冯大诚的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/fdc1947 交流思想 交流文化

博文

杂说氦元素(上)从低温说起 精选

已有 4565 次阅读 2019-7-26 08:16 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦| 氦元素, 单原子分子, 沸点, 超导, 分子间作用力

杂说氦元素(上)从低温说起

天气炎热,大家都希望凉快一点。近水的朋友就会下河、下海或者到泳池里去游泳,正常的情况下,那里会凉快一点。过去没有冰箱的时候,家里会在上午就把一个西瓜,放在井里,到了傍晚,把西瓜拿起来,一家人就可以吃上冰凉可口的西瓜了。我们做化学反应的,有的化学反应需要在零度左右的温度下进行,我们就把发生反应的试管或烧瓶放在冰水里冷却,这就是所谓冰浴。如果在冰水里加盐,那么最低的温度可以接近零下20度。

如果需要周围的温度更低,通常可以用液态氮。氮的沸点是-196摄氏度,有些需要极低温度的物质就可以保存在液氮中,例如草原上要给牲畜人工授精,优良品种牲畜的精子就保存在液氮里,虽然各牧场交通不便,但由于储存液氮的容器体积不大,很容易拿到各牧场。

如果要使周围有最低的温度,那就只能用液态氦了。氦的沸点是-269摄氏度,离开“绝对零度”只有4度了。氦是世界上最难液化的物质。有的朋友会问,这是为什么?我们不妨从头说起。

我们从小就知道,在通常情况下,物质有固态、液态、气态三种状态。在正常的一个大气压下,由固态到液态的转换温度是熔点,由液态到气态的转换温度称沸点。在一定的温度下,一个物质之所以成为固态、液态还是气态,是由它的结构性质造成的。

组成一般物质的最基本单位是原子,由原子组成分子或晶体或非晶体。究竟在常温下是什么状态,要看分子的大小和分子之间的作用力的大小。

例如,氮气由两个氮原子组成氮分子,分子很小,又是非极性分子,分子之间作用力很小,有点动能就分开了,很难凝聚在一起,所以常温下是气体,而且沸点很低,上面已经说过,要到-196摄氏度才能够液化,凝聚成液体。

二氧化碳分子由两个氧原子和一个碳原子组成,分子很小,也是非极性分子,分子间作用力也小,所以常温下也是气体。但是,氧原子与碳原子之间的化学键毕竟是有极性的(只是因为两个碳原子对称排列而使分子总体上不显极性),分子之间可以有一定的相互作用,所以其沸点比氮气要高一些。在-78摄氏度时会由晶体直接升华变成气体。人们把固体的二氧化碳称为“干冰”,在舞台上制造“云雾”效果。

水分子由两个氢原子和一个氧原子组成,分子比二氧化碳还小。但是,与二氧化碳不同,氧原子与两个氢原子不在一条直线上,氧原子与氢原子之间化学键的极性又很大,所以整个分子显出很大的极性。两个分子之间不但有一般分子之间的作用力,而且不同分子之间的氧原子和氢原子,还有可能形成氢键。这样的分子就非常容易凝聚在一起,所以,在常温下水就是液体,沸点高达100摄氏度。

汽油是许多种烷烃的混合物,以它们的代表物正庚烷(辛烷值0)和异辛烷(辛烷值100)为例。它们的分子式分别是C7H16和C8H18,比水分子大得多,但是,由于氢原子在碳原子边上分布得较为均匀,总的极性不大。但是,由于毕竟分子比水分子要大得多。它们的沸点分别为98和99摄氏度,基本上与水分子差不多。

牛油和羊油,都是脂肪酸的甘油三酯,由于它们的分子都比较大,比如其中一个主要的脂肪酸硬脂酸就有十八个碳原子的碳链,这样的分子之间总会有许多相互作用,致使由这样的分子组成的物质,在常温下就是固体。

又如,铁由一个个铁原子整整齐齐地紧紧的排在一起,有些电子在不同的原子之间流动,形成所谓金属键,使得许许多多的铁原子组成铁的晶体。其他与铁相似的金属也是如此。它们的原子没有形成分子,而是直接组成晶体(如果硬要说分子,那就是一些巨大无比的分子)。大多数金属晶体都有较高的熔点和沸点。

又如,像石英这样的物质,虽然在学习化学的时候,经常把它们写出二氧化硅,但是,实际上石英中并没有二氧化硅分子,只是由巨大数量的硅原子和氧原子通过化学键形成了晶体,二氧化硅只是说明了在晶体中硅原子与氧原子的比例是1:2(也可以认为是巨大无比的分子)。由于硅氧键的强度非常大,所以其熔点就很高。同样的情况还有三氧化二铝以及许多无机的氧化物,他们的熔点往往比金属还高,我们用以熔炼金属的坩埚往往都是这样的氧化物。

所以,要想熔点和沸点低,就必须是分子要小,分子之间的作用力也要小。

分子中最小的就是氦,分子间作用力最小的也是氦

大家都知道,氦是第二号元素,原子核中有两个质子(大多数情况下还有两个中子),核外有两个电子。这是一个惰性元素。

惰性元素有氦、氖、氩、氪、氙、氡。由于他们的原子结构都处于满壳层状态,一般情况下它们都不与任何物质(包括自身)组成分子,也就是说,其原子就是分子,称单原子分子。

正常情况下,呈电中性的单原子分子之间的静电相互作用都很小,所以,这些惰性元素的熔点和沸点都很低,室温下都是气体,称为惰性气体。

但是,由于电子总是在不断运动之中,原子越大,核外电子越多,体积越大,越容易发生形变,也就是说,原子的正负电荷的重心常常不在一起。这时候,原子之间的相互作用力(往往称为色散力)就会增大。这样,惰性气体元素的熔点和沸点都随着原子的增大而增高。在常压下,氦、氖、氩、氪、氙和氡的沸点分别是-269、-246、-186、-152、-108和-65摄氏度。

氦的沸点是最低的,在这样的极低温度下,人们发现了物质的一些特殊性质。例如在液态氦的低温环境中,人们发现了超导现象1911年,荷兰人昂内斯发现,将汞冷却到-268.98℃(4.2K)时,汞的电阻突然消失后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,这就是超导。降温时使某种物质转变为具有超导性质的温度称为该物质的超导临界温度。

超导对于人们有极大的意义。一旦人们拥有了广泛实用的超导技术,人类将取得极其重大的技术进步和社会发展。我们从中学就知道了欧姆定律,电流等于电压除以电阻,电阻是取得大电流的最大障碍。如果电流很大,导线的发热将非常厉害。一旦我们可以使得导体中的电阻接近于零,我们就能够获得大电流。这对于电力的输送毫无疑问是一个福音。

电流经过线圈能够产生磁场。这样,大电流又是取得大磁场的必要条件。大家都知道磁悬浮列车,在大磁场中,列车能够悬浮在轨道上前进,极大的减少前进中的摩擦阻力。

可控核聚变是将来人们最有希望的能源。但是核聚变要在至少数百万度的高温下进行,我们不可能有一个能够容忍这样高温度的“容器”,所以,可控的核聚变只能用强磁场把反应约束在空中。而产生强磁场的条件是要有强大的电流,而产生大电流的关键是极小的电阻,不然,没有导体能够容忍这样的大电流,所以,超导对于可控核聚变的应用有极其重大的意义。

如果人们必须要在液态氦的极低温度即-269摄氏度的条件下才能够实现超导,这就给超导加上了一个几乎不可能有实际应用的桎梏。所以,人们必须找到在略高一点的温度条件下具有超导性质的物质,也就是说,人们必须找到临界温度较高的物质。

1911年开始的几十年里,人们在寻找“高温超导”材料方面取得的进展并不大。因为人们想到的导体总是金属,在人们的思想里,金属才是好的导体,而氧化物之类的陶瓷一定是“绝缘体”。事情到了1986年终于发生了大的变化,人们发现钡镧铜氧化物的超导临界温度是30K(即-243摄氏度)。“钡镧铜氧化物”是“陶瓷”一类的,竟然有超导的性质。这个发现给“高温超导”打开了一扇前所未有的大门。很快,人们又找到了在40K温度下具有超导性质的物质。接着人们又找到了超导的临界温度到达了90K的物质(例如钇-钡-铜-氧系材料)。这又是一个大的突破,因为这样的超导可以在液氮的条件下实现了。

众所周知,氦在地球的的含量不多,液态氦所需要的温度也太低。而氮气占了空气中的五分之四,对于人类来说真是取之不尽的。上面所说的临界温度90K就是-183摄氏度,比液态氮的沸点-196摄氏度高了,也就是说,在液氮中人们就能够实现超导,这就为超导的实际应用开辟了道路。

(未完待续)




http://blog.sciencenet.cn/blog-612874-1191124.html

上一篇:我经历的高考阅卷及由回忆引发的感想
下一篇:杂说氦元素(下)氦原子与量子力学

19 李学宽 陈有鑑 鲍海飞 尤明庆 刘德力 黄永义 杨正瓴 梁庆华 刘勇 张成才 付小军 单坚开 武夷山 范振英 姚远 孙冰 王俊杰 周春雷 晏成和

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (12 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-10-18 15:00

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部