常溫下的超導(dǎo)體金屬氫

早在1935年，英國物理學(xué)家貝納爾就預(yù)言，在一定的高壓下任何絕緣體都能變成導(dǎo)電的金屬。科學(xué)家們通過不懈的努力，確實(shí)已經(jīng)獲得了很多這樣的導(dǎo)電體，如磷，但穩(wěn)定的金屬氫樣品始終沒有得到。直到最近，美國科學(xué)家宣稱研制出了“金屬氫”，這種常溫下的超導(dǎo)體引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

金屬氫之夢

在金屬狀態(tài)下，氫分子分裂成單個氫原子，并且其電子能夠自由運(yùn)動。在金屬氫中，氫分子鍵斷裂，分子內(nèi)受束縛的電子被擠壓成共有電子。這種電子的自由運(yùn)動，使金屬氫具有了導(dǎo)電的特性。因此，想要把氫制成金屬，關(guān)鍵就是把電子從原子的束縛下解放出來，把共價鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘冁I。

解決這個關(guān)鍵問題的方法是，讓氫原子在足夠大的外界壓力下緊密地結(jié)合在一起，使每個原子都被8個、10個甚至12個近鄰原子所包圍，每個氫原子的單個電子能夠擺脫原子核的吸引力，從一個原子滑到另一個相鄰的原子，這樣就可以得到金屬氫。

來自美國哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用合成金剛石（經(jīng)過特殊處理，不會破碎）制成高壓砧對氫氣進(jìn)行壓縮，施加相當(dāng)于490萬標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓≈101千帕），這壓強(qiáng)比地球中心處的壓強(qiáng)還大，從而使氫變成具有金屬特性的導(dǎo)電體，這就是被稱為“第五狀態(tài)氫”的金屬氫，即氫的固體金屬狀態(tài)。這是一種新的物質(zhì)形態(tài)，這種狀態(tài)的氫通常存在于大型行星或太陽內(nèi)核之中，它具有高密度、高儲能的特點(diǎn)。

廣泛的應(yīng)用前景

1. 建造“模仿太陽的工廠”：金屬氫是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，用它做成約束等離子體的“磁籠”，用以“盛裝”熾熱的電離氣體，進(jìn)行受控核聚變反應(yīng)，使原子核能轉(zhuǎn)化為電能。整個過程既廉價又清潔，或?qū)⒆罱K解決能源問題。

2. 輸電：可以取消大型變電站且輸電效率在99%以上，可使全世界的發(fā)電量增加25%以上。

3. 制造高效發(fā)電機(jī)：利用金屬氫制造的發(fā)電機(jī)重量不到普通發(fā)電機(jī)重量的10%，而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。

4. 用作強(qiáng)力火箭推進(jìn)劑：目前的火箭普遍采用液態(tài)氫作燃料，因此必須給火箭做一個很大的熱水瓶似的容器，以確保低溫。如果換用金屬氫，由于相同質(zhì)量的金屬氫的體積僅為液態(tài)氫的1/7，因此可以將火箭制造得十分小巧。此外，金屬氫的制備過程需要消耗大量的能量，如果將它轉(zhuǎn)化回氫分子，就會釋放出巨大的能量，這些能量也可以應(yīng)用于航天領(lǐng)域。因此金屬氫有可能成為人類已知的最為強(qiáng)大的火箭推進(jìn)劑。

5. 使燃料電池更加輕便：同樣利用金屬氫體積小的特點(diǎn)，可以將它用于燃料電池的制造。估計(jì)金屬氫能較容易地應(yīng)用于汽車燃料電池，城市將由此變得十分清潔、安靜。

6. 制造新式武器：金屬氫內(nèi)儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大25至35倍。金屬氫的誕生，必將導(dǎo)致出現(xiàn)許多新式武器。

雖然金屬氫的應(yīng)用前景十分廣泛，但令人遺憾的是，該團(tuán)隊(duì)日前稱由于操作失誤，金屬氫的樣本已不見蹤影。也有一些物理學(xué)家質(zhì)疑，或許金屬氫從未真正造出過。看來，人類想要打開超高壓技術(shù)領(lǐng)域的這扇大門，還需要做得更多，走得更遠(yuǎn)。

試一試

1. 金屬氫化物如氫化鈣（CaH2）、氫化鈉（NaH）是重要的制氫劑，它們與水接觸時，分別發(fā)生如下反應(yīng)：

CaH2 + 2H2O = Ca（OH）2 + 2H2↑

NaH + H2O = NaOH + H2↑

試回答下列問題：

（1）若某化學(xué)反應(yīng)消耗了10克氫氣，則它需要消耗多少克NaH？

（2）登山運(yùn)動員登山時需通過金屬氫化物與水反應(yīng)獲得氫氣，以得到必需的能量。對此，某同學(xué)認(rèn)為若用CaH2替代NaH，有利于登山運(yùn)動員減輕負(fù)擔(dān)，為什么？

2. 氫氣和氧氣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程，可用下列圖示微觀描述。

試回答下列問題：

（1）該反應(yīng)的化學(xué)方程式是什么？

（2）除化學(xué)方程式本身表示的意義外，從上圖中你還得到哪些關(guān)于物質(zhì)分類、組成結(jié)構(gòu)的信息（寫出兩條即可）？

活動館

自制會飛的氣球

器材：玻璃瓶、鋁箔紙、氣球、潔廁靈

步驟：在空玻璃瓶中倒入30毫升左右的潔廁靈，加入事先揉成小團(tuán)的鋁箔紙（可加入15個左右），將氣球套在玻璃瓶口上。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氣球逐漸變大，這樣就可制成會飛的氣球。

啟示窗

第四代核武器之一 — 金屬氫武器

如果固態(tài)金屬氫中存儲的化學(xué)能量在短時間內(nèi)全部釋放出來，就會產(chǎn)生爆炸性的效果，這時金屬氫就成為一種超高能炸藥，可以作為大規(guī)模殺傷性武器使用。金屬氫的爆炸威力相當(dāng)于相同質(zhì)量TNT炸藥的25至35倍，它是目前可以想象到的威力最強(qiáng)大的化學(xué)爆炸物。由于金屬氫武器的爆炸威力可以與核武器媲美，所以人們將它與聚變彈、反物質(zhì)武器、激光粒子束武器、核同質(zhì)異能素武器等正在研制中的新式武器并稱為第四代核武器。