Номер 6, страница 308 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

6. Что такое металлический водород?

Решение

Металлический водород — это фаза водорода, которая, как предсказывает теория, образуется при чрезвычайно высоком давлении. В нормальных условиях водород является газом, состоящим из двухатомных молекул $H_2$, и представляет собой диэлектрик. Однако, если подвергнуть водород давлению в несколько сотен гигапаскалей (свыше 400 ГПа, что в миллионы раз превышает атмосферное давление), его физические свойства кардинально изменяются.

Процесс перехода выглядит следующим образом:

1. Под действием гигантского давления расстояние между молекулами $H_2$ сокращается настолько, что их электронные оболочки начинают перекрываться.
2. В конечном итоге ковалентные связи внутри молекул разрываются, и вещество переходит в атомарное состояние.
3. Электроны перестают быть связанными с конкретными протонами (ядрами атомов водорода) и образуют "электронный газ" — совокупность свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объёму вещества.
4. Протоны, в свою очередь, выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку.

Такая структура — кристаллическая решётка из положительных ионов и "море" свободных электронов — характерна для металлов. Именно поэтому данная фаза водорода и называется металлической. Как и обычные металлы, металлический водород должен обладать высокой электро- и теплопроводностью.

Где встречается и для чего нужен:

• В природе: Считается, что металлический водород (в основном в жидком виде) составляет значительную часть недр планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Огромное давление в их мантиях создаёт условия для его образования. Предполагается, что электрические токи в слое жидкого металлического водорода генерируют мощные магнитные поля этих планет.
• В науке и технологиях: Получение металлического водорода в лаборатории является одной из важнейших задач физики высоких давлений. Теоретически, он может обладать рядом уникальных свойств:
  • Высокотемпературная сверхпроводимость: Некоторые теории предсказывают, что он может быть сверхпроводником даже при комнатной температуре. Это произвело бы революцию в энергетике и технике.
  • Метастабильность: Существует гипотеза, что металлический водород может оставаться в металлическом состоянии даже после снятия сверхвысокого давления. Если это так, то при его обратном переходе в молекулярную форму выделится огромное количество энергии. Это сделало бы его самым эффективным химическим ракетным топливом, которое только можно представить. Однако большинство современных моделей показывают, что он, скорее всего, неметастабилен.

Экспериментальное получение и подтверждение свойств металлического водорода чрезвычайно сложно, и хотя о его создании в лабораториях заявлялось несколько раз, эти результаты пока остаются предметом научных дискуссий.

Ответ: Металлический водород — это гипотетическая фаза водорода, которая образуется при сверхвысоких давлениях (сотни гигапаскалей), в которой молекулы водорода распадаются на протоны и электроны. Протоны образуют кристаллическую решётку, а электроны становятся свободными, что придаёт веществу свойства металла, в частности, высокую электропроводность.