Твердый водород
Твердый водород — это твердое состояние элемента водорода , достигаемое за счет снижения температуры ниже точки плавления водорода 14,01 К (-259,14 ° C; -434,45 ° F). Впервые он был собран Джеймсом Дьюаром в 1899 году и опубликован под названием «Sur la Solidification de l’Hydrogène» (англ. «О замерзании водорода») в « Annales de Chimie et de Physique» , 7-я серия, том. 18 октября 1899 г. [1] [2] Твердый водород имеет плотность 0,086 г/см. 3 что делает его одним из твердых тел с самой низкой плотностью.
Молекулярный твердый водород
[ редактировать ]При низких температурах и давлениях примерно до 400 ГПа (3 900 000 атм) водород образует ряд твердых фаз, образованных из дискретных молекул H 2 . Фаза I возникает при низких температурах и давлениях и состоит из гексагональной плотноупакованной матрицы свободно вращающихся молекул H 2 . При повышении давления при низкой температуре переход в фазу II происходит при давлениях до 110 ГПа. [3] Фаза II представляет собой структуру с нарушенной симметрией, в которой молекулы H 2 уже не могут свободно вращаться. [4] Если давление далее увеличивается при низкой температуре, фаза III возникает при давлении около 160 ГПа. При повышении температуры переход в фазу IV происходит при температуре несколько сотен Кельвинов в диапазоне давлений выше 220 ГПа. [5] [6]
Идентификация атомных структур различных фаз молекулярного твердого водорода чрезвычайно сложна, поскольку атомы водорода очень слабо взаимодействуют с рентгеновскими лучами, и в ячейках с алмазными наковальнями можно получить только небольшие образцы твердого водорода , поэтому дифракция рентгеновских лучей дает очень ограниченные результаты. информация о конструкциях. Тем не менее, фазовые переходы можно обнаружить, если искать резкие изменения в спектрах комбинационного рассеяния света образцов. Кроме того, атомные структуры можно определить на основе комбинации экспериментальных спектров комбинационного рассеяния света и моделирования из первых принципов. [7] Расчеты теории функционала плотности использовались для поиска потенциальных атомных структур для каждой фазы. Эти структуры-кандидаты имеют низкие свободные энергии и спектры комбинационного рассеяния света, согласующиеся с экспериментальными спектрами. [8] [9] [10] Квантовые методы Монте-Карло вместе с первопринципной трактовкой ангармонических колебательных эффектов затем были использованы для получения относительных свободных энергий Гиббса этих структур и, следовательно, для получения теоретической фазовой диаграммы давление-температура, которая находится в разумном количественном согласии с экспериментом. [11] На этом основании полагают, что Фаза II представляет собой молекулярную структуру симметрии P 2 1 / c ; Фаза III представляет собой (или подобна) структуру симметрии C 2/ c , состоящую из плоских слоев молекул, расположенных в искаженном гексагональном расположении; и Фаза IV представляет собой (или подобна) структуру симметрии Pc , состоящую из чередующихся слоев сильно связанных молекул и слабосвязанных графеноподобных листов.
См. также
[ редактировать ]- Сжатый водород
- Жидкий водород
- Металлический водород
- Слякоть водорода
- Хронология водородных технологий
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Переписка и общий AI DEWAR / Box DI
- ^ Дьюар, Джеймс (1899). «О затвердевании водорода» . Анналы химии и физики . 18 : 145–150.
- ^ Х.-К. Мао и Р. Дж. Хемли (1994). «Переходы сверхвысокого давления в твердом водороде». Преподобный Мод. Физ . 66 (2): 671–692. Бибкод : 1994РвМП...66..671М . дои : 10.1103/RevModPhys.66.671 .
- ^ И. Гончаренко и П. Лубейр (2005). «Нейтронно-рентгенографическое исследование фазового перехода нарушенной симметрии в твердом дейтерии». Природа . 435 (7046): 1206–1209. Бибкод : 2005Natur.435.1206G . дои : 10.1038/nature03699 . ПМИД 15988519 . S2CID 4416401 .
- ^ RT Howie, CL Guillaume, T. Scheler, AF Goncharov и E. Gregoryanz (2012). «Смешанная молекулярно-атомная фаза плотного водорода» . Физ. Преподобный Летт . 108 (12): 125501. Бибкод : 2012PhRvL.108l5501H . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.125501 . ПМИД 22540596 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ М.И. Еремец , И.А. Троян (2011). «Проводящий плотный водород». Природные материалы . 10 (12): 927–931. Бибкод : 2011NatMa..10..927E . дои : 10.1038/nmat3175 . ПМИД 22081083 .
- ^ Дж. М. МакМахон, М. А. Моралес, К. Пьерлеони и Д. М. Сеперли (2012). «Свойства водорода и гелия в экстремальных условиях» (PDF) . Преподобный Мод. Физ . 84 (4): 1607–1653. Бибкод : 2012РвМП...84.1607М . дои : 10.1103/RevModPhys.84.1607 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Си Джей Пикард и Р. Дж. Нужды (2007). «Структура III фазы твердого водорода» . Нат. Физ . 3 (7): 473–476. Бибкод : 2007NatPh...3..473P . дои : 10.1038/nphys625 .
- ^ Си Джей Пикард и Р. Дж. Нужды (2009). «Структуры под высоким давлением от случайного поиска». Физ. Статус Солиди Б. 246 (3): 536–540. Бибкод : 2009ПССБР.246..536П . дои : 10.1002/pssb.200880546 . S2CID 97258049 .
- ^ Си Джей Пикард, М. Мартинес-Каналес и Р. Дж. Нужды (2012). «Исследование теории функционала плотности фазы IV твердого водорода». Физ. Преподобный Б. 85 (21): 214114. arXiv : 1204.3304 . Бибкод : 2012PhRvB..85u4114P . дои : 10.1103/PhysRevB.85.214114 . S2CID 119269630 .
- ^ Н. Д. Драммонд, Б. Монсеррат, Дж. Х. Ллойд-Уильямс, П. Лопес Риос, Си Джей Пикард и Р. Дж. Нидс (2015). «Квантовое исследование методом Монте-Карло фазовой диаграммы твердого молекулярного водорода при экстремальных давлениях» . Нат. Коммун . 6 : 7794. arXiv : 1508.02313 . Бибкод : 2015NatCo...6.7794D . дои : 10.1038/ncomms8794 . ПМЦ 4525154 . ПМИД 26215251 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Характеристики плавления и объемные теплофизические свойства твердого водорода », Лаборатория ракетного движения ВВС , Технический отчет, 1972 г.