从固态氢到金属氢

最近在网上看到了很多关于“金属氢”的信息，甚至包括“第四代核武器”之类的说法。这次想找个机会从几个方面澄清说明一下关于金属氢的问题。
一、金属氢是什么？
1.从固态氢到金属氢
氢气（H2）的沸点是-252.77℃，熔点是-259.2℃。在低于-259.2℃的条件下氢气就可以转为为雪花状的固体，但这种极低温下获得的固体氢并不是“金属氢”。
所谓“金属氢”是一种氢的同素异形体。
高压物理学家劳夫说过：“氢是最简单的原子，氢气是最简单的分子，但不同的单质固态氢却可能是最复杂的固体。”
从海森堡首次发现了氢的同素异形体而获得了1932年诺贝尔奖开始，几十年间已经在极端高压条件下获得了几种氢的同素异形体，但金属氢依然还在探索之中。

2.亚稳态假说
许多研究认为金属氢会处于亚稳态，这意味着撤除外力也不会发生相变，即可在相当长的时间里维持高压相。
通俗解释类比金刚石：
二氧化碳在低温下变成干冰，石墨在高温高压下变成金刚石。
但恢复原来的条件，干冰会变回二氧化碳，但金刚石却不会立即恢复到碳的更稳定形式石墨。


二、氢应用与金属氢的研究简史
1.简史
十九世纪后期，氢气仍被认为是无法液化的“永久气体”。
1898年，詹姆斯·杜瓦制作了拥有巧妙热力学设计的“杜瓦瓶”，首次将氢气液化。
1899年，杜瓦又首次制取了氢气的固态。
1906年，昂内斯革新了方法，实现了液氢的工业化大量生产。
1932年，海森堡由于“创立量子力学，以及由此导致的氢的同素异形体的发现”而获得诺贝尔奖。
1935年，E·P·维格纳等人预测，在25GPa（25万个大气压）下，氢将呈现出金属性质。但此后的实验表明，需要的压力远高于此。
1968年，康奈尔大学的尼尔·阿希克夫（Neil Ashcroft）预测固态金属氢可能是超导体。
1989年，卡内基研究所霍古阿·马奥博士等人在-196℃的极低温和250万个大气压下，首次制取了成为黑色的超微粒子化的一种新固态氢单质。
2011年，米哈伊尔·叶列梅特和伊凡·特罗扬宣称制出了金属氢，但未得到承认。

2.几种已发现的固态氢存在形式
迄今为止人们已经制得了至少三种不同的固态氢相，但依然没有得到金属氢：
第一种是形成由自由旋转的分子组成的密排结构；
第二种固相与第一种相似，但存在一定程度的定向有序性；
第三种固相中的H-H键结合非常弱，此相中的氢一部分是以原子键结合的，而不是以分子为单位存在。



三、金属氢武器是否真的可以和核武器相比？
对此可以做一个简单的计算比较：
1千克铀235全部裂变释放的能量约8×10^13焦耳,1千克TNT炸药爆炸释放的能量是4.19×10^6焦耳，相同质量的核裂变释放能量是TNT释放能量的2000万倍。
1千克氢完全燃烧释放的能量是143200千焦=143.2×10^6焦耳，1千克TNT炸药爆炸释放的能量是4.19×10^6焦耳，相同质量的氢是TNT释放能量的34倍。
一个是TNT的2000万倍，一个是TNT的34倍，氢释放的能量连核裂变的零头都够不上，完全比不了。至于那个错误的结论究竟是怎么得出来的，我想也许是提出这个说法的人在计算时把氢单质燃烧释放的能量给当成氢聚变释放的能量了才出了那么一个结果。


四、为什么需要金属氢
1.氢是能量密度最高的化学能燃料
氢虽然不能和核反应同日而语，但氢的能量确实是所有化学能燃料中最高的，热值是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。
为什么能量密度是最高的呢？这其实很好解释，氢的单位摩尔的质量是所有元素中最小的，而每千克物质燃烧产生的能量取决于摩尔量的多少，所以摩尔质量最小的氢自然就成了质量能量密度最高的燃料了。

2.氢的存在形式导致的利用难题
虽然质量能量密度最高，但遗憾的是氢的体积能量密度却是最低的，下面就这个问题进行一下解释，
首先是氢的密度和几种常见物质的密度列举比较一下：
水的密度：1吨/立方米
煤油密度：0.8吨/立方米
固态氢密度：0.086吨/立方米
液氢密度：0.07吨/立方米
纯氢的密度仅为空气的1/14，为0.0899g/L。
由此可见，氢气即使液化甚至固化后密度仍然比煤油小一个数量级，更遑论多数情况下氢都是以气态保存的了。携带液体或气态燃料最大的限制不是质量而是体积，由于密度太小所以同样体积的氢要比同样体积的其他燃料质量少很多，以单位体积计算的话，氢产生的能量就要大打折扣了：
柴油，～8500Mcal
汽油，～7900MCal
酒精，～5000Mcal
液氢，～2000Mcal
高压气态氢，500～1000Mcal

3.金属氢——最理想的储能形式能让土星5号缩小一倍
所以，要想让氢气更广泛的应用，必须有更方便、密度更高、成本更低的储存形式。比如火箭燃料中常用的液氢算是一种由来已久的解决方式。
但之前说过液氢的密度也只有0.07吨/立方米，比煤油还要小一位小数点。而金属氢的理论密度虽然有不同观点，但一般认为在0.5吨/立方米以上。
也就是说土星5号火箭使用的燃料如果不是液氢而是金属氢的话，它的体积可以缩小不只一倍！
如果“金属氢”也能像液氢一样普及制备的话，不仅航空航天领域会有跨越式发展。人类也将真正享受到这种自然界质量能量密度最高的燃料所带来的好处，尤其在储能方面。


五、金属氢的潜在应用领域
1.能量密度最高的化学燃料
2.可能为常温超导体（1968年 Neil Ashcroft 提出）
3.新材料
4.新火药
5.潜在的聚变应用价值

最近在网上看到了很多关于“金属氢”的信息，甚至包括“第四代核武器”之类的说法。这次想找个机会从几个方面澄清说明一下关于金属氢的问题。
一、金属氢是什么？
1.从固态氢到金属氢
氢气（H2）的沸点是-252.77℃，熔点是-259.2℃。在低于-259.2℃的条件下氢气就可以转为为雪花状的固体，但这种极低温下获得的固体氢并不是“金属氢”。
所谓“金属氢”是一种氢的同素异形体。
高压物理学家劳夫说过：“氢是最简单的原子，氢气是最简单的分子，但不同的单质固态氢却可能是最复杂的固体。”
从海森堡首次发现了氢的同素异形体而获得了1932年诺贝尔奖开始，几十年间已经在极端高压条件下获得了几种氢的同素异形体，但金属氢依然还在探索之中。

2.亚稳态假说
许多研究认为金属氢会处于亚稳态，这意味着撤除外力也不会发生相变，即可在相当长的时间里维持高压相。
通俗解释类比金刚石：
二氧化碳在低温下变成干冰，石墨在高温高压下变成金刚石。
但恢复原来的条件，干冰会变回二氧化碳，但金刚石却不会立即恢复到碳的更稳定形式石墨。


二、氢应用与金属氢的研究简史
1.简史
十九世纪后期，氢气仍被认为是无法液化的“永久气体”。
1898年，詹姆斯·杜瓦制作了拥有巧妙热力学设计的“杜瓦瓶”，首次将氢气液化。
1899年，杜瓦又首次制取了氢气的固态。
1906年，昂内斯革新了方法，实现了液氢的工业化大量生产。
1932年，海森堡由于“创立量子力学，以及由此导致的氢的同素异形体的发现”而获得诺贝尔奖。
1935年，E·P·维格纳等人预测，在25GPa（25万个大气压）下，氢将呈现出金属性质。但此后的实验表明，需要的压力远高于此。
1968年，康奈尔大学的尼尔·阿希克夫（Neil Ashcroft）预测固态金属氢可能是超导体。
1989年，卡内基研究所霍古阿·马奥博士等人在-196℃的极低温和250万个大气压下，首次制取了成为黑色的超微粒子化的一种新固态氢单质。
2011年，米哈伊尔·叶列梅特和伊凡·特罗扬宣称制出了金属氢，但未得到承认。

2.几种已发现的固态氢存在形式
迄今为止人们已经制得了至少三种不同的固态氢相，但依然没有得到金属氢：
第一种是形成由自由旋转的分子组成的密排结构；
第二种固相与第一种相似，但存在一定程度的定向有序性；
第三种固相中的H-H键结合非常弱，此相中的氢一部分是以原子键结合的，而不是以分子为单位存在。



三、金属氢武器是否真的可以和核武器相比？
对此可以做一个简单的计算比较：
1千克铀235全部裂变释放的能量约8×10^13焦耳,1千克TNT炸药爆炸释放的能量是4.19×10^6焦耳，相同质量的核裂变释放能量是TNT释放能量的2000万倍。
1千克氢完全燃烧释放的能量是143200千焦=143.2×10^6焦耳，1千克TNT炸药爆炸释放的能量是4.19×10^6焦耳，相同质量的氢是TNT释放能量的34倍。
一个是TNT的2000万倍，一个是TNT的34倍，氢释放的能量连核裂变的零头都够不上，完全比不了。至于那个错误的结论究竟是怎么得出来的，我想也许是提出这个说法的人在计算时把氢单质燃烧释放的能量给当成氢聚变释放的能量了才出了那么一个结果。


四、为什么需要金属氢
1.氢是能量密度最高的化学能燃料
氢虽然不能和核反应同日而语，但氢的能量确实是所有化学能燃料中最高的，热值是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。
为什么能量密度是最高的呢？这其实很好解释，氢的单位摩尔的质量是所有元素中最小的，而每千克物质燃烧产生的能量取决于摩尔量的多少，所以摩尔质量最小的氢自然就成了质量能量密度最高的燃料了。

2.氢的存在形式导致的利用难题
虽然质量能量密度最高，但遗憾的是氢的体积能量密度却是最低的，下面就这个问题进行一下解释，
首先是氢的密度和几种常见物质的密度列举比较一下：
水的密度：1吨/立方米
煤油密度：0.8吨/立方米
固态氢密度：0.086吨/立方米
液氢密度：0.07吨/立方米
纯氢的密度仅为空气的1/14，为0.0899g/L。
由此可见，氢气即使液化甚至固化后密度仍然比煤油小一个数量级，更遑论多数情况下氢都是以气态保存的了。携带液体或气态燃料最大的限制不是质量而是体积，由于密度太小所以同样体积的氢要比同样体积的其他燃料质量少很多，以单位体积计算的话，氢产生的能量就要大打折扣了：
柴油，～8500Mcal
汽油，～7900MCal
酒精，～5000Mcal
液氢，～2000Mcal
高压气态氢，500～1000Mcal

3.金属氢——最理想的储能形式能让土星5号缩小一倍
所以，要想让氢气更广泛的应用，必须有更方便、密度更高、成本更低的储存形式。比如火箭燃料中常用的液氢算是一种由来已久的解决方式。
但之前说过液氢的密度也只有0.07吨/立方米，比煤油还要小一位小数点。而金属氢的理论密度虽然有不同观点，但一般认为在0.5吨/立方米以上。
也就是说土星5号火箭使用的燃料如果不是液氢而是金属氢的话，它的体积可以缩小不只一倍！
如果“金属氢”也能像液氢一样普及制备的话，不仅航空航天领域会有跨越式发展。人类也将真正享受到这种自然界质量能量密度最高的燃料所带来的好处，尤其在储能方面。


五、金属氢的潜在应用领域
1.能量密度最高的化学燃料
2.可能为常温超导体（1968年 Neil Ashcroft 提出）
3.新材料
4.新火药
5.潜在的聚变应用价值