金属氢范文精选

摘 要：文章介绍了金属氢的研究意义、应用前景与高压试验方法。简明回顾了金属氢的研究历史与进展。提出了一种在传统方法中引入化学方法的新思路。

关键词：合成金属；氢；实验方法

1 概述

氢是周期表的第一号元素，室温常压下其单质为气态的双原子分子H2。使氢在极高压下变成金属的想法由来已久，1935年Wigner和Huntington从理论上证明金属氢的存在的可能性，并预言在25GPa高压下，氢分子组成的固态氢将转变成呈现出金属性质的同素异形体金属氢。[1]此后的实验表明，对压力的最初估计不足，使氢金属化需要更高的压力。

金属氢有重要的理论与应用价值，在木星等天体中氢是主要成分，金属氢也被认为会存在于这些大质量的行星内部研究金属氢的性质，对于了解和解释它们的内部结构和强磁现象是很重要的。Ashcrof曾提出金属氢可能具有很高的超导转变温度，是一种很理想的超导材料。金属氢的高密度特点也使其成为一种理想的储氢方式、高能燃料。因此如果能用人工的方法合成出金属氢，将有特别重大的意义。

2 金属氢研究的历史回顾

2.1 实验方法

产生金属氢的实验方法是对H2施加高压。压缩H2的实验技术分为动态压缩法和静态压缩法，动态压缩法以利用爆炸冲击波产生的瞬间高压和迅变高磁场产生的瞬间高压为主，优点是产生的压力很高，但也有缺点，一是实验费用昂贵，二是冲击波压缩以绝热方法进行，大部分能量转化为热，使样品温度升得很高，这时很难说氢是固态还是等离子体。1962年英国剑桥大学的福勒就曾推测，在足够的温度和压力下，分子氢可能会转变成一种致密的等离子体，即离子化的气体；三是由于其冲击波压力持续时间短，只有0.1～1.0μs，使许多深入的物理测量很难进行。

2017年1月26日，世界著名的杂志报道美国哈佛大学科学家艾萨克・席尔维拉和朗加・迪斯在实验室成功制造出了“金属氢”，引起了世界科学界的震动。那么，什么是“金属氢”呢？

何谓金属氢

众所周知，氢是宇宙中最丰富的元素，它在自然界中通常是以气态的氢气存在，在19世纪末曾被认为是无法液化的“永久气体”。直至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，第二年又首次制取了氢气的固态。

然而，这些早在一百多年前就制备出来的液态和固态氢并不具备金属的良好导电性，都不能称之为“金属氢”。“金属氢”是具有良好导电性甚至是超导性的液态或固态氢。

哈佛大学团队发现的金属氢，是由两位科学家将一块微小的固态氢样品置于相当于488万个大气压的压力下制造出来的。这一压力远远超过了我们所生活的地球中心的压力值，在这一极端的压力下，分子氢的化学键将被打开，最终形成由氢原子为最小单位组成的晶体氢，类似金属原子组成的金属晶体，原子所带的电子可以在原子之间自由运动，具有了金属的导电特性，这时的氢晶体电阻通常小于100欧姆，远远小于原有的几十到几百兆欧姆。

金属氢的应用前景

为什么人们如此费尽心血地研制“金属氢”呢？这是因为金属氢具有一些非常特殊的性质。“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，这样受控热核聚变反应就可以很方便地实现，人类也可以建造出一座座“模仿太阳的工厂”，然后将原子核能转变成了电能，这种电能既廉价又干净，人类的能源问题最终将得到有效解决。

此外，“金属氢”具有超导性，用金属氢输电，其输电效率在99%以上，可以大幅降低输电损耗，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%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

一、问题来源

氢化物的稳定性是试卷中经常考查的题目，通常考查同周期或同主族元素的对应氢化物的稳定性。一般规律是，同周期从左到右，对应元素的非金属性逐渐增强，氢化物的稳定性逐渐增强；同主族从上到下，对应元素的非金属性逐渐减弱，氢化物的稳定性逐渐减弱。但有时题目中会出现既不同周期也不同主族元素的氢化物稳定性的比较，这时候如何比较呢？日前笔者在为某出版社审核一份原创试卷时，就发现有这么一个题目：“H2O的稳定性比HCl的稳定性弱。”命题者认为这是正确的。

笔者将这个问题让全班学生进行讨论，也有很多学生认为这句话是正确的，归纳起来主要有以下几种观点：（1）看状态：常温下，H2O为液态，HCl为气态，液态的物质比气态的物质稳定性强。（2）看作用力：水分子间存在氢键或H2O的氢键数量比HCl的多，水分子间作用力更大，结构更稳定。（3）看反应条件：水是由氧气和氢气制得的，一般在点燃条件下反应，在光照时不反应；氯化氢是由氯气和氢气制得的，在点燃或混合光照的条件下都能发生反应，而且比较剧烈。反应的难易程度与生成物的稳定性有关：反应越容易，生成物越稳定。（4）看氧化性：Cl2的氧化性比O2强，其原因是Cl2只有一个共价键而O2有两个，因此Cl―Cl键更易断裂，也更易反应，所以生成的氯化氢更稳定。

二、问题探讨

对于观点（1）：我们知道，物理性质和化学性质是物质的两种不同性质，是并列的关系，不能相互影响，因此（1）是错误的。对于观点（2）：物质的物理性质和化学性质是受组成物质的作用力所影响的，有的物质中的作用力同时影响两种性质，如离子晶体中的离子键和原子晶体中的共价键；也有的物质两种性质受不同的作用力影响，如分子晶体中的分子间作用力影响物理性质，分子内的共价键影响化学性质。水在固态时属于分子晶体，水分子间存在氢键，氢键主要影响物质的溶解性、熔沸点、物质的状态等物理性质，而物质的稳定性是化学性质，由水中的共价键所影响，氢键不可能影响化学性质，因此（2）是错误的。（1）与（2）错误的原因是混淆了基本概念之间的关系。

对于观点（3）：在中学化学中，通常认为非金属单质与氢气反应越容易，则生成的氢化物越稳定，这可能是命题者和很多学生易犯的错误。我们知道，任何规律都会存在着特殊情况，这里也不例外。对于观点（4）：Cl2只有一个共价键，其Cl―Cl的键能为242.7kJ・mol-1，O2中的O=O化学键的键能为496 kJ・mol-1。键能越大，化学键越牢固，形成的分子越稳定，因此Cl2更易与H2发生反应。观点（3）和（4）中，都是根据比较得出氧气的氧化性比氯气弱，从而确定H2O的稳定性比HCl弱。其实，氢化物的稳定性应与非金属性有关，而非金属性与非金属单质的氧化性有所不同，因而这两种比较实际上是混淆了非金属性与非金属单质的氧化性之间的关系。

那么非金属性与非金属单质的氧化性有什么区别与联系呢？

非金属性是指元素的原子获得电子的能力的强弱，通常用元素的电负性来衡量。电负性表示的是元素的原子吸引电子能力的相对强弱，它的大小可以比较准确地反应出元素非金属性的强弱。一般来说，电负性越大，元素的非金属性越强。非金属性的主体是元素的原子，它的强弱只与原子结构（如核电荷数、核外电子层数、外层电子数、原子半径等）有关，而与外界因素无关。

摘 要：随着环境恶化，氢能作为一种无污染的能源正受到人们密切的关注，铝作为一种比能量高，储量丰富，性质活泼的金属，而且在热力学趋势上很容易与水发生反应生成氢气。铝作为制氢材料能有效解决氢能在运输和使用上的瓶颈，将大大降低氢能使用的成本。

关键词：金属基；铝基合金；水解制氢；合金化

引言

能源作为人类生活的重要物质基础，其来源随着时代变迁也在不停发生着变化。上世纪中叶以前，人类大多都以原始的煤作为能源来源；由于现代工业的不断完善，尤其是汽车行业的迅猛发展，石油[1]逐渐取代煤成为世界主流消耗能源。氢能，作为理想的二次能源之一，是一种优秀的能源载体，它具有其它能源不具备的特性。目前氢能主要来源于以下途径：硼氢化物水解制氢、电解水制氢、光电催化水解制氢、催化重整技术制氢、生物质制氢技术、金属基材料水解制氢等。

1 金属铝水解制氢的发展现状

目前国内外采用的方法主要有一下几种方法来提高合金的反应活性[2-6]：在碱性环境下发生反应；在氧化物或盐存在的环境下促进反应的进行；改变金属铝的形态，增大表面积，把铝制成铝箔、铝粉、片状等；合金化。

1.1 铝在碱性溶液中水解制氢的研究

赵增典[2]等研究了铝粉在碱溶液中的制氢反应速率，在0.4mol/L的NaOH溶液中，径粒为16μm的铝粉反应速率可达1025mL・min-1・g-1。范美强[3]等研究了Al在碱溶液中水解制氢的相关性能，实验发现，当碱浓度由0.1mol/L增加到0.5mol/L时，制氢反应速率由12mL・min-1・g-1增加到38mL・min-1・g-1。

《黑龙江科学杂志》2015年第二期

1试样的制备

其一，根据我公司应用金属产品中氢含量低以及G8GALILEO氢分析仪进样炉体结构特点，将试样加工成φ4～5mm，长度在80～100mm的圆棒。经实验表明，车床加工的转速、进刀量、走刀速度以及车削次数都对氢的测定结果有影响，因此本文对试样加工有选择要求。试样加工步骤及要求：A.试样加工前要用丙酮清洗刀具及试样。B.将试样一端约φ15～20mm夹入车床（也可做试样标识），另一端加工成φ4～5mm，长度在80～100mm的圆棒。C.试样表面切削深度大于0.3～0.5mm。其二，加工后的样品立即分析，不要延误，以免氢的扩散和逸出。不马上分析的试样，应贮存在冷冻剂中，较为合适的方式是用液态氮或者丙酮和二氧化碳干冰的膏剂保存，也可贮存干燥器皿中。其三，实验表明试样分析表面受到油、脂、碳氢化合物或水分的污染会严重影响测量结果的准确度，因此应在分析前用四氯化碳或丙酮对试样进一步清洗除去，冷风吹干。

2试样称量质量的确定

由于我公司生产冶炼产品工艺要求氢的质量控制小于6ppm，GS/T223.82-2007国标分析方法采用单点校正，消除空白的实验方法，因此经实验证明试样的称量与标准物质越接近，测定的测量结果越准确。

3分析参数的选择

本实验采用美国生产的标准物质AR556，（6±0.5）ppm和不锈钢YSBS20602-2008，（3.55±0.15）ppm，及我公司生产冶炼产品，编号：23-2-5-1453-6504在不同控温度下进行分析，结果见表1。由表1数据可以看出，控制温度在1400℃～1450℃时有少部分样品没有得到熔化氢没能完全释放出来，因此测定的样品结果偏低；控制温度在1650℃～1700℃时样品虽已完全熔化，但观察分析后的石墨坩埚发现样品较脏，略有渗碳现象，控制温度在1500℃～1600℃时标准物质的测定结果在误差范围。钢材的熔点是1420℃～1600℃，因此该实验选择分析控制温度为1550℃。

4精密度实验

【摘 要】金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的界面态影响器件的正常性能发挥。本文采用在合金制程中通入氢气的方法，并通过电荷泵 （Charge Pumping） 技术手段测量定性， 反映氢气在金属合金（Metal Alloy）制程中对界面态的改善作用。实验结果表明界面态密度的降低不仅与合金制程中通氢气的时间有关，而且与氢气的流量也有关。为工艺改进和提升器件成品率，可靠性提供重要参考信息。

【关键词】氢气；表面态；电荷泵技术

Effect of Pure H2 Metal Alloy on Interface States of MOSFET

LIU Jie-wei YU Zhi-fang ZENG Hong-lin

（Semiconductor Manufacturing International （Shanghai） Corporation， Shanghai 201203，China）

【Abstract】Si-SiO2 Interface states in metal-oxide-silicon field effect transistors （MOSFET） impact device normal performance. We adopt pure H2 metal alloy and use charge pumping measurement to reflect improvement of pure H2 alloy on interface states in MOSFET. In this paper， we present the experimental results on the effect of H2 ambiences on the interface states density reduction and the reduction is not only related with the alloy time， but also related with H2 flow rate. Therefore， the experiment can provide important information for the process optimization， yield and reliability improvement.

【Key words】H2；Interface States； Charge pumping

0 引言

摘要： 阐述了熔敷金属中扩散氢的存在形式、产生、来源及危害。介绍了4种扩散氢检测方法，即甘油法、水银法、气相色谱法和载气热提取法，总结了4种检测方法的优劣，并对4种方法进行了比较，指出了4种方法测定扩散氢的差异。简述了焊接热输入、焊接道数、冷却方式及焊接环境等因素对扩散氢含量的影响。

关键词： 熔敷金属；扩散氢；方法比较

中图分类号： TG-457.11

Abstract： This paper introduced the source of hydrogen during welding， the type of diffusible hydrogen in welding metal and its harm. The mercury method、gas chromatography method、hot-extraction method and glycerol method for diffusing hydrogen measurements were presented and the advantage and shortcoming of those four methods were summarized. Also the effects of heat input、passes、cooling way of the test assembly and welding environment on diffusible hydrogen were summed up.

Key words： deposited metal； diffusible hydrogen； comparison method

0 前言

在钢焊缝中，氢大部分是以氢原子或离子的形式存在的，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。由于氢原子和离子的半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢。还有一部分氢扩散聚集到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为氢分子，因其半径增大，不能自由扩散，故称之为残余氢。因为扩散氢能够自由扩散，并占总含氢量的比例较大，因此它对焊接接头的影响比残余氢大。

由于焊接方法不同，导致氢向金属中溶解的途径也不相同。气体保护焊时，氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属的；电渣焊和电渣熔炼时，氢是通过渣层溶入金属的；而焊条电弧焊和埋弧焊时，上述两种途径兼而有之。焊接过程中，氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质、电弧周围空气中的水蒸气和母材坡口表面上的铁锈油污等杂质。

中学化学《化学反应原理》模块中介绍了钢铁发生电化腐蚀的条件：在较强的酸性条件下，发生析氢腐蚀；在弱酸性和中性环境中发生吸氧腐蚀。由于大气环境呈现较强酸性的情况并不常见，钢铁等金属的电化腐蚀主要是吸氧腐蚀。那么，在做练习题时，何种情况下需要考虑金属的吸氧腐蚀？是否只要在较强的酸性条件下，金属发生的腐蚀反应都是析氢腐蚀呢？

例一、把铁钉和碳棒用导线连接起来后浸入下列溶液①稀硫酸 ②食盐水 中，都会发生的变化是（ ）

A．碳棒上放出氧气B．碳棒得电子被还原

C．碳棒上放出氢气D．铁钉失电子被氧化

解析：把铁钉和碳棒用导线连接起来后无论浸入稀硫酸中还是浸入食盐水中，都构成了原电池装置，发生原电池反应。

浸入稀硫酸中时（较强的酸性环境），由于铁与硫酸可发生自发的氧化还原反应 Fe＋2H+=Fe2+＋H2，因此该电池反应就是金属的析氢腐蚀 负极（铁）：铁被氧化Fe-2e－Fe2+ ；正极（碳）：溶液中的H+被还原2H++2e－H2 。

浸入食盐水中时（中性环境），铁与氯化钠或水都不能在常温下发生反应，但由于敞开体系的水中都有溶解的氧气，此时就要考虑金属的吸氧腐蚀：负极（Fe）：Fe-2e－Fe2+ ；

正极（C）：2H2O + O2 + 4e － 4OH― 。

摘要：目的：研究过渡金属元素氢化物发生-原子荧光增敏效应。方法：以KBH4溶液以及待测物样品溶液分别进入"Y"字形反应管反应，氩气将混合液代入气液分离器中分离，产生的气体被氩气代入石英原子化器中，通过仪器自动记录信号强度考察Co2+、Ni+、羟基喹啉以及邻菲咯啉对Zn，Cu，Cd，Ni的原子荧光信号的影响，并分析和讨论了其增敏机理。结果：由于Ni和Co具有挥发性物种分解特性，这种特性会抑制Zn和Cd的氰化物在整个传输过程中存在的分解损失，对Cd和Zn的信号有明显的协同增敏效应，而邻菲咯啉以及8-羟基喹啉对Cd和Zn的信号不具有协同增敏效应。结论：络合物、金属离子、表面活性剂以及酸性介质对于分析物的信号具有较为明显的增敏效果。

关键词：过渡金属元素 原子荧光 氢化物 增敏效应

氢化物发生法是原子荧光分析的重要内容，对金属检测定具有重要意义。目前，氢化物发生法已用于Fe，Cu、Zn、Sb、Pb、Bi、Cd、Ni等的检测，其中，关于Zn，Cu，Cd，Ni的原子荧光分析法的研究和报道较多，但对于增敏效应以及增敏机理的研究报道还比较缺乏。本文以断续流动氢化物发生-原子荧光法分析了络合剂、介质酸度、表面活性剂以及金属离子对Zn，Cu，Cd，Ni的原子荧光信号的影响及增敏机理。

一、实验部分

1.实验仪器

1.1双道无散射原子荧光仪；

1.2编码空心阴极灯；

1.3屏蔽式的石英原子化炉；

摘要：指出了前手性酮和硅氢试剂的硅氢化反应是一种重要的合成手性醇化合物的方法。综述了在过渡金属-手性N-杂环卡宾配合物催化剂的催化下的硅氢化反应，这类催化剂的配体N-杂环卡宾配体结构多变，给电子能力强，方法具有操作简便，反应条件温和的特点。

关键词：前手性酮；硅氢化反应；过渡金属-N-杂环卡宾；催化反应

1引言

硅氢化反应是硅氢化合物与不饱和键包括碳氧双键，碳氮双键，碳碳双键以及碳碳叁键等，在催化剂的诱导下进行加成反应，生成有机硅化合物。产物水解后，可生成醇、胺等化合物。利用手性催化剂催化前手性酮的硅氢化反应，是一类重要的合成手性醇的方法，反应通式如图1。其中手性醇是合成许多手性药物或手性化合物的重要有机中间体。如抗抑郁药物R-托莫西汀、S-氟西汀，抗哮喘药物R-沙丁胺醇、L-氯丙那林等。与催化加氢合成手性醇反应相比，硅氢化反应条件温和，无需高压条件，而且硅氢化合物化学性质相对比较稳定，易于使用和贮存。因此，从20世纪的60、70年代至今，一直受到研究者的关注。研究者对硅氢化反应高效、高选择性的催化剂的合成与研究，至今方兴未艾。

20世纪80年代，Brunner[1]研究小组首先报道合成了手性噻唑啉类配体1，其催化的硅氢化反应ee值首次达到了90%以上，对不同酮底物有很强的适应性。由此，结构不同的手性配体尤其是一些双齿膦配体等被不断被设计、合成出来，表现出很强的催化活性和立体选择性。如图2中化合物1-4为典型的硅氢化反应双齿配体。近年来，N-杂环卡宾（NHC）配体作为一种新型仿膦配体应用到多种均相催化反应中。NHC配体具有更高的稳定性和更好的给电子能力。结构多变，电子效应和空间效应易调控。目前已有研究发现多种金属如Rh[2，3，4]，Ru[5]，Ir[6]，Cu[7，8]，Pt[9]，Ni[10]，Ag[11]等均可参与催化硅氢化反应，其中金属Rh应用最广泛。许多手性NHC-金属催化剂的底物范围适应性广泛，能高效催化芳香酮和脂肪酮以及杂环芳香酮的硅氢化反应，日益成为一类不可替代的手性催化剂。鉴于硅氢化反应合成手性醇反应的重要性，本文将根据NHC的结构分类综述此类反应在近几年的应用。

2金属-单齿NHC催化的硅氢化反应

1996年，Herrmann[12]小组合成了具有C2对称性的Rh配合物5，首次报道了Rh-手性NHC催化的不对称硅氢化反应，反应式如图3。该反应具有高度的催化性能，但是产物的立体选择性不高，ee值最高为32%。作者认为原因可能是因为配体咪唑环的手性侧链会绕着C-N键快速的旋转，造成配位金属周围的手性环境难以固定。最近，该小组采用位阻更大的Rh-配合物6，在-20℃下催化丙酮酸丙酯的硅氢化反应，转化率最高达98%，ee值最高可达74%[13]。

3金属-双齿NHC催化的硅氢化反应