El hidrógeno metálico está formado por núcleos muy comprimidos. En la naturaleza, la materia se encuentra dentro de estrellas y gigantes gaseosos. El hidrógeno está en la primera posición del grupo de metales alcalinos en la Tabla Periódica de Mendeleev. En este sentido, los científicos asumieron que puede tener propiedades metálicas pronunciadas. Sin embargo, esto es teóricamente posible solo a presiones extremas. Los núcleos atómicos del hidrógeno metálico están tan juntos que están separados únicamente por el denso líquido electrónico que fluye entre ellos. Esto es significativamente menor que la densidad del neutronio, una sustancia teóricamente existente con una densidad infinita. En el hidrógeno metálico, los electrones se fusionan con los protones para formar un nuevo tipo de partícula: los neutrones. Como todos los metales, el material es capaz de conducir electricidad. Es cuando se aplica la corriente que se mide el grado de metalización de dicha sustancia.
Historial de recibos
Este material se sintetizó por primera vez en el laboratorio en 1996. Esto sucedió en el Laboratorio Nacional de Livermore. La vida útil del hidrógeno metálico fue muy corta, alrededor de un microsegundo. Se necesitó una temperatura de unos mil grados y una presión de más de un millón de atmósferas para lograr tal efecto. Esto fue una completa sorpresa para los propios experimentadores, ya que anteriormente se creía que se requería una temperatura muy baja para obtener hidrógeno metálico. En experimentos anteriores, se presurizó hidrógeno sólido hasta 2.500.000 atmósferas. Al mismo tiempo, no hubo metalización notable. El experimento de compresión de hidrógeno caliente se llevó a cabo solo para medir las diversas propiedades del material en estas condiciones, y no con el objetivo de producir hidrógeno metálico. Sin embargo, fue coronado con un éxito total.
Aunque el hidrógeno metálico producido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se encontraba en un estado sólido de agregación, surgió la teoría de que esta sustancia podría obtenerse en forma líquida. Los cálculos mostraron que dicho material puede ser un superconductor a temperatura ambiente, aunque esta propiedad aún no es aplicable a efectos prácticos, ya que el costo de crear una presión de un millón de atmósferas es mucho mayor que la cantidad de material obtenido en términos monetarios. Sin embargo, existe una pequeña posibilidad de que exista en la naturaleza hidrógeno metálico metaestable. Según los expertos, conserva sus parámetros incluso en ausencia de presión.
Se cree que el hidrógeno metálico existe en los núcleos de los grandes gigantes gaseosos del nuestro. Estos incluyen Júpiter y Saturno, así como una envoltura de hidrógeno cerca del núcleo del Sol.
Derechos de autor de la imagen Universidad Harvard Captura de imagen Ranga Diaz antes de instalar la prensa de diamante de ultra alta presión
Los científicos de la Universidad de Harvard informaron que fueron los primeros en poder transformar el hidrógeno en un estado similar al metal.
Si esto es cierto, y existen dudas al respecto, tal logro será la culminación de más de 80 años de intentos por crear el material más exótico de la naturaleza.
En teoría, el hidrógeno metálico podría usarse para crear cables de resistencia cero y nuevos combustibles para cohetes.
Los científicos de la Universidad de Harvard, Ranga Díaz e Isaac Silvera, publicaron los resultados de sus experimentos en la revista Science.
"Por primera vez en la historia del planeta Tierra, se ha creado hidrógeno metálico sólido", dijo el profesor Silvera a la BBC.
Según los científicos, hasta ahora han logrado obtener una pequeña cantidad de hidrógeno metálico, pero creen que con el tiempo se podrán encontrar formas de incrementar la producción de este material.
El método consistía en apretar un recipiente que contenía una pequeña cantidad de hidrógeno molecular entre dos diamantes artificiales a una presión extremadamente alta y a una temperatura ultrabaja.
Bajo una prensa de diamantes, lograron alcanzar una presión de 495 gigapascales. Esto equivale a unos 5 millones de atmósferas. El tornillo de banco de diamante también se enfrió a menos 270 grados Celsius.
El propósito del experimento era lograr un acercamiento tan cercano de los átomos de hidrógeno que formen una red cristalina y comiencen a intercambiar electrones, que es característico de los metales.
Los autores del artículo escriben que el material en la empuñadura adquirió una superficie brillante, lo que indica un cambio en su estructura atómica. “Además, a medida que aumentaba la presión, el material se volvió negro, y creemos que esto se debió a que se convirtió en un semiconductor capaz de absorber luz”, dice el profesor Silvera.
"Luego aumentamos la presión aún más, y el material se volvió brillante. Fue una vista muy emocionante. La reflectividad fue extremadamente alta, alrededor del 90%. Esto es aproximadamente igual a la reflectividad del aluminio pulido", dijo el científico.
Derechos de autor de la imagen BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA Captura de imagen En los metales, los átomos están muy apretados e intercambian electrones.Sin embargo, cabe señalar que la noticia de Harvard provocó mucho escepticismo entre los científicos. Entre ellos hay especialistas que trabajan en el mismo campo o en campos similares. Afirman que el artículo publicado contiene muy pocos datos para respaldar la realidad de este logro.
"Una completa tontería", dijo Eugene Gregorianz de la Universidad de Edimburgo. "Como cualquiera que trabaje con hidrógeno a alta presión, estoy asombrado de lo que se publica en Science".
Sin embargo, esa resistencia es natural. Si se confirma, el descubrimiento se convertirá en uno de los logros más destacados de la física aplicada en las últimas décadas.
El estado metálico del hidrógeno se predijo hace más de 80 años y, desde entonces, los científicos han estado tratando de ponerlo en práctica. El valor de este material se debe a sus asombrosas propiedades.
Por ejemplo, se hacen suposiciones sobre la metaestabilidad del hidrógeno metálico. Esto significa que incluso cuando vuelva a las condiciones normales de temperatura y presión, conservará sus propiedades.
Algunos científicos también creen que será un metal superconductor incluso a temperatura ambiente, lo que revolucionará la transmisión y almacenamiento de electricidad.
Derechos de autor de la imagen NASA Captura de imagen El hidrógeno metálico podría ser un combustible para cohetes únicoLa NASA también está mostrando interés en el material. Incluso ahora, el hidrógeno líquido se utiliza como combustible para cohetes que consume mucha energía, pero su forma metálica puede convertirse en un nuevo tipo de combustible capaz de crear un empuje gigantesco y lanzar cargas más masivas a la órbita.
"Sé que muchos especialistas en alta presión han expresado sus dudas, señalando que la alta reflectividad puede deberse a la presencia de contaminantes en la composición de los diamantes, por ejemplo, alúmina. Se espera que el hidrógeno se vuelva metálico", dijo el investigador Markus Knudson. de los Laboratorios Nacionales Sandia.
Geoffrey McMahon de la Universidad Estatal de Washington generalmente está de acuerdo con él.
"En cuanto a la cantidad microscópica de material obtenido, este tipo de experimento siempre se lleva a cabo en pequeñas prensas de diamante. Aquí hay dos problemas que resolver. Primero, trate de obtener más material al mismo tiempo; segundo, que será mucho más difícil, asegúrese de que el material conserva sus propiedades después de aliviar la presión ", - dice el científico estadounidense.
"La respuesta a la segunda pregunta permanece abierta", dijo.
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Hidrógeno metálico- un conjunto de estados de fase del hidrógeno, que se encuentra a una presión extremadamente alta y ha sufrido una transición de fase. El hidrógeno metálico es un estado degenerado de la materia y, según algunos supuestos, puede tener algunas propiedades específicas: superconductividad a alta temperatura y alto calor específico de la transición de fase.
En la década de 1930, el científico británico John Bernal sugirió que el hidrógeno atómico, que consta de un protón y un electrón y es un análogo completo de los metales alcalinos, podría ser estable a altas presiones. En 1935, Eugene Wigner y H. B. Huntington realizaron los cálculos correspondientes. Se confirmó la hipótesis de Bernal: según los cálculos obtenidos, el hidrógeno molecular pasa a la fase atómica metálica a una presión de aproximadamente 250 mil atmósferas (25 GPa) con un aumento significativo de la densidad. Posteriormente, se aumentó la estimación de la presión requerida para la transición de fase, pero las condiciones de transición aún se consideran potencialmente alcanzables. Las propiedades del hidrógeno metálico se predicen teóricamente. Los intentos de obtención, iniciados en la década de 1970, llevaron a posibles episodios de hidrógeno en 1996, 2008 y 2011, hasta que finalmente, en 2017, el profesor Isaac Silver y su colega Ranga Díaz lograron una muestra estable a una presión de 5 millones de atmósferas, sin embargo la La cámara donde se almacenaba la muestra colapsó bajo presión y la muestra se perdió.
Se cree que hay grandes cantidades de hidrógeno metálico en los núcleos de los planetas gigantes (Júpiter, Saturno) y grandes exoplanetas. Debido a la compresión gravitacional, un núcleo de hidrógeno metálico debe ubicarse debajo de la capa de gas.
Con un aumento en la presión externa a decenas de GPa, el colectivo de átomos de hidrógeno comienza a exhibir propiedades metálicas. Los núcleos de hidrógeno (protones) se acercan mucho más cerca del radio de Bohr, a una distancia comparable a la longitud de onda de De Broglie de los electrones. Por lo tanto, la fuerza de enlace de un electrón con un núcleo se vuelve no localizada, los electrones se unen débilmente a los protones y forman un gas de electrones libres de la misma manera que en los metales.
La fase líquida del hidrógeno metálico se diferencia de la fase sólida por la ausencia de un orden de largo alcance. Existe una discusión sobre el rango permisible de existencia del hidrógeno metálico líquido. A diferencia del helio-4, que es líquido a temperaturas inferiores a 4,2 y presión normal debido a la energía de punto cero cero, la matriz de protones densamente empaquetados tiene una energía de punto cero significativa. Por consiguiente, se espera la transición de la fase cristalina a la fase desordenada a presiones incluso más altas. La investigación realizada por N. Ashcroft permite la región de hidrógeno metálico líquido a una presión de unos 400 GPa y bajas temperaturas. En otros trabajos, E. Babaev sugiere que el hidrógeno metálico puede ser un líquido superfluido metálico.
En 2011, se informó la observación de una fase metálica líquida de hidrógeno y deuterio a una presión estática de 260-300 GPa. , que volvió a plantear interrogantes en la comunidad científica.
La comunidad científica se mostró escéptica ante esta noticia, esperando un segundo experimento.
Los compuestos metaestables de hidrógeno metálico son prometedores como combustible compacto, eficiente y limpio. Durante la transición del hidrógeno metálico a la fase molecular habitual, se libera 20 veces más energía que cuando se quema una mezcla de oxígeno e hidrógeno: 216 MJ / kg
¡Los científicos de Harvard Isaac Silver y Ranga Diaz obtuvieron hidrógeno metálico! Este evento fue informado el 26 de enero de 2017 en Science (Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observación de la transición de Wigner-Huntington al hidrógeno metálico).
La esencia del experimento fue que el hidrógeno se intercalaba entre los diamantes en condiciones de presión y temperatura increíblemente altas. ¡Se indica que los indicadores de presión en este momento excedieron los parámetros en el centro de la Tierra! Desafortunadamente, todavía no ha sido posible fijar el estado metálico a temperaturas y presiones normales. Sin embargo, los científicos continuarán con su serie de experimentos a una presión más baja. Si tiene éxito, el hidrógeno metálico tendrá un gran futuro.
Hidrógeno metálico: perspectivas de aplicación
Se espera que esta sustancia encuentre uso como combustible para cohetes espaciales. El efecto de utilizar hidrógeno metálico en esta capacidad, según cálculos, superará en más de 4 veces el efecto de los combustibles de cohetes existentes, lo que permitirá poner en órbita cargas más pesadas.
El uso de hidrógeno metálico como superconductor es muy prometedor. Hoy en día, los conductores están hechos de diferentes metales, pero incluso en el mejor de los casos, la pérdida de corriente eléctrica al pasar por un conductor alcanza el 15%. En el caso de utilizar hidrógeno metálico, las pérdidas se acercarían a cero. De modo que
HIDRÓGENO METÁLICO
HIDRÓGENO METÁLICO
Conjunto de fases de hidrógeno a alta presión, que poseen metalicidad. propiedades. La posibilidad de transición de hidrógeno a metálico. La fase fue considerada teóricamente por primera vez por Y. Wigner y H. B. Huntington en 1935 [I] - ^ B más como el desarrollo de métodos de la teoría electrónica de los metales ur-nie metálicos. Las fases de hidrógeno se investigaron teóricamente. En la Fig. Se muestra 1, obtenido al sintetizar los resultados de estos cálculos con experimentación. y teórico. datos sobre la ur-ción del estado del hidrógeno molecular. En atm. presión y baja temperatura-pax hidrógeno existe en forma de dieléctrico. cristal molecular, con un aumento de presión, se produce una transición a cristalino. metálico condición. En este caso, dependiendo de la temperatura, son posibles 3 fases de M. En temp-re T = 0 K y presión r = La metalización de 300-100 GPa va acompañada de una reestructuración cristalina. estructura, disociación de moléculas H 2 y metálicas. el cristal se vuelve atómico. En T> 10 K, la metalización es posible manteniendo la estructura del cristal molecular (línea de puntos; previamente se observó metalización de este tipo en yodo). Con un aumento adicional de presión o temperatura, se establece la metalicidad. se forma la fase atómica y líquida M. c.
Arroz. I. Diagrama de estados del hidrógeno.
Hidrógeno en metálico La fase está contenida en las entrañas de los planetas gigantes Júpiter y Saturno. Según moderno. Según los modelos, en Júpiter, el hidrógeno en la fase molecular está presente solo hasta profundidades del orden de 0,22 del radio del planeta. A mayores profundidades, el hidrógeno mezclado con He forma un metal líquido. fase (Fig.2,).
Se informó el recibo de M. en experimentos sobre compresión de choque y compresión en yunques de diamante, sin embargo, experimentos confiables. datos sobre la presión de la transición y ur-nii metallich. todavía no hay fase.
La importancia de obtener M. c. debido al hecho de que debe combinar una serie de propiedades únicas. Primero, debido a la pequeña masa de átomos, el anormalmente grande De-baya Como consecuencia de esto, la temperatura de la transición superconductora T con en la fase sólida a una presión del orden de la presión de metalización debe superar los 200 K, que es mucho más alta que para todos los conocidos superconductores, t. a ..
En segundo lugar, M. in. puede existir en la forma fluido cuántico. Los átomos de hidrógeno pequeños conducen a una gran amplitud cero fluctuacionesátomos, debido a que incluso con T = Puede que no ocurra 0 K. A diferencia de los líquidos cuánticos conocidos (3 He y 4 He), la fusión es cristalina. M. pulg. ocurre con el aumento de la presión. Datos de diseño fiables sobre la estructura y la curva de fusión del metal. todavía no hay fase. Según algunos cálculos, cuando se produce la fusión cuando T = 0 K, del orden de la presión requerida para la metalización, es decir, en este caso, puede que no exista una fase sólida H.
Cuando se libera la presión y la transición inversa del metal. A la fase dieléctrica se le asignan ~ 290 MJ / kg, que son varios. veces más alto que cualquier tipo de combustible conocido. Perspectivas practicas El uso de M. como acumulador de energía dependen de las condiciones que se requieran para la implementación del metal metaestable. fase con eliminación parcial de ext. presión y lo que es. Además del protio 1 H, la metalización puede ocurrir en cristales de deuterio 2 H y tritio 3 H, con la única diferencia de que las propiedades cuánticas de estos cristales son menos pronunciadas, y la tasa-pa de la transición superconductora T con en ellos a continuación.
Iluminado .: 1) Wigne G., Hintington H. B., Sobre la posibilidad de una modificación metálica del hidrógeno, "J. Chem. Phys.", 1935, v. 3, pág. 746; 2) Stevenson D. J., Interiores de planetas gigantes, "Ann. Rev. Earth Planet. Sci.", 1982, v. 10, pág. 257; 3) Kagan Yu., Pushkarev V., Kholas A., Ecuación de estado de la fase metálica del hidrógeno, "ShETF", 1977, v. 73, p. 967; 4) Zharkov V.H., Estructura interna de la Tierra y los planetas, 2ª ed., M., 1983, cap. 10; 5) Grigoriev F.V. et al., Determinación experimental de la compresibilidad del hidrógeno a densidades de 0,5 + 2 g / cm 3, "Letters to ZhETF", 1972, vol. 16, p. 286; 6) Ross M., Materia en condiciones extremas de temperatura y presión, "Repts Progr. Phys.", 1985, v. 48, pág. una; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Propiedades estructurales de superconductividad y magnetismo del hidrógeno metálico, Phys. Rev. B, 1984, V. 30, No. 9, p. 5076. V.V. Avilov.
Enciclopedia física. En 5 volúmenes. - M.: Enciclopedia soviética. Editor jefe A.M. Prokhorov. 1988 .
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Este artículo contiene una traducción inacabada del idioma inglés. Puedes ayudar al proyecto traduciéndolo hasta el final ... Wikipedia
A; m. Elemento químico (H), un gas ligero, incoloro e inodoro que forma agua en combinación con oxígeno. ◁ Hidrógeno, oh, oh. V th conexiones. Bacterias despedidas. La bomba th (una bomba de enorme poder destructivo, cuyo efecto explosivo se basa en ... ... diccionario enciclopédico
Estado sólido de agregación de hidrógeno con un punto de fusión de -259,2 ° C (14,16 K), una densidad de 0,08667 g / cm³ (a -262 ° C). Masa blanca como la nieve, cristales de sistema hexagonal, grupo espacial P6 / mmc, parámetros de celda a = 0.378 ... ... Wikipedia
Magnesio metálico, magnesio metálico- Elemento químico del segundo grupo del sistema periódico de Mendeleev. Se presenta de forma natural en forma de magnesita, dolomita, carnalita, bischofita, olivina, cainita. Un metal plateado, a temperaturas normales en aire seco no se oxida, con agua fría ... ... Una guía de homeopatía
Este término tiene otros significados, ver Júpiter (desambiguación). Júpiter ... Wikipedia
