氢元素是稀有的吗（氢元素的奇怪形态）

如果有人问你，氢是什么形状的？你一定会骂他神经病：“氢是气体，哪来什么形状？！”

氢只是气体吗？显然不是，它有气态、液态和固态。

氢只有这三态吗？你又错了！氢还有原子态、离子态、等离子体态、金属态和泥浆态。

“泥浆态？！”没错。

今天我们就来讲讲氢丰富的形态。

气态氢

地球表面自然界中的氢极少，它在地球大气中的含量仅有0.0001%，所以我们很难找到游离态的氢。氢气是最轻的气体，因为密度只有0.08988g/L，它们都逃逸到大气层的上方，有一些被太阳风吹到了太空中。

正因为氢气很轻，以前它经常被用来给气球充气，好让它有足够的浮力飞上天。

最新探测结果表明，地球大气层外围主要是氢和氢气

在一个大气压下，氢在-252.879°C就开始沸腾，变为气体氢，所以我们一般看到的氢都是氢气。它由两个氢原子组合成H₂，这两个氢原子之间的距离为74.14pm，我们知道氢原子的直径是1.1Å，1Å=100pm，这意味着当两个氢原子组成氢气分子时，它的外层1s轨道的电子互相之间会有交叠。

氢气里的氢分子都是一样的吗？并不。

当两个氢原子相聚时，它们外围的那个电子有可能相互交叠在一起形成σ轨域，这时候两个电子会更多地出现在原子之间交连的区域；也有一种可能，两个电子“互不理睬”，这个时候两个电子出现在中间的可能性几乎为0，我们将其称为反键的σ*轨域。σ*轨域拥有的能级比σ轨域要高，所以一般来说氢分子形成σ轨域的可能性更大。

氢分子的σ轨域与反键轨域

除了外层电子轨域有可能不同，氢分子还会因为原子核旋转方向的不同而导致相互之间有差别。

氢的原子核只有一个质子，质子是带自旋的，当两个自旋方向相同的氢原子核组合时，它们组成的氢分子被称为“正氢”，而当它们旋转方向相反时，则被称为“仲氢”，氢分子的这种现象被称为旋转异构体。仲氢的能量低于正氢，在25K的低温下，仲氢的比例为99.01%；随着温度的上升，正氢与仲氢的比值逐渐趋向于3:1，当达到室温状态时，氢气中含有74.87%的正氢和25.13%的仲氢；因为正氢是氢气的激发态，你很难得到很纯的正氢。仲氢与正氢之间的转换很重要，生产氢气的化工企业使用催化剂来阻止仲氢的转换，这可以使液态氢气更少地挥发。

液态氢

由于氢气实在是太占地方，它不利于储存及运输，所以我们需要把它变成液态。当将氢气的温度冷却到-252.87℃时，我们就得到了像水一样的氢。

液态的氢像水一样，无色透明

液态氢由99.79％的仲氢和0.21％的正氢组成。在沸点以下，液态氢的密度仅为70.99g/L，比水要轻多了，因此它运输起来也很方便。

那么，将液态氢直接用于火箭燃料是不是合适呢？还不行，在氢氧火箭的燃料槽里，我们需要一种叫泥浆氢的东西。

泥浆氢（Slush hydrogen）

形象地说，泥浆氢就是在-259.14℃时氢的“浆糊态”，它介于液态与固态之间，有一定的流动性，但又不算是液体。

泥浆氢的优点很明显：它的密度要比液态氢高16~20％，这使得同样体积的燃料槽可以携带更多的燃料；它不是液体，不会晃荡；它不是固体，可以更快地输送到发动机里燃烧。

有这么多的优点，泥浆氢简直就是氢氧火箭的绝配。阿丽亚娜5型运载火箭

阿丽亚娜5型运载火箭芯级采用了氢氧发动机

固态氢与金属氢

固态氢就是金属氢吗？它们其实并不是一样的东西。

当我们将液体氢的温度继续降低，当达到-259.14℃（14.01K）时，氢跨过它的熔点，从液体变成了固体。固体氢的密度为0.086g/cm³，这是密度最低的固体之一。

还记得本文开头的那个问题吗？固体氢是有形状的，因为它是六角形紧密排列的晶体结构。

固态氢的六角形晶体结构

固态氢不是金属氢，金属氢是氢的一种特殊相。尽管氢处于元素周期表碱金属的最上端，但在正常条件下氢不具备碱金属的性质。相反，H₂分子氢的许多物理特性更像元素周期表第二行的非金属和卤族元素，比如氮气和氧气。

要怎么才能得到金属氢呢？当我们给氢气施加巨大的压力，直到压力达到400GPA时，氢才会显现出它的金属态。在强大的压力下，一部分氢的电子从它们原来的轨道脱离出来，成为类似自由电子的状态，这让氢具有导电性，并且，室温下的金属氢有可能是一种超导体。

用来压制金属氢的激光钻石砧

在实验室条件下，我们很难通过加压的手段制备固态金属氢，即便是使用昂贵的钻石砧，也只能给极少量的氢加压。2017年1月，哈佛大学的研究人员在《科学》杂志上宣布他们在实验室里利用495GPA的压力制成了一小块金属氢，这一度被誉为摘取了“高压物理学的圣杯”，但他们没有重复自己的实验。在外界的质疑声中，2017年2月，一个研究人员“不小心弄破了压着金属氢的钻石砧”，那块金属氢因为失压而“蒸发”了。

但在木星内部就不同了，据科学家们估计，木星表面巨大的气压会将它内部的液态氢全部压成金属氢，也就是说，在木星的大气层下方是金属氢的海洋。

木星大气层下方的灰色区域是金属氢的海洋

氢的原子态、离子态和等离子体态

氢在地球表面通常表现为分子态H₂，当我们给水通上直流电对其进行电解时，氢原子会直接在电极上组合成分子冒出泡来。美国宇航局曾试图将氢原子跟液态氦混合，当氦气蒸发时，让原子态的氢直接输入到火箭发动机里与氧气混合燃烧，据说这样可以将燃烧效率提高50%。

在太空中这完全不是问题，宇宙中的氢大多以原子态、离子态和等离子体的方式存在，分子态的氢气很少。这可能是因为宇宙空间极其广阔，氢原子很少有机会碰到一起的缘故。

在恒星内部，由于存在高温和高压，氢原子的外围电子被迫与原子核分开。这时候氢就变成了高温等离子体，实际上也就是一个个的质子。氢的这种等离子体在许多星云中也很普遍。

在星际空间更多的是HII，它通常是被宇宙射线电离的氢，这些HII区域十分巨大，它们的半径动辄达到数百光年，许多恒星都诞生在这些氢离子的云团里。

猎户座大星云是直径24光年HII云团，质量约为太阳的2000倍

值得注意的是“HII”并不是氢分子H₂，而是电离氢H⁺，也就是游离的质子，II在天体物理中表示单电离，我们需要将其与2区分开来。另外，在宇宙中还有一种质子化分子氢H₃⁺，它是宇宙中最丰富的离子之一，在星际介质的化学中起着重要的作用。相比之下，正氢分子离子H₂⁺在宇宙中非常稀少。

科学家们通过氢的发射光谱与吸收光谱来确定物质的构成与形态，因为每一种物质它发出来的光都是不同的。科学家具体是怎么做到的？我们以后会就这个问题专门进行讨论。

总结

我们今天将氢的基本形态简单做了介绍：

氢除了常见的气态氢分子H₂外，还有液态、固态和金属态。在液态与固态之间，氢还有一个独特的泥浆态，它就像是浆糊一样。

宇宙中更广泛存在的是氢的原子态、离子态和等离子态，这些形态的氢构成了恒星、星云和星际介质，它们也是宇宙中氢最多的存在形式。

氢在元素周期表中的位置

氢不仅有如此丰富的形态，它还有好几种同位素，这些核素在核工业中有重要的应用，我将在以后的文章中为你介绍。

,