常温下的超导体金属氢

早在1935年，英国物理学家贝纳尔就预言，在一定的高压下任何绝缘体都能变成导电的金属。科学家们通过不懈的努力，确实已经获得了很多这样的导电体，如磷，但稳定的金属氢样品始终没有得到。直到最近，美国科学家宣称研制出了“金属氢”，这种常温下的超导体引起了科学界的广泛关注。

金属氢之梦

在金属状态下，氢分子分裂成单个氢原子，并且其电子能够自由运动。在金属氢中，氢分子键断裂，分子内受束缚的电子被挤压成共有电子。这种电子的自由运动，使金属氢具有了导电的特性。因此，想要把氢制成金属，关键就是把电子从原子的束缚下解放出来，把共价键转变为金属键。

解决这个关键问题的方法是，让氢原子在足够大的外界压力下紧密地结合在一起，使每个原子都被8个、10个甚至12个近邻原子所包围，每个氢原子的单个电子能够摆脱原子核的吸引力，从一个原子滑到另一个相邻的原子，这样就可以得到金属氢。

来自美国哈佛大学的研究团队利用合成金刚石（经过特殊处理，不会破碎）制成高压砧对氢气进行压缩，施加相当于490万标准大气压的压强（1标准大气压≈101千帕），这压强比地球中心处的压强还大，从而使氢变成具有金属特性的导电体，这就是被称为“第五状态氢”的金属氢，即氢的固体金属状态。这是一种新的物质形态，这种状态的氢通常存在于大型行星或太阳内核之中，它具有高密度、高储能的特点。

广泛的应用前景

1. 建造“模仿太阳的工厂”：金属氢是一种亚稳态物质，用它做成约束等离子体的“磁笼”，用以“盛装”炽热的电离气体，进行受控核聚变反应，使原子核能转化为电能。整个过程既廉价又清洁，或将最终解决能源问题。

2. 输电：可以取消大型变电站且输电效率在99%以上，可使全世界的发电量增加25%以上。

3. 制造高效发电机：利用金属氢制造的发电机重量不到普通发电机重量的10%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

4. 用作强力火箭推进剂：目前的火箭普遍采用液态氢作燃料，因此必须给火箭做一个很大的热水瓶似的容器，以确保低温。如果换用金属氢，由于相同质量的金属氢的体积仅为液态氢的1/7，因此可以将火箭制造得十分小巧。此外，金属氢的制备过程需要消耗大量的能量，如果将它转化回氢分子，就会释放出巨大的能量，这些能量也可以应用于航天领域。因此金属氢有可能成为人类已知的最为强大的火箭推进剂。

5. 使燃料电池更加轻便：同样利用金属氢体积小的特点，可以将它用于燃料电池的制造。估计金属氢能较容易地应用于汽车燃料电池，城市将由此变得十分清洁、安静。

6. 制造新式武器：金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大25至35倍。金属氢的诞生，必将导致出现许多新式武器。

虽然金属氢的应用前景十分广泛，但令人遗憾的是，该团队日前称由于操作失误，金属氢的样本已不见踪影。也有一些物理学家质疑，或许金属氢从未真正造出过。看来，人类想要打开超高压技术领域的这扇大门，还需要做得更多，走得更远。

试一试

1. 金属氢化物如氢化钙（CaH2）、氢化钠（NaH）是重要的制氢剂，它们与水接触时，分别发生如下反应：

CaH2 + 2H2O = Ca（OH）2 + 2H2↑

NaH + H2O = NaOH + H2↑

试回答下列问题：

（1）若某化学反应消耗了10克氢气，则它需要消耗多少克NaH？

（2）登山运动员登山时需通过金属氢化物与水反应获得氢气，以得到必需的能量。对此，某同学认为若用CaH2替代NaH，有利于登山运动员减轻负担，为什么？

2. 氢气和氧气之间发生化学反应的过程，可用下列图示微观描述。

試回答下列问题：

（1）该反应的化学方程式是什么？

（2）除化学方程式本身表示的意义外，从上图中你还得到哪些关于物质分类、组成结构的信息（写出两条即可）？

活动馆

自制会飞的气球

器材：玻璃瓶、铝箔纸、气球、洁厕灵

步骤：在空玻璃瓶中倒入30毫升左右的洁厕灵，加入事先揉成小团的铝箔纸（可加入15个左右），将气球套在玻璃瓶口上。随着反应的进行，气球逐渐变大，这样就可制成会飞的气球。

启示窗

第四代核武器之一 — 金属氢武器

如果固态金属氢中存储的化学能量在短时间内全部释放出来，就会产生爆炸性的效果，这时金属氢就成为一种超高能炸药，可以作为大规模杀伤性武器使用。金属氢的爆炸威力相当于相同质量TNT炸药的25至35倍，它是目前可以想象到的威力最强大的化学爆炸物。由于金属氢武器的爆炸威力可以与核武器媲美，所以人们将它与聚变弹、反物质武器、激光粒子束武器、核同质异能素武器等正在研制中的新式武器并称为第四代核武器。