氢的存在形式有哪些

氢的最小单元是氢原子，它由原子核内含有一个带正电的质子，即质子氢原子核和一个围绕原子核旋转的带负电的电子组成。两个氢原子则可通过共价键（共享核外电子）形成氢分子，即氢气，如图1-9所示。

氢气并不是自然界中最常见的氢的存在形式。自然界中的氢大多数以化合物的形式存在，最熟悉的就是我们常见的水，水中含有2个氢原子。另外，一切有机物中都含有氢，比如蛋白质、脂肪。在这些化合物中，氢以共价键的形式与别的原子结合，如图1-10（a）所示。

氢在无机化合物中，则以离子态存在。在各种无机酸中，氢原子失去核外电子，以质子氢，即氢正离子的形式存在，如图1-10（b）所示。而在一些金属氢化物（如氢化镁、氢化钙）中，一个氢原子获取金属外的一个电子，以氢负离子的形式存在，如图1-10（c）所示。

除了上述提到的氢原子、氢分子、共价键状态氢、离子态的氢正离子和氢负离子，在宇宙中由于极端条件还存在着等离子态氢和金属态氢。

在极端高温条件下，氢内电子的热运动非常剧烈，具有的动能可以克服原子核的电磁作用力，这时原子核和电子混成“一锅粥”，可以在空间内移动，而不像固体中的粒子那样只能固定在某一点附近振动，即电子无法与附近的原子核通过电磁作用形成稳定的化学键，这就是等离子状态。等离子态氢存在于太阳中，太阳上的温度非常高 ^[1] ，使氢成了等离子态。等离子态氢的结构如图1-11所示。

当氢被压缩时，会由气态转变为液态，继续施压就转变为固态，进而形成金属氢。在超高压环境下，固态氢中形成了大量的自由电子，具有导电性，同时氢具有了金属光泽，这就是金属氢。

太阳系中的第一和第二大行星木星和土星，氢含量为90%以上，它们在超强的引力作用下，内部压力可达百兆帕，其原子之间的距离被压缩到很小，每个原子核周围都有十几个其他原子，这时候这些电子就可以像金属中的电子一样，在原子核的间隙中自由穿行，被各个原子核“共享”，内部氢为金属态氢。金属态氢的结构如图1-12所示。由于其内部温度高达几万开尔文（K），推测为液态金属氢。

金属氢是科学家们梦寐以求的目标。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。从20世纪40年代开始，美、英等国就投入了大量的人力、物力研制金属氢。在实验室中，只有在达到上百万大气压的超高压下才可得到金属氢，不过，一旦恢复为常压，氢又恢复到初始状态。

由于金属氢制备难度比想象的高，技术进展比预期缓慢，进入21世纪，金属氢的研究热度明显下降。但在最近几年，美国屡次宣布了关于金属氢的技术突破。先是在2015年，美国桑迪亚国家实验室的科学家，用Z脉冲功率设施的超强磁场（见图1-13）制造冲击波压缩液态氘，并在300 GPa的压强下观察到了反光现象。这些科学家认为，这是氘从绝缘体向金属过渡的特征，故宣布得到了金属氘。

2016年10月，哈佛大学物理学家艾萨克·席维拉团队宣布研制出了金属氢。他们利用金刚石对顶砧压机。这种装备可以产生百吉帕级的极限静态压力，并给出数据：在205 GPa下氢是透明的分子固体，在415 GPa下氢是黑色不透明半导体，当压力达到495 GPa时氢成为具有金属性反光的金属氢，如图1-14、图1-15所示。相关研究结果于2017年1月由权威杂志《科学》进行了报道。按照理论预言，金属氢是一种常温超导材料。如果哈佛大学实验做出来的真是金属氢，可以用导电性进行验证。不过研究人员在准备测量时，因为操作失误导致金刚石对顶砧碎了，金属氢样本也随之消失。目前，金属氢有没有制备成功还存在争议。

为什么人们如此费尽心机地来研制金属氢呢？这是因为一旦金属氢问世，就如同当年蒸汽机的诞生一样，将会引起科学技术领域一场划时代的革命。

金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，这样，受控核聚变反应就能使原子核能转变成电能，而这种电能将是廉价又干净的，在地球上就可造起“模仿太阳的工厂”，最终解决人类的能源问题。

用金属氢输电，可以逐步取消大型的变电站，输电效率将达到99%以上，可使全世界的发电量增加四分之一以上。如果用金属氢制造发电机，其重量不到普通发电机重量的10%，而输出功率则可以提高几十倍乃至上百倍。

金属氢还具有重大的军用价值。当前火箭应用液氢做燃料，因此必须把火箭做成一个很大的热水瓶似的容器，以确保低温。如果使用了金属氢，火箭就可以制造得灵巧、小型。金属氢应用于航空技术可极大地增大时速，使时速甚至可以超过声速许多倍。金属氢的密度是液态氢的7倍左右，因此，由它组成的燃料电池可实现高能量密度，这也是汽车、飞机等交通工具技术革命追求的目标。

金属氢内储藏着巨大的能量，是普通TNT炸药释放能量的30～40倍。基于金属氢还可开发许多新型武器。

[1] 太阳表面温度约为6 000 ℃，在这样的高温下，一切物质只能以气态存在，因此太阳又是一个炽热的气体球，其中心温度估计高达2×10 ⁷ ℃。 m5H8ES4DETy9lm9BVSKznhIwMnGxQPsjqUq0L5TT2uUVqq6mDT9EC1taUYuVBxw0