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分子氫的雙胞胎兄弟

104/07/09 瀏覽次數 9894
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」。
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