Водород в виде металла. Ученым удалось создать металлический водород

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.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД - совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние состояния металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода . При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T = 0 К и давлении r = 300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, H 2 и металлич. кристалл становится атомарным . При T > 10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.

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

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Профессионального высшего учреждения ОГУ

Курсовая работа

Металлический водород

Выполнила студентка

Группы 08Физ(б)

Пичугина Екатерина

Проверил: Арифуллин М.Р.

Введение

Металлический водород

Обогащение веществ водородом - путь к его "металлизации"

3. Слой металлического водорода у Юпитера

4. Внутреннее строение Юпитера

Заключение

Литература

Введение

Как известно, в обычных условиях (скажем, при атмосферном давлении) водород состоит из молекул, кипит при Tc =20,3 К и затвердевает при Тt =14 K. Плотность твердого водорода р=0,076 г/см 3 и он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии, когда внешние атомные оболочки оказываются раздавленными, все вещества должны переходить в металлическое состояние. Грубую оценку плотности металлического водорода можно получить, если считать, что расстояние между протонами порядка боровского радиуса. Количественные, хотя и ненадежные расчеты приводят к меньшей плотности: например, согласно, молекулярный водород находится в термодинамическом равновесии с металлическим водородом при давлении р=2,60 Мбар, когда плотность металлического водорода р = 1,15 г/см3 (плотность молекулярного водорода при этом р=0,76 г/см3). Согласно -^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена , полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода . При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T = 0 К и давлении r = 300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, диссоциацией молекул H 2 и металлич. кристалл становится атомарным . При T > 10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.

Рис. I. Диаграмма состояния водорода.

Водород в металлич. фазе содержится в недрах планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно совр. моделям, на Юпитере водород в молекулярной фазе присутствует только до глубин порядка 0,22 радиуса планеты . На большей глубине водород в смеси с Не образует жидкую металлич. фазу (рис. 2, ).

Сообщалось о получении M. в. в экспериментах по ударному сжатию и по сжатию в алмазных наковальнях , однако надёжных эксперим. данных о давлении перехода и ур-нии металлич. фазы пока нет.

Важность получения M. в. связана с тем, что в нём должен сочетаться ряд уникальных свойств. Во-первых, из-за малой массы атомов аномально велика Де-бая Как следствие этого, темп-ра сверхпроводящего перехода Т с в твёрдой фазе при давлении порядка давления металлизации должна превышать 200 К, что значительно выше, чем у всех известных сверхпроводников, т. к..

Во-вторых, M. в. может существовать в виде квантовой жидкости. Малая атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов, благодаря чему даже при T = 0 К может не происходить . В противоположность известным квантовым жидкостям (3 He и 4 He) плавление кристаллич. M. в. наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлич. фазы пока нет. Согласно нек-рым расчётам, 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 металлич. фазы в диэлектрическую выделяется ~290 МДж/кг, что в неск. раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практич. использования M. в. в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлич. фазы при частичном снятии внеш. давления и каково её . 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 темп-pa сверхпроводящего перехода Т с в них ниже.

Лит.: 1) Wignе г E., Hиntingtоn H. В., On the possibility of a metallic modification of hydrogen, "J. Chem. Phys.", 1935, v. 3, p. 746; 2) Stevensоn D. J., Interiors of giant planets, "Ann. Rev. Earth Planet. Sci.", 1982, v. 10, p. 257; 3) Каган Ю.,Пушкарев В., Xолас А., Уравнение состояния металлической фазы водорода, "ШЭТФ", 1977, т. 73, с. 967; 4) Ж а р к о в В. H., Внутреннее строение Земли и планет, 2 изд., M., 1983, гл. 10; 5) Григорьев Ф. В. и др., Экспериментальное определение сжимаемости водорода при плотностях 0,5+ 2 г/см 3 , "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16, с. 286; 6) Ross M., Matter under extreme conditions of temperature and pressure, "Repts Progr. Phys.", 1985, v. 48, p. 1; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Structural properties superconductivity and magnetism of metallic hydrogen, "Phys. Rev. B", 1984, V. 30, № 9, p. 5076. В. В. Авилов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД" в других словарях:

Эта статья содержит незавершённый перевод с английского языка. Вы можете помочь проекту, переведя её до конца … Википедия

А; м. Химический элемент (H), лёгкий газ без цвета и запаха, образующий в соединении с кислородом воду. ◁ Водородный, ая, ое. В ые соединения. В ые бактерии. В ая бомба (бомба огромной разрушительной силы, взрывное действие которой основано на… … Энциклопедический словарь

Твёрдое агрегатное состояние водорода с температурой плавления −259,2 °C (14,16 К), плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378… … Википедия

Магнезиум металликум - Magnesium metallicum, Магний металлический - Химический элемент 2 й группы периодической системы Менделеева. Встречается в природе в виде магнезита, доломита, карналлита, бишофита, оливина, каинита. Серебристый металл, при обычной температуре в сухом воздухе не окисляется, с холодной водой… … Справочник по гомеопатии

У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер (значения). Юпитер … Википедия