Metalik hidrojen üretmek, bilim adamlarının onlarca yıldır üzerinde çalıştığı karmaşık bir yoğun madde fiziği problemiydi. Böyle bir malzeme, oda sıcaklığında mükemmel bir süper iletken olarak hizmet etme kapasitesine sahiptir ve basınç bırakıldığında yarı kararlı özellikler sergileyebilir ve tıp ve roket bilimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir.
Harvard araştırmacıları metal özelliklerine sahip hidrojen üretmeyi başardılar. Ranga P. Dias ve Isaac F. Silvera tarafından yapılan dönüm noktası niteliğindeki bilimsel deneyin sonuçları geçen hafta dergide yayınlandı. Bilim .
Malzeme, ultra yüksek basınç ve düşük sıcaklık koşulları altında iki yapay elmas arasında bir moleküler hidrojen kabının sıkıştırılmasıyla oluşturuldu. Pres basıncı 495 GPa'ya, yani yaklaşık 5 milyon atmosfere ulaştı, sıcaklık ise eksi 270 santigrat dereceye düşürüldü.
Bu etkinin bir sonucu olarak, metallerin doğasında olan bir işlem meydana geldi - hidrojen atomları kristal kafese benzer bir yapıda dizildi ve elektron alışverişi yapmaya başladı. Araştırmacılar, 80 yıldan daha uzun bir süre önce hidrojenin metal durumuna dönüşme yeteneğini varsaydı. Metalik hidrojenin değeri, şu anda bilinen hiçbir malzemenin tam olarak sahip olmadığı özelliklerinde yatmaktadır.
Metalik hidrojenin yarı kararlı olduğu varsayılmaktadır. Uygulamada bu, normal çevre koşullarına döndürülse bile özelliklerinin değişmeyeceği anlamına gelir. Bilim adamları ayrıca metalik hidrojenin oda sıcaklığında bile süper iletken olabileceğini, bunun da enerjinin iletimi ve depolanmasında daha önce benzeri görülmemiş sonuçlara ulaşılmasına olanak sağlayacağını söylüyor.
Yakıt olarak metalik hidrojenin kullanılması, güçlü bir itme kuvveti yaratma ve devasa cihazları uzaya fırlatma fırsatı sağlayacağından, bilim adamlarının keşifle zaten ilgilendikleri bildiriliyor.
Bilim adamlarının artık metalik hidrojenin gerçekten yarı kararlı olup olmadığından emin olmaları ve onu büyük miktarlarda nasıl oluşturacaklarını öğrenmeleri gerekiyor, çünkü bilim camiasının tamamı deneysel sonuçlara ilişkin yorumlarıyla aynı fikirde değil.
Metalik hidrojen yüksek oranda sıkıştırılmış çekirdeklerden oluşur. Doğada bu madde gaz devlerinin ve yıldızların içinde bulunur. Hidrojen, Periyodik Tabloda alkali metal grubunun ilk sırasında yer alır. Bu bağlamda, bilim adamları bunun belirgin metalik özelliklere sahip olabileceğini varsaydılar. Ancak bu teorik olarak yalnızca aşırı basınçlarda mümkündür. Metalik hidrojenin atom çekirdekleri birbirine o kadar yakındır ki, yalnızca aralarında akan yoğun elektron sıvısı ile ayrılırlar. Bu, teorik olarak sonsuz yoğunluğa sahip bir madde olan nötronyumun yoğunluğundan önemli ölçüde daha azdır. Metalik hidrojende elektronlar protonlarla birleşerek yeni bir parçacık türü olan nötronları oluşturur. Tüm metaller gibi bu malzeme de elektriği iletme özelliğine sahiptir. Akım uygulandığında böyle bir maddenin metalleşme derecesi ölçülür.
Makbuz geçmişi
Bu malzeme ilk olarak 1996 gibi yakın bir tarihte laboratuvar koşullarında sentezlendi. Bu Livermore Ulusal Laboratuvarında gerçekleşti. Metalik hidrojenin ömrü çok kısaydı; yaklaşık bir mikrosaniye. Bu etkiyi elde etmek için yaklaşık bin derecelik bir sıcaklık ve bir milyondan fazla atmosfer basıncı gerekiyordu. Daha önce metalik hidrojen üretmek için çok düşük sıcaklıkların gerekli olduğuna inanıldığından, bu deneyi yapanlar için tam bir sürpriz oldu. Önceki deneylerde katı hidrojen, 2.500.000 atmosfere kadar basınca maruz bırakıldı. Aynı zamanda gözle görülür bir metalleşme yoktu. Sıcak hidrojen sıkıştırma deneyi, metalik hidrojen üretmek amacıyla değil, yalnızca bu koşullar altında malzemenin çeşitli özelliklerini ölçmek için yapıldı. Ancak bu tam bir başarıydı.
Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda üretilen metalik hidrojen katı halde olmasına rağmen bu maddenin sıvı halde de elde edilebileceği yönünde bir teori ortaya çıktı. Hesaplamalar, böyle bir malzemenin oda sıcaklığında süper iletken olabileceğini göstermiştir, ancak bu özellik henüz pratik amaçlar için geçerli değildir, çünkü bir milyon atmosferlik bir basınç yaratmanın maliyeti, parasal açıdan elde edilen malzeme miktarından çok daha yüksektir. Bununla birlikte, yarı kararlı metalik hidrojenin doğada var olabileceği küçük bir ihtimaldir. Uzmanlara göre, basınç olmadığında bile parametrelerini koruyor.
Gezegenimizdeki büyük gaz devlerinin çekirdeklerinde metalik hidrojenin var olduğuna inanılıyor. Bunlara Jüpiter ve Satürn'ün yanı sıra Güneş'in çekirdeğine yakın hidrojen kabuğu da dahildir.
METAL HİDROJEN- metalik özelliklere sahip bir dizi yüksek basınçlı hidrojen fazı. özellikler. Hidrojenin metalik hale geçme olasılığı. Aşama teorik olarak ilk kez 1935'te Yu. Wigner ve H. B. Huntington tarafından ele alındı [I]-^B, ayrıca metallerin elektronik teorisi yöntemleri geliştirildikçe, metalik durum seviyesi. Hidrojen fazları teorik olarak incelenmiştir. Şek. Şekil 1'de bu hesaplamaların sonuçlarının deneyle sentezlenmesiyle elde edilen faz diyagramı görülmektedir. ve teorik moleküler hidrojenin durum düzeyine ilişkin veriler. ATM'de. basınç ve düşük sıcaklıklarda hidrojen dielektrik formunda bulunur. moleküler kristal, artan basınçla kristalize bir geçiş vardır. metalik durum. Aynı zamanda sıcaklığa bağlı olarak M. v.'nin 3 aşaması mümkündür. sıcaklıkta T= 0 K ve basınç r = 300-100 GPa metalizasyona kristalin yeniden yapılanması eşlik eder. yapılar, H 2 ve metalik. kristal atomik hale gelir. Şu tarihte:
T>
Moleküler kristalin yapısı korunurken 10 K metalizasyon mümkündür (noktalı çizgi; bu tip metalizasyon daha önce iyotta gözlemlenmişti). Basınç veya sıcaklığın daha da artmasıyla metalik meydana gelir. faz ve sıvı bir atomik M. c oluşur. Metalik hidrojen
Metalik hidrojen
- yüksek basınçta olan ve bir faz geçişine uğramış hidrojenin bir dizi faz durumu. Metalik hidrojen, maddenin dejenere bir halidir ve bazı dikkate değer özelliklere sahiptir: yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik ve yüksek özgül faz geçiş ısısı. Uzun menzilli bir düzenin olmadığı metalik hidrojenin katı kristal ve sıvı fazının varlığı mümkündür.
Araştırmanın tarihi
1935'te Y. Wigner ve H. B. Huntington, hidrojenin yüksek basınç altında (yaklaşık 25 GPa) metalik duruma geçişini ve çekirdek tarafından bir değerlik elektronunun kaybını öngördü. Daha sonra, faz geçişi için gereken basınca ilişkin tahminler artırıldı, ancak geçiş koşullarının hala potansiyel olarak ulaşılabilir olduğu düşünülüyor. Metalik hidrojenin özellikleri teorik olarak tahmin edilmektedir. 1970'lerde başlayan bunu elde etme girişimleri, 2008'de M. Eremets ve 2011'de Eremets ve Troyan tarafından bir dizi deney yapılmasına yol açtı. Ancak metalik hidrojenin elde edilmesi konusunda şüpheler bulunmaktadır.
Katı metalik hidrojenin kristal kafesi, birbirlerine Bohr yarıçapından önemli ölçüde daha yakın, elektronların de Broglie dalga boyuyla karşılaştırılabilir bir mesafede bulunan hidrojen çekirdekleri (protonlar) tarafından oluşturulur. Böylece elektronlar protonlara zayıf bir şekilde bağlanarak tıpkı metallerde olduğu gibi serbest bir elektron gazı oluştururlar.
Sıvı metalik hidrojen
Sıvı metalik hidrojen, katı metalik hidrojenin eritilmesiyle oluşur. Normal basınçta ve 2,17 K'nin altındaki sıcaklıklarda sıvı olan helyum-4'ün aksine, bu koşullar altında sıvı metalik hidrojenin varlığı sorgulanmıştır. Yoğun şekilde paketlenmiş proton dizisindeki sıfır noktası titreşimlerinin enerjisi yüksektir ve kristal fazdan geçişin yüksek basınçlarda olması beklenir. Hidrojenin faz diyagramındaki maksimum erime noktasının N. Ashcroft tarafından incelenmesi, hidrojenin düşük sıcaklıklarda sıvı bir metal olduğu yaklaşık 400 GPa'lık bir basınç bölgesine izin verir. Egor Babaev, metalik hidrojenin yeni bir toplanma durumunu temsil edebileceğini öngördü: metalik süper akışkan bir sıvı.
Süperiletkenlik
Metalik hidrojen, oda sıcaklığına kadar olan sıcaklıklarda diğer malzemelerden çok daha yüksek olan süper iletkenliğe sahiptir.
Elde etmek için deneysel girişimler
Şok sıkıştırma: W. Nellis 2008 ve 2011 deneylerinde şok sıkıştırma deneylerinde metalik hidrojen ürettiği iddia ediliyor. Şok sıkıştırma. Elmas örslerde basınçla hazırlama.
Fiziğin diğer alanlarıyla bağlantılar
Dev gezegenlerin çekirdeklerinde metalik hidrojen bulunabilir.
Başvuru
Basınç kaldırıldığında metalik hidrojenin dielektrik duruma faz geçişinden açığa çıkan enerjiyi kullanan yakıt hücreleri önerilmektedir.
Ayrıca bakınız
Notlar
Wikimedia Vakfı.
2010.
Diğer sözlüklerde “Metalik hidrojen” in ne olduğunu görün: Metalik özelliklere sahip bir dizi yüksek basınçlı hidrojen fazı. özellikler. Hidrojenin metalik hale geçme olasılığı. Aşama teorik olarak ilk kez 1935'te Yu. Wigner ve H. B. Huntington tarafından ele alındı [I] ^B, yöntemler geliştirildikçe... ...
Fiziksel ansiklopedi A; m.Kimyasal element (H), oksijenle birleştiğinde su oluşturan hafif, renksiz ve kokusuz bir gazdır. ◁ Hidrojen, ah, ah. Verilen bağlantılarda. Askıya alınmış bakterilerde. B bombası (muazzam yıkıcı güce sahip bir bomba, patlayıcı etkisi ... ...
Erime noktası −259,2 °C (14,16 K), yoğunluğu 0,08667 g/cm³ (−262 °C'de) olan hidrojenin katı halde toplanması. Beyaz kar benzeri kütle, altıgen sistem kristalleri, P6/mmc uzay grubu, hücre parametreleri a = 0,378... ... Vikipedi
Magnezyum metalikum, Magnezyum metalikum- Mendeleev'in periyodik sisteminin 2. grubunun kimyasal elementi. Doğada manyezit, dolomit, karnalit, bişofit, olivin ve kainit formunda bulunur. Gümüş metal normal sıcaklıklarda, kuru havada, soğuk suyla oksitlenmez... ... Homeopati El Kitabı
Son zamanlarda iki bilim adamı, Mikhail Eremts ve Ivan Troyan, laboratuvar deneyleri sonucunda birçok fizikçi ve kimyacının başaramadığı bir şeyi yapmayı başardılar: metalik hidrojen elde etmek. Bilindiği gibi benzer durumdaki bu element, oda sıcaklığında süperiletken özellikler gösterebilmektedir. Bu nedenle keşif gerçek bir sansasyon haline geldi.
Sanırım çoğumuz, okuldayken bile, herkes tarafından bilinen ve bizim tarafımızdan çok sevilen hidrojenin neden periyodik tabloda iki grupta - I ve VII - bulunduğunu merak ediyorduk. Ve muhtemelen, bu soruyu bir kimya öğretmenine soran kişiler ondan bunun gerçekleştiğini öğrendi çünkü 1'lerin elektronik seviyesi ikiden fazla elektron içermediğinden, o zaman (bir taneye sahip olan) hidrojen atomu genel olarak umursamaz - için Kararlı bir elektron konfigürasyonuna ulaşmak için hem bir başkasının elektronunu kazanabilir hem de kendi elektronunuzu kaybedebilirsiniz.
Bu nedenle, metallerin yaptığı gibi (hidrojen halojenürlerin oluşumunda) bir elektrondan vazgeçebilir ve metal olmayanların yaptığı gibi (metal hidritlerin oluşumunda) başkasının elektronunu da kendine çekebilir. Dahası, deneyimlerin gösterdiği gibi hidrojen, alınmasından daha kolay bir şekilde verilir. Buna dayanarak, "özünde" hala metal olduğunu varsaymak mantıklıdır.
Ancak her şey o kadar basit değil, özellikle de bu elementin fiziksel özellikleri söz konusu olduğunda. Normalde, hatırladığımız gibi, hidrojen bir gazdır, ancak bu, normal koşullar altında metaller için tipik değildir; çoğunlukla katıdırlar (ve yalnızca bazen sıvılardır). Ek olarak, saf haliyle hidrojen bir dielektrik gibi davranırken, metaller normalde iletkendir. Buna dayanarak çoğu kimyager ve fizikçi bu gazı metal olmayan bir gaz olarak algılama eğilimindedir.
Ancak bazı bilim adamları, özel koşullar altında hidrojenin bir metalin olması gerektiği gibi davranmasının sağlanabileceğine inanıyor. 1935'te Amerikalı araştırmacılar Eugene Wigner ve Hillard Huntington, moleküler hidrojenin yüksek basınç koşulları altında (250.000 atmosfer civarında bir şey) metalik özellikler kazanması gerektiğini öne sürdüler. Üstelik hesaplamalara göre metalik hidrojen 200-400 K sıcaklıkta süper iletken duruma dönüşebiliyor (ve bu -73 ila + 127 santigrat derece arasında, yani oda sıcaklığı da bu aralığa giriyor!).
Bilim adamları ayrıca metalik hidrojenin yarı kararlı olabileceğini, yani basıncın kaldırılmasından sonra dielektrik özelliklere sahip normal gaz durumuna hemen dönmeyeceğini, ancak bir süre süper iletken olarak kalacağını buldular.
Gördüğünüz gibi, eğer insanlar bir şekilde metalik hidrojen elde etmeyi başarabilseydi, o zaman insanlık için normal sıcaklıklarda çalışan elektriksel süper iletkenler yaratma sorunu kesin olarak çözülmüş olurdu. Ancak sorun şu ki, doğada neredeyse böyle bir şey yok. Doğru, Jüpiter'in “kabuğunun” üst katmanlarında, bildiğiniz gibi basıncın çok yüksek olduğu yerlerde yeterli miktarda olabileceğine inanılıyor ama oradan alamazsınız. Bırakın Jüpiter'i, komşu Mars'a bile uçmamızın imkânı yok...
Bu nedenle bilim insanları uzun süredir laboratuvar koşullarında metalik hidrojen elde etmeye çalışıyor. Ancak bu deneylerde istenen "metalleşmenin" gözlemlenip gözlemlenmediği sorusu hâlâ tartışmalı; araştırmacılar ikna edici kanıtlar sunamadı. Dahası, bazı deneyler bunun tersini bile gösterdi; 100 K'nin altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilen son deneylerde, hidrojenin 300 GPa'lık bir basınç altında bile moleküler dielektrik durumunu koruduğu gösterildi. Yani bu kadar cehennem koşullarında bile inatçı unsur metal olmak istemiyordu.
Ancak geçen gün Mainz'deki Max Planck Kimya Enstitüsü'nden iki bilim adamı Mikhail Eremets ve Ivan Troyan'ın uzun zamandır beklenen metalik hidrojeni laboratuvar koşullarında elde edebildiği haberi tüm bilim dünyasını şok etti. Deneycilerin makalesinden de anlaşılacağı üzere (okuyabilirsiniz), elmas örs denilen şeyi kullandılar - uçları arasına bir yalıtım contasının yerleştirildiği iki elmas kristalden oluşan bir yerleştirme.
Deliğine ~10 çapında ve ~2 μm kalınlığında bir numune (sıkıştırılabilir bir kaptaki gaz) yerleştirildi. Direnci kaydetmek için ince (yaklaşık 50 nm çapında) elektrotlar ona bağlandı. Bundan sonra bilim adamları basıncı kademeli olarak artırdılar ve hidrojenin özelliklerindeki değişiklikleri izlediler. Bu arada, tüm bunlar oda sıcaklığında (yani 295 K veya 22 santigrat derece) gerçekleşti.
Deneycilere göre basınç 178 GPa'ya ulaştığında hidrojen ve yalıtım yastığı şeffaf kaldı. Ancak daha sonra 200 GPa'da numune kararmaya başladı, yani opak hale geldi (metale dönüştüğünün ilk kanıtı). Basıncın daha da artmasıyla birlikte, yaklaşık 234 GPa'da numune tamamen opak hale geldi ve 250 GPa'da ve hatta daha fazlasında ışığı yansıtmaya başladı (yani çoğu metal gibi parlamaya başladı).
Ayrıca 220 GPa'lık bir basıncın numunede elektriksel iletkenliğin ortaya çıkmasına yol açtığı ve basıncın 260-270 GPa'ya yükselmesinin iletkenlikte keskin bir artışa neden olduğu, bunun yeni bir seviyede stabilize olduğu ve pratik olarak değişmediği tespit edildi. basınç 300 GPa'ya yükseltildi. Fizikçiler, bir maddenin özelliklerinde meydana gelen bu tür bir değişikliğin, metalik duruma geçişin bir işareti olduğunu düşünüyorlar.
İlginç bir şekilde, benzer bir varsayım kontrol lazer ışınımı sırasında da doğrulandı: 260 GPa'ya kadar olan basınçlarda, helyum-neon lazerin numune üzerindeki etkisi dirençte bir azalmaya yol açtı ve bundan sonra ters etki verdi (bu genellikle bu koşullar altında metaller).
Sonunda başka bir şey değil, metalik hidrojen elde etmeyi başardıklarından emin olmak için Eremets ve Troyan, numuneyi 30 dereceye kadar Kelvin'e soğuttu. Direnç biraz artmasına rağmen numune elektrik iletkenliğini kaybetmedi. iletken kaldı. Metal fazın moleküler hidrojene ters dönüşümü ancak basıncın 200 GPa'ya düşürülmesiyle başladı.
Görünüşe göre Rus kökenli Alman fizikçiler Mikhail Eremts ve Ivan Troyan ilk kez metalik hidrojen elde etmeyi başardılar. Bu keşif birçok meslektaş üzerinde büyük bir etki yaratmış olsa da, deneyin doğruluğundan şüphe duyan şüpheciler de vardı. Bu deneylerde metal elektrotların ve epoksi reçinenin, sıkıştırma sırasında hidrojen ile etkileşime girebileceğini ve sonuçları büyük ölçüde bozabileceğini belirtiyorlar.
Ve Cornell Üniversitesi'nden (ABD) yetkili malzeme bilimcisi Arthur Ruoff bir tuhaflığa dikkat çekiyor - ona göre, metal numunesinin 30 K'ye soğutulduğunda direncinin yüzde 20'ye kadar artması çok şüpheli görünüyor! Tipik bir metalin bu koşullar altında ya azalması ya da çok daha ciddi bir artış göstermesi gerektiğini belirtiyor.