Водород имеет самую высокую теплопроводность среди всех газов. Однако он все еще считается плохим проводником тепла. Что касается его электропроводности, то он является плохим проводником электричества при нормальных условиях. Однако при достаточном охлаждении водорода он становится сверхпроводником. Напротив, при достаточном нагревании водород становится плазмой и становится высокопроводящим. Рассмотрим это подробнее.
Несмотря на то, что водород неметалл, он расположен выше первой группы в периодической таблице. Это потому, что он имеет электронную конфигурацию ns1, как и щелочные металлы. Водород остается неметаллом даже в этом состоянии. Принцип проводимости гласит, что электроны должны свободно перемещаться для осуществления проводимости. Поскольку атомы водорода крепко держатся за свои электроны, он плохо проводит тепло и электричество.
Теплопроводность дает нам представление о способности материала проводить тепло. Это свойство материала, и его более высокие значения описывают лучшую теплопроводность. Для большинства газов и паров значение теплопроводности составляет от 0,01 до 0,03 Вт/мК при комнатной температуре. Однако водород является исключением. Он имеет самую высокую теплопроводность среди всех газов (0,18). Единственный близкий к этому – гелий (0,15).
Причина такой высокой теплопроводности водорода заключается в том, что существуют два изомера водорода – орто- и параводород. Они находятся в равновесии друг с другом. Теплопроводность водорода зависит от температуры и давления. При стандартной температуре и давлении водородный газ имеет около 25% параформы и 75% ортоформы.
При более низких температурах доля параводорода более преобладает. Тогда как при очень низких температурах параформа присутствует более исключительно. Напротив, с повышением температуры доля орто увеличивается.
Подобно теплопроводности, электропроводность водорода зависит от температуры. Если водород достаточно охлажден, он может быть сверхпроводником. Его также можно нагреть до высокой температуры, чтобы он существовал как плазма, которая обладает высокой проводимостью. Если давление достаточно высокое, водород также становится хорошим проводником.
Водород в своем естественном состоянии является идеальным изолятором. Подобные газы, такие как кислород, азот и т. д., являются плохими проводниками тепла. Однако водород становится очень хорошим проводником электричества при очень высоком давлении. Эксперименты показали, что если давление превышает 220 ГПа, водород становится непрозрачным и электропроводным. При 260–270 ГПа водород превратится в металл. В результате проводимость водорода резко возрастет. При изменении давления до 300 ГПа или охлаждении по крайней мере до 30 К образец будет хорошо отражать свет.
В атмосферных условиях водород является газом. Однако, если его охладить ниже -423 градусов по Фаренгейту, он превращается в жидкость. Другой способ превращения водорода в жидкость - сжать его под огромным давлением и высокой температурой. В жидком состоянии молекулы водорода остаются нетронутыми. Поэтому жидкий водород можно считать плохим проводником электричества. При сверхнизких температурах, ниже -423 градусов по Фаренгейту, водород конденсируется в жидкость. Он также превращается в жидкость при более высоких температурах, если его сжать под огромным давлением. Поскольку молекулы остаются нетронутыми, это состояние жидкого водорода является плохим проводником электричества.
Металлический водород – это особая фаза водорода, в которой он ведет себя так, как будто проводит электричество. Исследования показали, что при высоком давлении и температуре металлический водород действительно может существовать как частичная жидкость, а не как твердое тело. Более того, исследователи считают, что он может присутствовать в огромном количестве гравитационно сжатых недр Юпитера, Сатурна и некоторых экзопланет.
Вплоть до комнатной температуры металлический водород может оставаться сверхпроводником. Теория была впервые предложена Нилом Эшкрофтом в 1968 году. Ожидается сильная связь между электронами проводимости и колебаниями решетки. Сделанное предположение основывалось на этом. В начале 2019 года эта информация была подтверждена по крайней мере дважды, поскольку металлический водород был получен в лабораторных условиях.
Более того, эффект Мейсснера при 250 К наблюдался Сильверой и его коллегами во Франции. Теория заключается в том, что если очень высокое давление будет применено для сжатия твердого тела и в результате плотность твердого тела увеличится, то водород превратится в самый легкий известный металл. Он также будет обладать некоторыми интересными свойствами, такими как сверхпроводимость при комнатной температуре или сверхтекучесть.
Теплопроводность водорода в различных состояниях была интересной темой исследований в течение многих лет. Эта статья должна дать полное понимание того, является ли водород проводником или нет.
© digitrode.ru