氢明明是非金属,可科学家为什么说木星内部存在液态金属氢? 为什么木星表面是液态氢形成的“海洋”?

www.zhiqu.org     时间: 2024-05-16

氢确实属于非金属元素,所谓的金属氢,只是说氢在某种条件下具有了金属的性质。

氢属于非金属元素


氢元素在元素周期表中排第一,因为它是原子量最小的元素,原子量为1,仅由一个质子和一个电子构成。氢在常温常压下为气体,并且是最轻的气体,氢气分子由两个氢原子构成。在地球上氢通常以化合物的形式存在,比如水,水由两个氢原子和一个氧原子构成。


氢元素总共有三种同位素,分别为氕、氘、氚,。氘的原子核中包含一个质子和一个中子,即原子量为2。氚的原子量为3,原子核中有两个中子。通常所说的氢就是指的氕,因为它占自然界中氢的总量的99.98%。

在宇宙中,氢是丰度最高的元素,氦次之。以质量论,在宇宙诞生之初,氢大约占宇宙中原子总质量的75%,氦大约占25%。而宇宙中有许多恒星,恒星内部在进行着氢聚变为氦的核聚变反应,随着时间的增长,氢的比例会下降,氦和其它元素的占比会上升。木星主要就是由氢和氦构成的,太阳也一样。

金属与非金属的区别


要想弄明白什么是金属氢,就要先弄明白金属和非金属的区别。金属和非金属,我们通常是以它们在物理化学方面的性质差异和原子结构来区分的。

元素周期表中有100多种元素,非金属元素占了23种,金属元素占了80多种。从元素周期表的界面分布来看,金属元素主要分布在左下区域,而非金属元素主要分布在右上区域。在常温常压下,除了液态汞,其余的金属元素皆为固体;而非金属元素中除了液态的溴,其余皆为固体或者气体。


上图为液态金属汞


上图为液态非金属溴

金属具有金属光泽和延展性,是热和电的良导体,密度较大;而非金属通常是热和电的不良导体,没有金属光泽,密度较小。金属之所以能导电,是因为金属内部存在大量的自由电子。

在化学中,我们用元素的原子得失电子的能力来描述其金属性或者非金属性的强弱。失电子能力越强的原子,金属性越强;得电子能力越强的原子,非金属性越强。氧化还原反应中,一般金属性越强,还原性就越强;反之,非金属性越强,氧化性就越强。

元素的金属性或非金属性与原子的外层电子有关。除了少数几种金属,其余金属原子的最外层电子数均小于4,而非金属元素的原子最外层电子数一般大于4。

实际上,金属与非金属并没有严格的界限,在一定温度或者压力下会发生相变。比如,锡的同素异形体金属锡在低温下会转变成非金属形态的灰锡。元素周期表中位于金属和非金属交叉区域的元素又被称之为类金属(准金属或半金属),它们通常是半导体,包括硅、锗、砷、锑等元素。


金属氢仅存在于超高压环境下


导电性和金属光泽是区分金属和非金属的重要性质之一。当氢在某种条件下具有金属属性时,便称之为金属氢。

早在1934年,科学家就从理论上预测,作为主族元素的氢,在极端条件下会表现出金属性质。要想产生金属氢十分困难,因为氢在大约500万倍标准大气压的压力下才能转变为金属氢,要在地球上的实验室中产生如此高的压力很不容易。


上图展示了固态氢转变为固态金属氢的相变过程

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。在普通状态下,两个氢原子通过共用电子形成氢分子。在超高压环境下,固态氢中的氢分子结构被破坏,转变为由氢原子构成的金属结构。简单来说,就是在极端条件下,共价键转变成了金属键。此时,固态氢中形成了大量的自由电子,已经具有了导电性,金属结构还使氢具有了金属光泽,因而被称之为金属氢。

金属氢已经不是通常意义下的物质,而是属于简并态物质。由于原子之间的距离被大大的压缩,金属氢的密度比普通氢的密要高上许多倍,与液态水的密度差不多,大约为一克每立方厘米。

金属氢有液态和固态之分,液态金属氢中的质子没有晶格次序。科学家们在地球上制造的金属氢就属于固态金属氢。液态金属氢的存在条件比固态金属氢更为苛刻,不仅需要更强的压力,还需要极高的温度。


金属氢由质子和电子紧密结合而成,具有高密度的特点,蕴含着很大的能量。不过,由于金属氢的存在条件极为苛刻,目前看来应用前景十分渺茫。

木星内部压力极大,温度极高


木星是太阳系内质量和体积最大的行星,是其他七大行星的质量总和的2.5倍,属于气态巨行星。土星、海王星和天王星也属于气态行星。虽然木星被叫做气态行星,但木星的内核仍然是固态的。木星主要由75%的氢和25%的氦构成,在超强的引力作用下,内部压力极大,完全能够存在金属氢。土星作为太阳系内第二大行星,与木星极为相似,内部也存在液态金属氢。

木星的结构由外到内依次为:气态氢、液态氢、液态金属氢、固态岩石内核。


木星内部的金属氢之所以是液态的,是因为木星内部压力极高,是地球大气压的几千万倍,并且木星内部的温度高达上万摄氏度。在这种条件下,金属氢只能以液态形式存在。

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因为这种元素作为气体的话是非金属元素,但是作为液态的却是金属元素。

那是因为氢气它在一般的状态下确实是非金属,但是它处于液体的状态却是属于金属

这是因为氢在气态状况下是属于非金属的,而在聚合成固体的业态情况下是属于金属的。

为什么说木星是氢的海洋?~

是的。构成木星的物质与太阳很相似,主要是氢,木星表面是液态氢的海洋,表面温度为-140℃。

木 星大约有90%的氢和10%的 氦(这是原子个数的比例,质量的比例则有75%/25%),以及少量的甲烷、水、氨水和"岩石"。这样的组成比例和形成整个太阳系的原始 太阳星云(Solar Nebula)组成非常接近。土星(Saturn) 则具有同样类似的组成,但是天王星(Uranus)和海王星(Neptune)在氢和氦的含量上就少得多了。
位於核心位置的外层占了行星大半体积的部分,是以液态金属氢(liquid metallic hydroquen)的形式存在,这种大部分常见的元素都具有的特殊型式,只会出现在超过四百万巴(bars)的情况下(地表的大气压力约为一巴),就像是在木星(以及土星)内部的情况。液态金属氢包含了离子化的质子和电子(如同太阳内部的情况,只不过温度较太阳内部为低),在木星内部这样温度和压力的状况下,氢并不是气态而是液态,它成为电的导体,同时也成为木星磁场的来源。这一层同时可能具有一些氦以及少量种类的"冰"。
木星的最外层主要是由一般的氢分子及氦分子所组成,外层气态的物质包围住液态的内部。而我们所看到的木星大气则只是木星巨厚大气层上最顶层的部分。大气中仅仅只有非常小部分的水、二氧化碳、甲烷以及一些简单的气体分子。
最近的实验显示,氢的状态并不会有突然的变化,因此推测在类木行星内部不同的分层之间,可能没有明确的界线存在。
相信木星表面存在著三层不同的云层,包含氨冰、氢硫化铵以及水和冰的混合物。然而来自伽利略号探针观测的初步结果 仅仅对云层提出了不明确的指示(其中一项装备似乎有探测到最顶层的部分,另一项装备则可以探测到第二层)。但是观测探针的进入点(左图)状况并不寻常,根据地球表面天文望远镜的观测结果以及由伽利略轨道者号最近的 观测结果显示,观测探针进入位置可能是木星当时最温暖以及云量最少的区域。
来自伽利略大气圈观测探针的资料显示,木星上水的含量似乎远低於预期。原先预期木星的大气圈应该具有氧气的含量(以期与大量的氢结合成水)是太阳的二倍,但是目前显示氧气实际的含量却远低於太阳。此外大气圈最上层部分的高温及高密度也让人感到非常惊讶。
木星云层所具有这些醒目的颜色,可能肇因於木星大气圈中一些微量元素的化学反应所造成,这其中可能包括了硫元素在内,这是因为硫化合物有著多变的颜色之缘故,只不过细节的部分我们仍然不清楚。
这些云层的颜色同时与云层所在的位置相关:蓝色是在最低的地方,接著是棕色和白色,最高的地方则是红色。有时候我们可以藉由上层大气的破洞直接看到较低一层的大气。
目 前所有关於木星(以及其他气态行星)内部的相关知识,大多还停留在间接观测或是猜想的阶段。(来自伽利略号 的大气探针观测资料也不过深入云层顶端之下仅仅150km的深度而已。)
木星还可能具有岩石材质的核心,其质量可以达到10至15倍的地球质量。

木星没有固体的表面,这与我们了解过的水星、金星、地球、火星、月球都不同。大气之下,很可能是液态的氢的“海洋”。在再往下离木星中心核大约一半的地方,那里的压强已十分巨大,可达300万个大气压,温度惊人的高,达11000℃,在这样的物理条件下,以致液态分子氢实际上已转化成液态的金属原子氢,这种液态的金属氢在地球的实验室中从未发现过,然而科学家坚信,在极端条件下会有这种液态金属氢存在。在木星最中心部分是木星核,木星核是固体的,主要由铁和硅之类的物质组成,不大的体积却相当于一二十个地球质量。这里必然承受非常大的大气压强,估计有上亿个大气压。温度高可达30000℃,那里必然有地球所无法想象的特殊环境。
以上只是科学家设想的木星结构模型,因为要想了解云的下面是怎样的细节非常困难。
木星有强大的磁场。木星磁场强度为地磁强度的10倍,磁极方向和地球相反,可木星指南针确实是“指向南方”,木星的磁层比地球的磁层要大100倍,可直接达到700万千米之处。地球磁层只在距地心7~8千米范围内。打个比方,如果我们在夜间能用眼睛看见木星和它的磁层的话,木星本身只相当于一颗亮星那么大,木星的磁层则要比月亮大16倍。另外,木星磁层随太阳风“吹拂”,十分迅速地频频收缩和膨胀着。
木星有极光。地球上极地地区出现极光,是因为磁场捕获了来自太阳的带电粒子,太阳风到达木星这么远的地方,带电粒子也衰减得多了,但由于木星强大的磁场,仍然可能捕捉到太阳带电粒子,这在理论上完全成立,过去却一直没有观测到。1979年,当“旅行者1号”转到木星的背面时,观看到一场动人的极光“演示”,夜幕中,一条长约3万千米的巨形光带,正在长空摇曳生姿,翩翩舞动。这还是在地球以外的太阳系天体上头一回遭遇极光,既在意料之外,又在情理之中。这一切再次说明了物理规律的普遍性和准确性。
木星也有光环。这是1979年3月4日,由“旅行者2号”无意中发现的。4个月以后,“旅行者2号”再次飞抵木星,证实了这一发现。木星环像个薄薄的圆盘,很暗,也不大。其厚度只有30来千米,宽度约6500千米,由大大小小的黑色块状物构成,外围离木星中心12万千米。由于黑色石块不反射太阳光,光环又小又薄,难怪我们在地球上长期都发现不了它。
于是,木星在土星、天王星以后,一跃而进入有光环行星的行列。


#勾海肢# 科学家是如何知道木星内层物质组成成分的?
(19511222170): 由望远镜和空间探测器所拍摄的木星和土星照片只能显示这些巨行星的最外层.了解这些绝大部分由氢和氦组成、占据太阳系行星总质量超过90%的巨行星的内部结构非分困难.最近的研究显示,通过在轨的"卡西尼"土星探测器的观测数据可...

#勾海肢# 木星为什么会存在大量液态氢呢,而且这个分量为什么又是那么巨大呢? -
(19511222170): 你好!那是因为木星巨大的引力导致的气压过大造成的!木星的大气压是地球的一千倍!而内核则比地球更大!木星上面和太阳差不多,主要都是由氢构成的,氢在如此巨大的压力下会从气态转化为液态,液态氢在木星上面的密度非常高,这就使得他的质量也很大!在一个木星的大气浓度密度很高!温度也很高!母性内部的温度高达16000多度,这笔太阳表面温度还高!这些种种原因造就了木星的那些情况!希望我的回答能解开你的疑问,祝你愉快!谢谢!!!!

#勾海肢# 为什么说木星是氢的海洋? -
(19511222170): 是的.构成木星的物质与太阳很相似,主要是氢,木星表面是液态氢的海洋,表面温度为-140℃. 木 星大约有90%的氢和10%的 氦(这是原子个数的比例,质量的比例则有75%/25%),以及少量的甲烷、水、氨水和"岩石".这样的组成比例...

#勾海肢# 木星上都有哪些气体? -
(19511222170): 因为它们基本上由氢和氦构成,基本上全是气体.像木星一样的气体行星并没有固态的表面,它们的气体就是很单纯的愈深愈密.我们所谓的半径和大小是以一大气压处为其表面来计的;而我们肉眼所看到的表面则是其大气层的云顶,比一大气压...

#勾海肢# 木星主要是由氢构成的吗 -
(19511222170): 位 於核心位置的外层占了行星大半体积的部分,是以液态金属氢(liquid metallic hydroquen)的形式存在,这种大部分常见的元素都具有的特殊型式,只会出现在超过四百万巴(bars)的情况下(地表的大气压力约为一巴),就像是在木星(以...

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(19511222170): 体积大.体积跟质量是成正比的,所以木星的质量惊人.

#勾海肢# 为什么木星是未来的太阳? -
(19511222170): 木星是太阳系中体积最大的一颗行星,它的体积是地球的1300多倍,质量也大得惊人,大约是其他日颗行星质量总和的2.5倍,而且木星还有16颗卫星.因此,木星素来有太阳系“老大哥”的称号. 然而,这位“老大哥”个子虽大,却非常软弱...

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(19511222170): 木星是太阳系中最惹人注目的一颗行星,它是行星九兄弟中的老大---个儿最大.它的亮度仅次于金星.中国古代把它叫做“岁星”,用它来纪年,因为已经知道它的公转周期近于12年.西方则称木星为“朱庇特(Jupiter)”,即罗马神话中的主...

#勾海肢# 木星有没有人啊?? -
(19511222170): 木星:处女座 02°58' 第4宫 ,木星离太阳比地球远得多,它接受到的太阳辐射也少得多,表面温度理所当然要低得多.根据计算得出的结果,木星表面温度应该是零下168摄氏度.可是,地面观测得出来的温度是零下 139摄氏度,与计算值相差...

#勾海肢# 金属氢的问题金属氢存在于极高的压力下,比如木星中心那为什么有科学
(19511222170): 想问你一句,“相当于10层楼高的水压机"是多大的压力?木星中心又是多大压力?“相差太大了”又是个什么概念?如果在思考科学问题时不能采用严谨的科学概念和数...