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分子氫的雙胞胎兄弟

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蘇明德｜嘉義大學應用化學系

氫原子有氕（輕氫）、氘（重氫）和氚（超重氫）3個親兄弟（同位素），是大家已經知道的。最近，我們還知道，它有第4個同位素，也就是氫4（質量數約為輕氫的4倍）。但氫分子也有雙胞胎兄弟 –正氫（ortho hydrogen）和仲氫（para hydrogen），關於這一點，知道的人就少了一些了。

以前，學者把分子狀態的氫看作是單一的物質。但後來計算分子氫的比熱後，發現計算結果和實驗值不符。因而學者懷疑分子氫不是「單一分子」，而是「混合物」。進一步的研究表明：分子的氫的確有二種。

每個氫分子由兩個氫原子組成。氫原子內部中央有一個原子核（又叫「質子」），原子核外有一個電子繞著原子核旋轉；原子核本身也在自轉（物理學稱這現象為「自旋」）。如果把原子核看成是地球，把電子看作是月亮，原子核和電子的運動行為就像「月亮繞地球公轉且地球本身也在自轉」一樣。

原子核自轉的方向有二種：順時針和逆時針。由原子核自旋方向相同的二個氫原子組成的氫分子稱為「正氫」，由原子核自旋方向相反的兩個氫原子組成的氫分子則稱為「仲氫」。「正氫」與「仲氫」這樣的雙胞胎，在化學上就叫「異構物」。同樣地，在氘分子中也有「正氘」與「仲氘」；氚分子中也有「正氚」和「仲氚」。

在分子氫的雙胞胎兄弟中，「仲氫」能存在於低溫中，而「正氫」很「怕冷」。把氫氣液化，並在超低溫中長期保存後，「仲氫」會穩定存在，但「正氫」會逐漸轉化成「仲氫」，因此液態氫最後幾乎是純「仲氫」。

在較高的溫度中，兩種分子氫都能存在。「仲氫」所占的比率會隨著溫度降低而增加。在常溫下，「正氫」與「仲氫」的量是3比1。在絕對溫度60度時，「仲氫」占65.57％；但在絕對溫度20度時，「仲氫」卻占99.82％。又在絕對零度時，理論上「仲氫」應占100％，但當降低溫度時，「正氫」不是馬上變成「仲氫」，在氣態時一般要幾星期甚至幾個月才達到平衡。液態時，變化雖快一些，但還是慢。

在工業上早已大量生產和使用液態氫，它是由氫氣降溫而製得的。由於「正氫」變「仲氫」比較慢，因此製好的液態氫中，「正氫」的比率高於在這種溫度下應占的比率，而出廠後「正氫」變為「仲氫」的過程仍在進行。每2克「正氫」轉化為「仲氫」約放出310卡的熱量，比同量的液態氫蒸發所需要的熱量218卡大，因此每2克「正氫」轉成「仲氫」大約會使1.5克的液態氫蒸發。兩天以後，會使液態氫損失達30％。這數字很驚人，因為一個好的貯存器中的液態氫，由於外界熱量的影響而引起的蒸發損失才不過1％。

液態氫是低溫物理學研究必不可少的材料，它也可以做為火箭及太空船極有希望的燃料，為了達到有利的實際目標，學者深入研究加快「正氫」、「仲氫」轉化的速率，使這種轉化在生產過程中可以預先完成，以免在貯存、運輸或使用中造成巨大損失。現在這種辦法已經找到了，就是以順磁性的氣體（如分子氧）、順磁性鹽或膠狀氫氧化鐵做為催化劑。例如：以氫氧化鐵做為催化劑，每小時可使240公升的「正氫」變為「仲氫」。

資料來源

《科學發展》2015年7月，511期，56 ~ 57頁

同位素(19) 原子核(6) 科發月刊(5210)

分子氫的雙胞胎兄弟

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