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從氦氣不惰性的逆天研究談談氧化還原

發(fā)布時間:

2023-08-07 10:31

元素周期表上第一個元素是氫H，第二個元素He是一個非常神奇的元素。氫元素是宇宙中含量最多的元素，氦是宇宙中含量第二多的元素。氫排在元素周期表第一列，是堿性金屬元素；氦排在元素周期表最后一列是零族元素，這一排元素六種氦、氖、氬、氪、氙、氡過去曾經(jīng)叫惰性氣體，后來因為發(fā)現(xiàn)有的元素并不惰性，改為稀有氣體，但是其實有的元素一點都不稀有，尤其是氦，在宇宙中廣泛分布。關于惰性氣體，本來是因為不能與其他物質(zhì)反應，后來先后發(fā)現(xiàn)氬、氪、氙、氡都有已被確認的化合物存在。只有氦、氖沒有找到。最新的研究證明，氦也不真正惰性，仍然可以與其他物質(zhì)反應形成穩(wěn)定化合物。

所有元素中，氦擁有最大的電離能，就是它周圍的電子最最不容易被剝離，給電子作用是還原作用，而接受電子是氧化作用，接受電子的物質(zhì)則是氧化物。氦氣提供電子的可能性比較小，也是非常非常弱的還原劑。氦的親電子能力幾乎為零，這就意味著氦也難以得到電子，氧化性也極其微弱。

談到氧化還原，我們比較有興趣。我們最熟悉的氧氣所以稱為氧氣，就是因為比較容易給其他物質(zhì)提供電子。氫氣我們也都非常熟悉，則是非常容易獲得電子，獲得電子的氫氣是還原劑。最早開始研究氫氣生物學效應的學者，也都是基于氫氣具有提供電子的能力，具有還原性。其他還原劑如維生素C維生素E同樣也具有提供電子的作用。當然，氫氣和其他還原性物質(zhì)不同的是在生物體內(nèi)具有選擇性抗氧化作用，本質(zhì)是具有溫和的抗氧化作用，是不影響生物內(nèi)環(huán)境平衡的還原劑。

背景知識：所有電子都是會自轉(zhuǎn)的，有電的顆粒旋轉(zhuǎn)造成有磁性，所有電子磁性因為旋轉(zhuǎn)方向不同造成磁性有不同方向的，電子磁性方向有兩種，所以電子和另外不同方向的電子在一起是最穩(wěn)定的。自由基為什么容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應，就是因為存在不成對電子。氦為什么不容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應，就是因為電子的完美成對分布。說是完美，是因為氦原子只有一對電子。據(jù)說這是最堅固的結構。氫只有一個電子，本質(zhì)就是自由基一個，但是氫氣分子不一樣，是由兩個氫原子抱團取暖形成的穩(wěn)定分子。但氫氣分子這樣的穩(wěn)定和氦原子的穩(wěn)定性相比，簡直就是雞蛋和石頭的差別。

氦的這種幾乎沒有氧化性幾乎沒有還原性，死豬不怕開水燙的極度惰性特征是因為其閉殼層電子組態(tài)，這種原子外殼是完滿的狀態(tài)，也是穩(wěn)定的狀態(tài)。

不過科學家認為，氦在地球大氣環(huán)境中雖然穩(wěn)定，但是如果在極端高壓下，這樣的環(huán)境在地球核心和其他星球核心存在，氦的化學性質(zhì)會發(fā)生變化。最近一項中美學者共同完成的研究證明，氦和鈉在極端高壓下可以形成化合物氦化二鈉，這一研究具有顛覆性意義，無法用常規(guī)化學理論來解釋。

北京高壓科學研究中心和南開大學的董校博士通過“晶體結構預測”模型進行演算發(fā)現(xiàn)，在極度的壓力之下，一種穩(wěn)定的氦鈉化合物能夠形成。然后他們在金剛石壓腔實驗中真的創(chuàng)造出了前所未見的化合物：Na₂He。實驗為氦和鈉原子提供相當于110萬倍地球大氣壓的條件。論文通訊作者南開大學王慧田教授介紹：“這種化合物非常奇特：氦原子通常不會形成任何化學鍵，新物質(zhì)從根本上改變了鈉原子間化學相互作用，迫使電子集中在該結構立方空間內(nèi)，同時具有絕緣能力。”共同通訊作者Artem R. Oganov提到，“Na₂He是一種電子鹽，受內(nèi)層電子強烈排斥作用，電子被局域到了體系空間空隙中。在這種情況下，沒有原子核的孤立電子可以看成是陰離子，簡單來說，Na₂He實際上是Na，He和孤立電子對三種成分組成的離子化合物”。

當分析He特殊成鍵方式時，研究人員意外發(fā)現(xiàn)，高壓下電子結構被外力所扭曲，導致在常壓下很多常識和理論不再適用。研究提示過去科學家對化學鍵的認識存在盲區(qū)，因為利用過去的理論無法全面解釋研究現(xiàn)象，這意味著需要提出新理論。

談到這個研究的意義，董校說。“這種新的化合物可能存在于木星的大氣當中，并且它與金屬氫的相互作用與巨型行星的物質(zhì)循環(huán)有關。研究說明在高壓下必須重新審視常壓下的化學規(guī)律，可能有必要重新化學教科書。”對這個研究本身不了解，不做具體介紹，有興趣的同學自己查資料看。

元素,物質(zhì),化合物

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