而在地球上的实验室中产生如此高的压力并不容易。

上图显示了从固态氢到固态金属氢的相变过程

当氢被压缩时,它将从气态变成液态,如果压力持续,它将变成固态,从而形成金属氢。在正常情况下,两个氢原子通过共享电子形成氢分子。在超高压环境中,固态氢中氢的分子结构被破坏并转化为由氢原子组成的金属结构。简而言之,共价键在极端条件下会转化成金属键。此时,大量的自由电子在固体氢中形成,固体氢具有导电性,并且金属结构也赋予氢金属光泽,所以它被称为金属氢。

金属氢不再是正常的物质,而是一种退化的物质。由于原子间的距离被大大压缩,金属氢的密度比普通氢高许多倍,普通氢与液态水相似,约为每立方厘米1克。

金属氢分为液态和固态,液态金属氢中的质子没有晶格有序。地球上科学家生产的金属氢属于固体金属氢。液态金属氢的存在条件比固态金属氢更为苛刻,不仅需要更强的压力,还需要极高的温度。

金属氢是由质子和电子紧密结合而成的。它具有高密度的特点,并且含有大量的能量。然而,由于金属氢的存在条件极其苛刻,其应用前景目前非常渺茫。

木星内部压力极大,温度极高

木星是太阳系中质量和体积最大的行星,是其他七个行星总质量的2.5倍,属于气态巨行星。土星、海王星和天王星也是气态行星。尽管木星被称为气态行星,但它的内核仍然是固态的。木星主要由75%的氢和25%的氦组成。在超强重力的作用下,内部压力极高,金属氢可以完全存在。土星是太阳系第二大行星,与木星非常相似,也含有液态金属氢。

木星从外向内的结构是:气态氢、液态氢、液态金属氢、固态岩核。

木星中的金属氢之所以是液态的,是因为木星的内部压力极高,是地球大气压力的几千万倍,而木星的内部温度高达数万摄氏度。在这些条件下,金属氢只能以液体形式存在。

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