Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 30. Горячие льды, металлический водород и 2х-валентный гелий.

      Воды во Вселенной - хоть залейся! Ибо самые распространенные в таблице Менделеева элементы: в первой строчке - водород, а во второй - кислород. И потому не только на поверхности многих планет, но и в их недрах изобилие воды совсем не редкость. Остается, однако, вопрос - в какой форме может находиться вода в недрах планет? Ведь в недрах планет, как правило, очень даже приличное давление.

      И, раз уж мы захотели заглянуть в недра крупных планет, то не стоит ли поискать там еще металлический водород и даже соединения гелия? Ведь водород самый распространенный элемент во Вселенной, а гелий - второй по распространенности.

      Посмотрим же, в каких формах при очень высоких давлениях могут существовать вода, водород и гелий?

1. Горячие льды.
      На первый вопрос дает ответ фазовая диаграмма воды на плоскости "давление - температура":



      Для ее быстрого понимания следует учитывать, что 1 атм 1 бар ≈ 100 kPa. О чем будет говорить эта диаграмма, если мы будем считать, что находимся на Земле и вглубь от ее поверхности есть только вода или водяной лед?

      На самой поверхности все ясно - при давлении в одну атмосферу (1 атм. 1 бар) вода жидкая в интервале температур от нуля до 100 градусов Цельсия, при более высоких температурах она - газ (пар), при более низких - лед. Причем лед в привычной нам форме Ih с гексагональной кристаллической решеткой:

      На глубине в 10 километров от поверхности (как в Мариинской впадине) давление будет уже порядка 1килобар ≈ 100 MPa. Но при таком давлении ничего принципиально не меняется - лед будет иметь такую же структуру, но вода будет замерзать примерно при минус 10-12 градусов Цельсия.

      Но на глубине в 100 километров (давление 10 килобар ≈ 1 GPa) со льдом происходят уже заметные изменения. Он образуется при температурах ниже примерно плюс 30 градусов Цельсия и имеет совсем другую кристаллическую структуру, в которой все намеки на шестиугольные снежинки исчезают (лед VI с тетрагональной решеткой):

      А вот на глубине в 1000 километров (давление 100 килобар ≈ 10 GPa) картина меняется уже радикально. Лед образуется уже при температуре ниже примерно плюс 350 градусов по Цельсию и струтура его решетки - кубическая (лед VII):

      Еще большие глубины явно выходят по температуре за пределы приведенной выше фазовой диараммы. Но по ее логике при заметно больших 100 килобар давлениях должны существовать очень горячие виды льда.

      Все описанное выше вполне может существовать даже в недрах не очень больших каменных планет. Таких, как Марс, Венера и Земля. Не говоря уж о более массивных планетах типа Урана, Нептуна, Юпитера и Сатурна.

      2. Металлический водород.

      Фазовая диаграмма водорода построена по опытным данным только до нескольких сотен тысяч атмосфер. А в области давлений в миллионы атмосфер эта диаграмма расчетная. Но именно эта область особо интересна. Ибо такие условия есть в недрах газовых планет-гигантов. И, кроме того, при переходе металлического водорода в газовую фазу по рассчетам НАСАвцев высвобождается в 20 раз больше энергии, чем при сжигании водорода в кислороде. Что, естественно, возбуждает мозги создателей космических ракет.

      Поэтому получение в экспериментах металлического водорода, неважно, жидкого или твердого, есть достойная цель для физиков-экспериментаторов. О первых достижениях на этом пути - под катом.

      Вот фазовая диаграмма водорода. Она предсказывает образование жидкого металлического водорода при давлениях порядка или выше миллиона атмосфер и температурах выше тысячи градусов. И образование кристаллического металлического водорода при давлениях в 3-4 миллиона атмосфер и гораздо более низких температурах. Что же показали опыты?


      Жидкий металлический водород был впервые получен в 2016 году при давлениях в 1,1-1,7 млн. атмосфер и температуре ~ 2100 градусов Кельвина (~ 1900 Цельсия). Но до кристаллического тогда дело не дошло. Просто потому, что техника эксперимента еще не дозрела. Но в начале 2020 года появилось сообщение о получении кристаллического металлического водорода при давлении ~ 4,2 миллиона атмосфер и температуре около 80 градусов Кельвина (минус 190 Цельсия). Разумеется, пока в весьма малых объемах. В таком состоянии водород должен, вроде бы, быть сверхпроводником и, кроме того, метастабильным. Последнее может оказаться весьма важным при применении его в качестве ракетного топлива.

      3. Химически активный гелий.
      Гелий не имеет вакансий в своей электронной оболочке и потенциал его ионизации находится в глубоком ультрафиолете. Поэтому ни в газовой, ни в жидкой фазах никакие химические соединения с участием гелия невозможны. Невозможны они и в твердой фазе вещества при разумных давлениях.

      Но в области сверхвысоких давлений исключить химическую "активность" гелия априори нельзя. Ибо при таких давлениях электронные оболочки любых атомов поджимаются друг к другу и электроны разных атомов могут в некотором смысле "обобществляться".

      И, действительно, в начале 2017 были опубликованы результаты опытов, в которых при давлениях от 1,1 млн. до 10 млн. атмосфер формируется кристаллическая структура "химического соединения" Na2He. Почему именно с натрием? А потому, что у атома натрия как раз есть одна вакансия в его внешней 3s-оболочке. И гелий отдает свои два электрона на s-оболочки двух атомов натрия. Каждому натрию по одному электрону. Вид этой кристаллической структуры таков:


Кристаллическая структура Na2He напоминает трёхмерную шахматную доску. Пурпурно-синеватые шары - атомы натрия, а внутри зелёных кубов — атомы гелия. Красные области показывают, где локализованы электронные пары. При такой локализации электронных пар кристалл Na2He оказывается хорошим изолятором.

      Зачем нам такие знания? Не исключено, что столь необычная химия может реализоваться в недрах не слишком малых планет. В том числе - в недрах Земли. Где давление никак не меньше миллиона атмосфер.
Tags: Начала физики
Subscribe

  • Повангуем?

    Ровно через два месяца в США случатся президентские выборы. Почему бы нам не спрогнозировать их итоги взглянув на подписи главных претендентов…

  • СуперГубер. И сравнительный анализ.

    Ежедневно просматриваю на РБК новости с фронтов войны коронавируса с человечеством. Еще 29 августа Хабаровский край на карте России был красным, а…

  • Выбор знати vs. выбора народа...

    Президентов и премьер-министров во всех странах выбирает не народ, а знать - верхушка политического, чиновничьего и олигархического сословий. Народу…

promo moralg march 5, 2018 03:01 46
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 11 comments

  • Повангуем?

    Ровно через два месяца в США случатся президентские выборы. Почему бы нам не спрогнозировать их итоги взглянув на подписи главных претендентов…

  • СуперГубер. И сравнительный анализ.

    Ежедневно просматриваю на РБК новости с фронтов войны коронавируса с человечеством. Еще 29 августа Хабаровский край на карте России был красным, а…

  • Выбор знати vs. выбора народа...

    Президентов и премьер-министров во всех странах выбирает не народ, а знать - верхушка политического, чиновничьего и олигархического сословий. Народу…