如果有人問你，氫是什麼形狀的？你一定會罵他神經病：“氫是氣體，哪來什麼形狀？！”

氫隻是氣體嗎？顯然不是，它有氣态、液态和固态。

氫隻有這三态嗎？你又錯了！氫還有原子态、離子态、等離子體态、金屬态和泥漿态。

“泥漿态？！”沒錯。

今天我們就來講講氫豐富的形态。

地球表面自然界中的氫極少，它在地球大氣中的含量僅有0.0001%，所以我們很難找到遊離态的氫。氫氣是最輕的氣體，因為密度隻有0.08988g/L，它們都逃逸到大氣層的上方，有一些被太陽風吹到了太空中。

正因為氫氣很輕，以前它經常被用來給氣球充氣，好讓它有足夠的浮力飛上天。

最新探測結果表明，地球大氣層外圍主要是氫和氫氣

在一個大氣壓下，氫在-252.879°C就開始沸騰，變為氣體氫，所以我們一般看到的氫都是氫氣。它由兩個氫原子組合成H₂，這兩個氫原子之間的距離為74.14pm，我們知道氫原子的直徑是1.1Å，1Å=100pm，這意味着當兩個氫原子組成氫氣分子時，它的外層1s軌道的電子互相之間會有交疊。

氫氣裡的氫分子都是一樣的嗎？并不。

當兩個氫原子相聚時，它們外圍的那個電子有可能相互交疊在一起形成σ軌域，這時候兩個電子會更多地出現在原子之間交連的區域；也有一種可能，兩個電子“互不理睬”，這個時候兩個電子出現在中間的可能性幾乎為0，我們将其稱為反鍵的σ*軌域。σ*軌域擁有的能級比σ軌域要高，所以一般來說氫分子形成σ軌域的可能性更大。

氫分子的σ軌域與反鍵軌域

除了外層電子軌域有可能不同，氫分子還會因為原子核旋轉方向的不同而導緻相互之間有差别。

氫的原子核隻有一個質子，質子是帶自旋的，當兩個自旋方向相同的氫原子核組合時，它們組成的氫分子被稱為“正氫”，而當它們旋轉方向相反時，則被稱為“仲氫”，氫分子的這種現象被稱為旋轉異構體。仲氫的能量低于正氫，在25K的低溫下，仲氫的比例為99.01%；随着溫度的上升，正氫與仲氫的比值逐漸趨向于3:1，當達到室溫狀态時，氫氣中含有74.87%的正氫和25.13%的仲氫；因為正氫是氫氣的激發态，你很難得到很純的正氫。仲氫與正氫之間的轉換很重要，生産氫氣的化工企業使用催化劑來阻止仲氫的轉換，這可以使液态氫氣更少地揮發。

由于氫氣實在是太占地方，它不利于儲存及運輸，所以我們需要把它變成液态。當将氫氣的溫度冷卻到-252.87℃時，我們就得到了像水一樣的氫。

液态的氫像水一樣，無色透明

液态氫由99.79％的仲氫和0.21％的正氫組成。在沸點以下，液态氫的密度僅為70.99g/L，比水要輕多了，因此它運輸起來也很方便。

那麼，将液态氫直接用于火箭燃料是不是合适呢？還不行，在氫氧火箭的燃料槽裡，我們需要一種叫泥漿氫的東西。

形象地說，泥漿氫就是在-259.14℃時氫的“漿糊态”，它介于液态與固态之間，有一定的流動性，但又不算是液體。

泥漿氫的優點很明顯：它的密度要比液态氫高16~20％，這使得同樣體積的燃料槽可以攜帶更多的燃料；它不是液體，不會晃蕩；它不是固體，可以更快地輸送到發動機裡燃燒。

有這麼多的優點，泥漿氫簡直就是氫氧火箭的絕配。阿麗亞娜5型運載火箭

阿麗亞娜5型運載火箭芯級采用了氫氧發動機

固态氫就是金屬氫嗎？它們其實并不是一樣的東西。

當我們将液體氫的溫度繼續降低，當達到-259.14℃（14.01K）時，氫跨過它的熔點，從液體變成了固體。固體氫的密度為0.086g/cm³，這是密度最低的固體之一。

還記得本文開頭的那個問題嗎？固體氫是有形狀的，因為它是六角形緊密排列的晶體結構。

固态氫的六角形晶體結構

固态氫不是金屬氫，金屬氫是氫的一種特殊相。盡管氫處于元素周期表堿金屬的最上端，但在正常條件下氫不具備堿金屬的性質。相反，H₂分子氫的許多物理特性更像元素周期表第二行的非金屬和鹵族元素，比如氮氣和氧氣。

要怎麼才能得到金屬氫呢？當我們給氫氣施加巨大的壓力，直到壓力達到400GPA時，氫才會顯現出它的金屬态。在強大的壓力下，一部分氫的電子從它們原來的軌道脫離出來，成為類似自由電子的狀态，這讓氫具有導電性，并且，室溫下的金屬氫有可能是一種超導體。

用來壓制金屬氫的激光鑽石砧

在實驗室條件下，我們很難通過加壓的手段制備固态金屬氫，即便是使用昂貴的鑽石砧，也隻能給極少量的氫加壓。2017年1月，哈佛大學的研究人員在《科學》雜志上宣布他們在實驗室裡利用495GPA的壓力制成了一小塊金屬氫，這一度被譽為摘取了“高壓物理學的聖杯”，但他們沒有重複自己的實驗。在外界的質疑聲中，2017年2月，一個研究人員“不小心弄破了壓着金屬氫的鑽石砧”，那塊金屬氫因為失壓而“蒸發”了。

但在木星内部就不同了，據科學家們估計，木星表面巨大的氣壓會将它内部的液态氫全部壓成金屬氫，也就是說，在木星的大氣層下方是金屬氫的海洋。

木星大氣層下方的灰色區域是金屬氫的海洋

氫在地球表面通常表現為分子态H₂，當我們給水通上直流電對其進行電解時，氫原子會直接在電極上組合成分子冒出泡來。美國宇航局曾試圖将氫原子跟液态氦混合，當氦氣蒸發時，讓原子态的氫直接輸入到火箭發動機裡與氧氣混合燃燒，據說這樣可以将燃燒效率提高50%。

在太空中這完全不是問題，宇宙中的氫大多以原子态、離子态和等離子體的方式存在，分子态的氫氣很少。這可能是因為宇宙空間極其廣闊，氫原子很少有機會碰到一起的緣故。

在恒星内部，由于存在高溫和高壓，氫原子的外圍電子被迫與原子核分開。這時候氫就變成了高溫等離子體，實際上也就是一個個的質子。氫的這種等離子體在許多星雲中也很普遍。

在星際空間更多的是HII，它通常是被宇宙射線電離的氫，這些HII區域十分巨大，它們的半徑動辄達到數百光年，許多恒星都誕生在這些氫離子的雲團裡。

獵戶座大星雲是直徑24光年HII雲團，質量約為太陽的2000倍

值得注意的是“HII”并不是氫分子H₂，而是電離氫H⁺，也就是遊離的質子，II在天體物理中表示單電離，我們需要将其與2區分開來。另外，在宇宙中還有一種質子化分子氫H₃⁺，它是宇宙中最豐富的離子之一，在星際介質的化學中起着重要的作用。相比之下，正氫分子離子H₂⁺在宇宙中非常稀少。

科學家們通過氫的發射光譜與吸收光譜來确定物質的構成與形态，因為每一種物質它發出來的光都是不同的。科學家具體是怎麼做到的？我們以後會就這個問題專門進行讨論。

我們今天将氫的基本形态簡單做了介紹：

氫除了常見的氣态氫分子H₂外，還有液态、固态和金屬态。在液态與固态之間，氫還有一個獨特的泥漿态，它就像是漿糊一樣。

宇宙中更廣泛存在的是氫的原子态、離子态和等離子态，這些形态的氫構成了恒星、星雲和星際介質，它們也是宇宙中氫最多的存在形式。

氫在元素周期表中的位置

氫不僅有如此豐富的形态，它還有好幾種同位素，這些核素在核工業中有重要的應用，我将在以後的文章中為你介紹。

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