Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Металли́ческий водоро́д - совокупность фазовых состояний водорода , находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход . Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и, по некоторым предположениям, может обладать некоторыми замечательными свойствами - высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и впервые синтезирован в лабораторных условиях в 1996 году в Ливерморской национальной лаборатории. Время существования металлического водорода было очень недолгим – около одной микросекунды.
История исследований
В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа или 250 тысяч атмосфер) и потерю валентного электрона ядром . В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к возможным эпизодам водорода в 1996, 2008 и 2011 году, однако, имеются сомнения в достоверности получения металлического водорода.
Теоретические свойства
Переход в металлическую фазу
При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса , на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связываются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.
Жидкий металлический водород
Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка . Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4 , жидкого при температуре ниже 2.17 и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний , массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при еще более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах . В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.
Сверхпроводимость
Экспериментальные попытки получения
Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году
Эксперименты 2011 года
В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260-300 ГПа. , что вновь вызвало вопросы в научном сообществе .
Эксперименты 2015 года
Эксперименты 2016 года
В июле 2016 физикам из Гарвардского университета удалось получить в лаборатории металлический водород. В своей лаборатории физики наблюдали, как происходит превращение водорода из жидкого диэлектрика в жидкий металл. Чтобы довести вещество до такого состояния, его зажали между двух кончиков алмаза, размер которых не превышал 100 микронов, и нагрели с помощью коротких вспышек лазера, интенсивность которых каждый раз возрастала. Исследователи довели водород до температуры около 1900 градусов Цельсия и подвергли его давлению в 1,1-1,7 мегабар.
В результате, ученым удалось зарегистрировать переход водорода в состояние жидкого металла. Это событие наблюдалось не напрямую, так как вещество переходит в другое состояние за доли секунды, а потом так же быстро разрушается. Вместо этого ученые наблюдали за изменением коэффициента пропускания и отражения.
- комментирует один из авторов работы.В некотором смысле водород резко перешел из прозрачного, как стекло, состояния в состояние блестящего металла, который, как и медь или золото, отражал свет
Эксперимент физиков помогает объяснить, какие процессы могут происходить в недрах газовых гигантов. Кроме того, ученые предполагают, что в будущем металлический водород сможет быть использован в качестве ракетного топлива или как сверхпроводник, способный существовать в комнатной температуре. nplus1.ru/news/2016/07/01/jupiter-part
Связь с другими областями физики
Астрофизика
Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планетах . Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода.
Потенциальное применение
Топливные элементы
Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается до 20 крат энергии при сжигании этого количества водорода в кислороде .
- Металлический водород неоднократно упоминается в советском фильме «Расписание на послезавтра » (1978), действие которого происходит в физико-математической спецшколе.
Напишите отзыв о статье "Металлический водород"
Примечания
- Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. - 1935. - Vol. 3 , no. 12 . - P. 764 . - DOI :10.1063/1.1749590 .
- Ashcroft N. W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Vol. 12 , no. 8A . - P. A129 . - DOI :10.1088/0953-8984/12/8A/314 .
- Bonev S.A., et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. - 2004. - Vol. 431 , no. 7009 . - P. 669 . - DOI :10.1038/nature02968 . - arXiv :cond-mat/0410425 .
- Babaev E., Ashcroft N. W. Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors (англ.) // Nature Physics . - 2007. - Vol. 3 , no. 8 . - P. 530 . - DOI :10.1038/nphys646 . - arXiv :0706.2411 .
- Babaev E., Sudbø A., Ashcroft N. W. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) // Nature . - 2004. - Vol. 431 , no. 7009 . - P. 666 . - DOI :10.1038/nature02910 . - arXiv :cond-mat/0410408 .
- Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (англ.) // Physical Review Letters. - 1968. - Vol. 21 , no. 26 . - P. 1748 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
- Weir S. T., Mitchell A. C., Nellis W. J. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (англ.) // Physical Review Letters. - 2004. - Vol. 76 , no. 11 . - P. 1860 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
- Nellis, W.J. . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 (2001). - «minimum electrical conductivity of a metal at 140 GPa, 0.6 g/cm3, and 3000 K»
- Ruoff A. L., et al. Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal (англ.) // Nature . - 1998. - Vol. 393 , no. 6680 . - P. 46 . - DOI :10.1038/29949 .
- Deemyad S., Silvera I. F. The melting line of hydrogen at high pressures (англ.) // Physical Review Letters. - 2008. - Vol. 100 , no. 15 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv :0803.2321 .
- Eremets M. I., et al. Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane (англ.) // Science . - 2008. - Vol. 319 , no. 5869 . - P. 1506–9 . - DOI :10.1126/science.1153282 .
- Degtyareva O. Formation of transition metal hydrides at high pressures (англ.) // Solid State Communications. - 2009. - Vol. 149 , no. 39-40 . - DOI :10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv :0907.2128v1 .
- Hanfland M., Proctor J., Guillaume C. L., et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane (англ.) // Physical Review Letters. - 2011. - Vol. 106 , no. 9 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
- Eremets M. I., Troyan I. A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials . - 2011. - No. 10 . - P. 927–931 . - DOI :10.1038/nmat3175 .
- Nellis W. J., Ruoff A., Silvera I. F. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (англ.) // arxiv.org. - 2012. - arXiv :arxiv.org/abs/1201.0407 .
- M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson, R. Redmer Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (англ.) // Science . - 26 June 2015. - Vol. 348 , no. 6242 . - P. 1455-1460 . - DOI :10.1126/science.aaa7471 .
- Silvera, Isaac F. . NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 марта 2012). - «Recombination of hydrogen atoms releases 216 MJ/kg Hydrogen/Oxygen combustion in the Shuttle releases 10 MJ/kg ... density about 12-13 fold» Проверено 13 мая 2012.
Отрывок, характеризующий Металлический водород
– А вы как думаете, Данило Терентьич, ведь это будто в Москве зарево? – сказал один из лакеев.Данило Терентьич ничего не отвечал, и долго опять все молчали. Зарево расходилось и колыхалось дальше и дальше.
– Помилуй бог!.. ветер да сушь… – опять сказал голос.
– Глянь ко, как пошло. О господи! аж галки видно. Господи, помилуй нас грешных!
– Потушат небось.
– Кому тушить то? – послышался голос Данилы Терентьича, молчавшего до сих пор. Голос его был спокоен и медлителен. – Москва и есть, братцы, – сказал он, – она матушка белока… – Голос его оборвался, и он вдруг старчески всхлипнул. И как будто только этого ждали все, чтобы понять то значение, которое имело для них это видневшееся зарево. Послышались вздохи, слова молитвы и всхлипывание старого графского камердинера.
Камердинер, вернувшись, доложил графу, что горит Москва. Граф надел халат и вышел посмотреть. С ним вместе вышла и не раздевавшаяся еще Соня, и madame Schoss. Наташа и графиня одни оставались в комнате. (Пети не было больше с семейством; он пошел вперед с своим полком, шедшим к Троице.)
Графиня заплакала, услыхавши весть о пожаре Москвы. Наташа, бледная, с остановившимися глазами, сидевшая под образами на лавке (на том самом месте, на которое она села приехавши), не обратила никакого внимания на слова отца. Она прислушивалась к неумолкаемому стону адъютанта, слышному через три дома.
– Ах, какой ужас! – сказала, со двора возвративись, иззябшая и испуганная Соня. – Я думаю, вся Москва сгорит, ужасное зарево! Наташа, посмотри теперь, отсюда из окошка видно, – сказала она сестре, видимо, желая чем нибудь развлечь ее. Но Наташа посмотрела на нее, как бы не понимая того, что у ней спрашивали, и опять уставилась глазами в угол печи. Наташа находилась в этом состоянии столбняка с нынешнего утра, с того самого времени, как Соня, к удивлению и досаде графини, непонятно для чего, нашла нужным объявить Наташе о ране князя Андрея и о его присутствии с ними в поезде. Графиня рассердилась на Соню, как она редко сердилась. Соня плакала и просила прощенья и теперь, как бы стараясь загладить свою вину, не переставая ухаживала за сестрой.
– Посмотри, Наташа, как ужасно горит, – сказала Соня.
– Что горит? – спросила Наташа. – Ах, да, Москва.
И как бы для того, чтобы не обидеть Сони отказом и отделаться от нее, она подвинула голову к окну, поглядела так, что, очевидно, не могла ничего видеть, и опять села в свое прежнее положение.
– Да ты не видела?
– Нет, право, я видела, – умоляющим о спокойствии голосом сказала она.
И графине и Соне понятно было, что Москва, пожар Москвы, что бы то ни было, конечно, не могло иметь значения для Наташи.
Граф опять пошел за перегородку и лег. Графиня подошла к Наташе, дотронулась перевернутой рукой до ее головы, как это она делала, когда дочь ее бывала больна, потом дотронулась до ее лба губами, как бы для того, чтобы узнать, есть ли жар, и поцеловала ее.
– Ты озябла. Ты вся дрожишь. Ты бы ложилась, – сказала она.
– Ложиться? Да, хорошо, я лягу. Я сейчас лягу, – сказала Наташа.
С тех пор как Наташе в нынешнее утро сказали о том, что князь Андрей тяжело ранен и едет с ними, она только в первую минуту много спрашивала о том, куда? как? опасно ли он ранен? и можно ли ей видеть его? Но после того как ей сказали, что видеть его ей нельзя, что он ранен тяжело, но что жизнь его не в опасности, она, очевидно, не поверив тому, что ей говорили, но убедившись, что сколько бы она ни говорила, ей будут отвечать одно и то же, перестала спрашивать и говорить. Всю дорогу с большими глазами, которые так знала и которых выражения так боялась графиня, Наташа сидела неподвижно в углу кареты и так же сидела теперь на лавке, на которую села. Что то она задумывала, что то она решала или уже решила в своем уме теперь, – это знала графиня, но что это такое было, она не знала, и это то страшило и мучило ее.
– Наташа, разденься, голубушка, ложись на мою постель. (Только графине одной была постелена постель на кровати; m me Schoss и обе барышни должны были спать на полу на сене.)
– Нет, мама, я лягу тут, на полу, – сердито сказала Наташа, подошла к окну и отворила его. Стон адъютанта из открытого окна послышался явственнее. Она высунула голову в сырой воздух ночи, и графиня видела, как тонкие плечи ее тряслись от рыданий и бились о раму. Наташа знала, что стонал не князь Андрей. Она знала, что князь Андрей лежал в той же связи, где они были, в другой избе через сени; но этот страшный неумолкавший стон заставил зарыдать ее. Графиня переглянулась с Соней.
– Ложись, голубушка, ложись, мой дружок, – сказала графиня, слегка дотрогиваясь рукой до плеча Наташи. – Ну, ложись же.
– Ах, да… Я сейчас, сейчас лягу, – сказала Наташа, поспешно раздеваясь и обрывая завязки юбок. Скинув платье и надев кофту, она, подвернув ноги, села на приготовленную на полу постель и, перекинув через плечо наперед свою недлинную тонкую косу, стала переплетать ее. Тонкие длинные привычные пальцы быстро, ловко разбирали, плели, завязывали косу. Голова Наташи привычным жестом поворачивалась то в одну, то в другую сторону, но глаза, лихорадочно открытые, неподвижно смотрели прямо. Когда ночной костюм был окончен, Наташа тихо опустилась на простыню, постланную на сено с края от двери.
– Наташа, ты в середину ляг, – сказала Соня.
– Нет, я тут, – проговорила Наташа. – Да ложитесь же, – прибавила она с досадой. И она зарылась лицом в подушку.
Графиня, m me Schoss и Соня поспешно разделись и легли. Одна лампадка осталась в комнате. Но на дворе светлело от пожара Малых Мытищ за две версты, и гудели пьяные крики народа в кабаке, который разбили мамоновские казаки, на перекоске, на улице, и все слышался неумолкаемый стон адъютанта.
Долго прислушивалась Наташа к внутренним и внешним звукам, доносившимся до нее, и не шевелилась. Она слышала сначала молитву и вздохи матери, трещание под ней ее кровати, знакомый с свистом храп m me Schoss, тихое дыханье Сони. Потом графиня окликнула Наташу. Наташа не отвечала ей.
– Кажется, спит, мама, – тихо отвечала Соня. Графиня, помолчав немного, окликнула еще раз, но уже никто ей не откликнулся.
Скоро после этого Наташа услышала ровное дыхание матери. Наташа не шевелилась, несмотря на то, что ее маленькая босая нога, выбившись из под одеяла, зябла на голом полу.
Как бы празднуя победу над всеми, в щели закричал сверчок. Пропел петух далеко, откликнулись близкие. В кабаке затихли крики, только слышался тот же стой адъютанта. Наташа приподнялась.
– Соня? ты спишь? Мама? – прошептала она. Никто не ответил. Наташа медленно и осторожно встала, перекрестилась и ступила осторожно узкой и гибкой босой ступней на грязный холодный пол. Скрипнула половица. Она, быстро перебирая ногами, пробежала, как котенок, несколько шагов и взялась за холодную скобку двери.
Ей казалось, что то тяжелое, равномерно ударяя, стучит во все стены избы: это билось ее замиравшее от страха, от ужаса и любви разрывающееся сердце.
Она отворила дверь, перешагнула порог и ступила на сырую, холодную землю сеней. Обхвативший холод освежил ее. Она ощупала босой ногой спящего человека, перешагнула через него и отворила дверь в избу, где лежал князь Андрей. В избе этой было темно. В заднем углу у кровати, на которой лежало что то, на лавке стояла нагоревшая большим грибом сальная свечка.
Наташа с утра еще, когда ей сказали про рану и присутствие князя Андрея, решила, что она должна видеть его. Она не знала, для чего это должно было, но она знала, что свидание будет мучительно, и тем более она была убеждена, что оно было необходимо.
Весь день она жила только надеждой того, что ночью она уввдит его. Но теперь, когда наступила эта минута, на нее нашел ужас того, что она увидит. Как он был изуродован? Что оставалось от него? Такой ли он был, какой был этот неумолкавший стон адъютанта? Да, он был такой. Он был в ее воображении олицетворение этого ужасного стона. Когда она увидала неясную массу в углу и приняла его поднятые под одеялом колени за его плечи, она представила себе какое то ужасное тело и в ужасе остановилась. Но непреодолимая сила влекла ее вперед. Она осторожно ступила один шаг, другой и очутилась на середине небольшой загроможденной избы. В избе под образами лежал на лавках другой человек (это был Тимохин), и на полу лежали еще два какие то человека (это были доктор и камердинер).
Камердинер приподнялся и прошептал что то. Тимохин, страдая от боли в раненой ноге, не спал и во все глаза смотрел на странное явление девушки в бедой рубашке, кофте и вечном чепчике. Сонные и испуганные слова камердинера; «Чего вам, зачем?» – только заставили скорее Наташу подойти и тому, что лежало в углу. Как ни страшно, ни непохоже на человеческое было это тело, она должна была его видеть. Она миновала камердинера: нагоревший гриб свечки свалился, и она ясно увидала лежащего с выпростанными руками на одеяле князя Андрея, такого, каким она его всегда видела.
Он был таков же, как всегда; но воспаленный цвет его лица, блестящие глаза, устремленные восторженно на нее, а в особенности нежная детская шея, выступавшая из отложенного воротника рубашки, давали ему особый, невинный, ребяческий вид, которого, однако, она никогда не видала в князе Андрее. Она подошла к нему и быстрым, гибким, молодым движением стала на колени.
Он улыбнулся и протянул ей руку.
Для князя Андрея прошло семь дней с того времени, как он очнулся на перевязочном пункте Бородинского поля. Все это время он находился почти в постояниом беспамятстве. Горячечное состояние и воспаление кишок, которые были повреждены, по мнению доктора, ехавшего с раненым, должны были унести его. Но на седьмой день он с удовольствием съел ломоть хлеба с чаем, и доктор заметил, что общий жар уменьшился. Князь Андрей поутру пришел в сознание. Первую ночь после выезда из Москвы было довольно тепло, и князь Андрей был оставлен для ночлега в коляске; но в Мытищах раненый сам потребовал, чтобы его вынесли и чтобы ему дали чаю. Боль, причиненная ему переноской в избу, заставила князя Андрея громко стонать и потерять опять сознание. Когда его уложили на походной кровати, он долго лежал с закрытыми глазами без движения. Потом он открыл их и тихо прошептал: «Что же чаю?» Памятливость эта к мелким подробностям жизни поразила доктора. Он пощупал пульс и, к удивлению и неудовольствию своему, заметил, что пульс был лучше. К неудовольствию своему это заметил доктор потому, что он по опыту своему был убежден, что жить князь Андрей не может и что ежели он не умрет теперь, то он только с большими страданиями умрет несколько времени после. С князем Андреем везли присоединившегося к ним в Москве майора его полка Тимохина с красным носиком, раненного в ногу в том же Бородинском сражении. При них ехал доктор, камердинер князя, его кучер и два денщика.
Металлический водород — это разновидность вещества, фаза водорода, которая возникает при достаточном сжатии, ведет себя как электрический проводник.
Эта фаза была предсказана в 1935 году Юджином Вигнером и Хиллардом Беллом Хантингтоном и с тех пор производство металлического водорода в лаборатории было названо «святым Граалем физики высокого давления». Металлический водород будет жидким даже при очень низких температурах.
При высоких давлениях и температурах металлический водород может существовать в виде жидкости, а не твердого тела, и исследователи считают, что он присутствует в больших количествах в горячих и гравитационно сжатых недрах , Сатурна и некоторых внесолнечных планет.
Металлический водород
Твердое вещество. Жидкость. Газ. Материалы, которые окружают нас в нашем обычном, повседневном мире, делятся на три аккуратных лагеря. Нагрейте твердый куб воды (лёд), и когда он достигнет определенной температуры, то переходит в фазу жидкости. Продолжайте проворачивать тепло и в конце концов, у вас будет газ: водяной пар.
Каждый элемент и молекула имеют свою «фазовую диаграмму», карту того, что вы должны ожидать, если примените к ней определенную температуру и давление. Диаграмма уникальна для каждого элемента, потому что она зависит от точной атомно-молекулярной компоновки и того, как она взаимодействует с собой в различных условиях. Поэтому ученым нужно изучать эти диаграммы посредством трудных экспериментов и тщательной теории.
Когда речь заходит о водороде, мы обычно не сталкиваемся с этим вообще, за исключением случаев, когда он подпитывается кислородом, чтобы сделать более привычную воду. Даже когда мы получаем чистый водород — он соединяется как двухатомная молекула, почти всегда как газ. Если вы заманили водород в бутылку и довели его температуру до минус 240 градусов Цельсия, водород станет жидким, а при минус 259 градусов C становится твердым.
Вы могли бы подумать, что на противоположном конце температурной шкалы горячий газ водорода останется … горячим газом. И это правда, если давление будет низким. Но сочетание высокой температуры и высокого давления приводит к некоторому интересному поведению.
Погружаясь в Юпитер
На Земле, как мы видели, поведение водорода простое. Но Юпитер — это не Земля, и водород, найденный в изобилии внутри под большими облаками и завихряющимися штормами его атмосферы может быть вытеснен за пределы его обычных пределов.
Погружаясь глубоко под видимую поверхность планеты, давление и температура резко возрастают, и газообразный водород медленно уступает место слою сверхкритического газожидкостного гибрида. Из-за этих экстремальных условий водород не может окунуться в узнаваемое состояние. Слишком жарко, чтобы оставаться жидкостью, но при слишком большом давлении свободно плавать в качестве газа — это новое состояние материи.
Погружаясь глубже, водород становится еще более странным
Даже в своем гибридном состоянии, в тонком слое расположенном под вершинами облаков, водород все еще подпрыгивает, как двухатомная молекула. Но при достаточном давлении (скажем, в миллион раз более интенсивном, чем давление воздуха на Земле на уровне моря) даже те связи молекул недостаточно сильны, чтобы противостоять подавляющим сжатиям.
Ниже, примерно 13 000 км под вершинами облаков, представляет собой хаотическую смесь свободных ядер водорода, которые представляют собой только одиночные протоны, смешанные с освобожденными электронами. Вещество возвращается к жидкой фазе, но то, что делает водород водородом, теперь полностью дезасолируется в его составные части. Когда это происходит при очень высоких температурах и низких давлениях, мы называем это плазмой — то же самое, что и основная часть солнца или молнии.
Но в глубинах Юпитера давление приводит к тому, что водород ведет себя по-другому чем плазма. Вместо этого он приобретает свойства, более похожие на свойства металла. Следовательно: жидкий металлический водород.
Жидкий металлический водород
Большинство элементов на периодической таблице — металлы: они твердые, блестящие и обеспечивают хорошую электрическую проводимость. Элементы получают эти свойства из-за того, что представляют собой при нормальных температурах и давлениях: они соединяются образуя решетку и каждый жертвует один или несколько электронов в общий горшок. Эти диссоциированные электроны свободно перемещаются, прыгая от атома к атому, как им заблагорассудится.
Если вы возьмете стержень золота и растопите его, у вас все еще есть все преимущества электронного обмена металла (кроме твердости), поэтому «жидкий металл» — это не странное понятие. Некоторые элементы, которые обычно не являются металлическими, например углерод, могут использовать эти свойства при определенных условиях.
Итак, «металлический водород» не должен быть странной идеей: это просто неметаллический элемент, который начинает вести себя как металл при высоких температурах и давлениях.
Свойства металлического водорода
Большая проблема состоит в том, что металлический водород не является типичным металлом. У разнородных металлов есть специальная решетка ионов, встроенных в море свободноплавающих электронов. Но урезанный атом водорода — это всего лишь один протон и нет ничего, что протон мог бы сделать, чтобы построить решетку.
Когда вы сжимаете металлический стержень, вы пытаетесь сблизить блокирующие ионы. Электростатическое отталкивание обеспечивает всю опору, чтобы металл был сильным. Но протоны подвешены в жидкости? Как жидкий металлический водород внутри Юпитера поддерживает вес атмосферы над ним?
Ответ — это давление вырождения, квантово-механическая причуда вещества в экстремальных условиях. Исследователи считали, что крайность может быть найдена только в экзотических, ультранизких средах, таких как белые карлики и нейтронные звезды. Даже когда электромагнитные силы перегружены, одинаковые частицы, такие как электроны, могут быть сжаты так плотно вместе — они отказываются разделять одно и то же квантовомеханическое состояние.
Другими словами, электроны никогда не будут разделять один и тот же уровень энергии, а это означает, что они будут накапливаться друг на друге, никогда не приближаясь, даже если вы очень сильно нажимаете.
Другой способ взглянуть на ситуацию — через так называемый принцип неопределенности Гейзенберга: если вы попытаетесь зафиксировать положение электрона, нажав на него, его скорость может стать очень большой, что приведет к силе давления, которая сопротивляется дальнейшему сжатию.
Итак, внутренность Юпитера странная — суп из протонов и электронов, нагретый до температур выше, чем у поверхности Солнца, страдает от давления в миллионы раз сильнее, чем на Земле, и вынужден раскрыть их истинную квантовую природу.
Водородная энергетика, технологический прогресс и экологическая безопасность в отрасли черной металлургии.
Прямое восстановление оксида железа водородом.
Метод прямого восстановления железа водородом в наши дни, как технологический процесс, остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для этой цели используется конвертированный газ – природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО).
3Fe2O3+H2= 2Fe3O4+H 20
Fe3O4+H2=3FeO+H 2O
FeO+H2=Fe+H 2O
Как установлено в настоящее время, можно восстанавливать концентраты руды, которые еще не превращены в окатыши. Более того, оказалось, что концентрат восстанавливается даже с большей скоростью, чем изготовленные из него окатыши. Однако на пути к реализации этого процесса стоят трудности чисто технологического характера.
Наиболее интересным способом восстановления оксида железа, является возможность использования водорода в режиме горения. Сам процесс восстановления пойдет достаточно быстро, более того, при этом не возникает лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода. Однако получение и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических трудностей. Поэтому водород пока что используют лишь для получения металлических порошков.
Существует технология среднетемпературного восстановления оксида железа, когда протекает процесс горения и прямого воздействия водорода при температуре 470-8100С. Восстановитель – водород или в чистом виде, или с примесью окиси углерода. Железо, естественно, находится в твердом состоянии, образуя при восстановлении своеобразную губку.
Анализ приведенных выше данных дает основания для следующих выводов:
Среди реакций восстановления оксидов железа водородом только реакция (1.1) является экзотермической. С ростом температуры отношение (%Н2 О) / (%Н2) в равновесной газовой фазе этой реакции будет уменьшаться;
Реакции (1.4), (1.7), (1.10) являются эндотермическими. Поэтому с ростом температуры отношение (%Н2 О) / (%Н2) в равновесной газовой фазе этих реакций будет увеличиваться.
Влияние температуры на изменение состава равновесной газовой фазы для каждой из реакций восстановления оксидов железа водородом показано на рисунке 1 пунктирными линиями.
Следует обратить внимание на то, что кривые, характеризующие составы равновесных газовых смесей для реакций восстановления оксидов железа оксидом углерода и водородом, пересекаются при температуре 8100С. Из анализа реакции водяного газа известно, что при соблюдении условия
Оксид углерода и водород при этой температуре обладают одинаковым химическим сродством к кислороду.
При температурах выше 8100 С водород обладает большим химическим сродством к кислороду. Поэтому при восстановлении оксидов железа водородом объемное содержание восстановителя в газовой фазе может быть меньше, чем при восстановлении оксидом углерода.
При температурах ниже 8100 С более высоким химическим сродством к кислороду обладает оксид углерода.
Конечным продуктом везде являются железо, вода и углекислый газ, причем воду можно снова использовать для получения водорода и кислорода. Таким образом появляются реальные возможности осуществить замкнутый цикл восстановления железа водородом и создать безотходное производство.
Однако до сих пор водород получают двумя испытанными методами – гидролизом воды и ее электролитическим разложением, проще говоря, электролизом. Существует, правда, химическое разложение, более выгодное, но оно не столь распространено, на что имеется ряд чисто технических причин. Поиск новых способов продолжается, ибо важность проблемы несомненна.
Использование водорода для нужд черной металлургии – реальность сегодняшнего дня, и это возможно с применением водородных турбогенераторных установок, созданных на основе научного открытия НППСО «Грантстрой» авторами Аракелян Г.Г., Аракелян А.Г., Аракелян Гр.Г. – ранее неизвестного явления двухстадийного высокотемпературного окисления углеводородов водой (диплом № 425) и изобретения «Способ получения водородсодержащего газа в турбогенераторной установке» (патенты № 117145 от 20 июня 2012 г., № 2269486 от 10 февраля 2006 г., № 2478688 от 10 апреля 2013 г.).
Впервые в мировой практике при проведении научных и опытно – конструкторских работ при испытании водородной турбогенераторной установки нового поколения в соответствии с патентом на изобретение № 2678688, учеными ЗАО НППСО «Грантстрой» было выявлено уникальное новое явление – восстановление окиси железа водородом.
Данное обстоятельство не входило в план и программу лабораторных работ по изучению получения водорода в турбогенераторной установке. При анализе газов, выходящих из водородной турбогенераторной установки, научными работниками была использована промежуточная горизонтальная газоотводящая труба диаметром 279 мм, толщиной стенки 8 мм и длиной 2500 мм, полностью покрытая окисью железа с наружной и внутренней сторон, находившейся около 10 лет под воздействием окружающей среды (осадки и т.д.) (рис.2)
Рис. 2. Начало проведения лабораторных исследований.
Задачами, поставленными перед учеными в данный период испытаний, являлись определение температуры горения водорода на выходе газоотводящей трубы при помощи термопара ТП (предел определения температуры до 1500оС) и анализ газов с применение прибора «Тесто-300». Время проведения эксперимента составило около 35 минут. За этот период было обнаружено, что воздействие водорода при температуре горения 900оС на используемую в данном опыте газоотводящую трубу способствовало процессу восстановления окиси железа в внутренней стороны на 100% по всей толщине и частично с наружной стороны за счет воздействия горючего водорода, который выходил в ограниченном количестве. (рис.3)
Рис. 3. Восстановление окиси железа водородом.
Достоверные факты, опытно-экспериментальные исследования и как показано на Рис.1, что кривые 5, 5а и реакция восстановления оксида железа пересекаются при температуре горения водорода 9000С – все это даёт полное основание заявить о возможности применения водородных турбогенераторных установок в металлургии для восстановления оксида железа водородом с фантастически низкой себестоимостью, что открывает возможность приступить к переработке отходов на рудниках в виде оксида железа, объем которых во всем мире составляет около 1 трлн.250 млрд. тонн, и которые нарушают экологическую стабильность в регионах, активно добывающих и перерабатывающих железную руду.
Предварительные расчеты и первые эксперименты показали: возможность получать водород с такой низкой себестоимостью, что «водородная металлургия» обретет, наконец, надежную экономическую основу с учетом полной экологической безопасности водородного восстановления оксида железа.
Как видно, существует необходимость введения в металлургию прямое водородное восстановление оксида железа, обеспечивающее безотходное производство в черной металлургии.
Прямое водородное восстановление оксида железа – только начало технологического прогресса в черной металлургии. Но и остальные звенья – будь то конвертеры, электропечи, заводы-автоматы, аппараты малооперационной технологии – требуют хорошего исходного сырья. Им будет восстановленный водородом оксид железа.
Металлургию будущего не без основания часто называют водородной. В настоящее время водород обходится дорого. Его получение, хранение и транспортировка сопряжены со множеством чисто технических проблем. Однако произведенные эксперименты и предварительные расчеты показывают, что можно получать водород с такой низкой себестоимостью, используя изобретение ЗАО НППСО «Грантстрой», что «водородная металлургия» обретет надежную экономическую основу. А если учесть полную экологическую безопасность водородных турбогенераторных установок, то сомнение в том, что именно они предопределяют будущее металлургии, открывающее огромные возможности в современном мире.
(В данной статье в том числе использованы материалы с веб сайтов и учебных пособий)
Доктор наук, заслуженный
рационализатор-изобретатель РФ,
заслуженный строитель России Г.Г. Аракелян
Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017
В 1935 году ученые Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления - 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.
Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее - не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален.
Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.
Источник: Dias & Silvera, 2017
Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными.
К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь - 380 ГПа.
После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.
Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько - от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», - заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода.
Пока что сложно сказать , какую форму металла получили англичане - твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.
Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода - 216 Мдж/кг.
«Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», - заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий.
М
Рис.
1.
Диаграмма состояния
водорода.
Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах. Металлический водород обладает высокой удельной теплотой фазового перехода.
Водород в металлической фазе содержится в недрах планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно современным моделям, на Юпитере водород в молекулярной фазе присутствует только до глубин порядка 0,22 радиуса планеты . На большей глубине водород в смеси с гелием образует жидкую металлическую фазу (рис. 2).
Важность
получения металлического водорода
связана с тем, что в нём должен сочетаться
ряд уникальных свойств. Во-первых, из-за
малой массы атомов аномально велика
температура Дебая. Как
следствие этого, температура
сверхпроводящего перехода в твёрдой
фазе при давлении порядка давления
металлизации должна превышать 200 К, что
значительно выше, чем у всех
известных сверхпроводников,
т.к. они одного порядка.
Во-вторых, металлический водород может существовать в виде квантовой жидкости. Малая масса атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов, благодаря чему даже при Т= 0К может не происходить кристаллизация. В противоположность известным квантовым жидкостям (3 He и 4 He) плавление кристаллического металлического водорода наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлической фазы пока нет. Согласно некоторым расчётам, давление, при к-ром происходит плавление при T = 0 К, порядка давления, необходимого для металлизации, т. е. в этом случае твёрдой фазы H может не быть.
При снятии давления и обратном переходе из металлической фазы в диэлектрическую выделяется энергия ~290 МДж/кг, что в несколько раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практического использования металлического водорода в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлической фазы при частичном снятии внешнего давления и каково её время жизни. Кроме протия 1 H металлизация может происходить в кристаллах дейтерия 2 H и трития 3 H, с той лишь разницей, что квантовые свойства этих кристаллов выражены слабее, а температура сверхпроводящего перехода в них ниже
Металлический водород - возможно, получен в октябре 2011 г. в Институте химии Макса Планка (Max Planck Institute for Chemistry) в Майнце, Германия. Об этом сообщил журнал Nature Materials. Газообразный водород, сжатый под колоссальным давлением, превратился в вещество со свойствами металла. Об этом заявили сотрудники Института химии в Майнце Михаил Еремец (Mikhail Eremets) и Иван Троян (Ivan Troyan). Как отмечает в связи с достижением немецких ученых портал Science News, “даже НАСА хотело бы иметь такое вещество в качестве ракетного топлива, превышающего по мощности все остальные его виды”.
В комментарии для этого издания Михаил Еремец отметил, что “металлический водород считается в физике высоких давлений своего рода Чашей Грааля”. Для того чтобы испытать способность водорода служить проводником электричества, Еремец и Троян сжали газ при комнатной температуре между двумя алмазными наковальнями. По достижении рекордного давления, которое в два с лишним миллиона раз превышало давление земной атмосферы, водород утратил прозрачность и стал светоотражающим. Его электрическое сопротивление, то есть способность препятствовать прохождению электротока, упало при этом до одной тысячной показателя электросопротивления водорода при низких давлениях.
Столь значительное снижение сопротивления говорит о том, что газ превратился в нечто иное. Для того чтобы показать, что его новое качество может быть металлом, исследователи охладили сжатый водород с комнатной температуры до 30 кельвинов. Сопротивление слегка повысилось, но вещество оставалось электропроводным, и такое поведение вполне допустимо для экзотических металлов.
Несмотря на эти результаты, коллеги авторов не уверены в том, что получен именно водородный металл. Как говорит Уильям Неллис (William Nellis) из Гарвардского университета (Harvard University), пытавшийся в свое время сделать электропроводный водород под воздействием ударных волн, “люди и прежде думали, что сделали металлический водород, но впоследствии оказывалось, что они были неправы”. В ответ на критику Еремец заявляет о планах усовершенствовать эксперимент с высоким давлением, а сам факт оспаривания уже полученных результатов его не удивляет: “Водород привлекает такое внимание физиков, что, естественно, здесь будет много эмоций и, конечно, много претензий”
