从氦气不惰性的逆天研究谈谈氧化还原

发布时间:

2023-08-07 10:31

元素周期表上第一个元素是氢H,第二个元素He是一个非常神奇的元素。氢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。氢排在元素周期表第一列,是碱性金属元素;氦排在元素周期表最后一列是零族元素,这一排元素六种氦、氖、氩、氪、氙、氡过去曾经叫惰性气体,后来因为发现有的元素并不惰性,改为稀有气体,但是其实有的元素一点都不稀有,尤其是氦,在宇宙中广泛分布。关于惰性气体,本来是因为不能与其他物质反应,后来先后发现氩、氪、氙、氡都有已被确认的化合物存在。只有氦、氖没有找到。最新的研究证明,氦也不真正惰性,仍然可以与其他物质反应形成稳定化合物。

所有元素中,氦拥有最大的电离能,就是它周围的电子最最不容易被剥离,给电子作用是还原作用,而接受电子是氧化作用,接受电子的物质则是氧化物。氦气提供电子的可能性比较小,也是非常非常弱的还原剂。氦的亲电子能力几乎为零,这就意味着氦也难以得到电子,氧化性也极其微弱。

谈到氧化还原,我们比较有兴趣。我们最熟悉的氧气所以称为氧气,就是因为比较容易给其他物质提供电子。氢气我们也都非常熟悉,则是非常容易获得电子,获得电子的氢气是还原剂。最早开始研究氢气生物学效应的学者,也都是基于氢气具有提供电子的能力,具有还原性。其他还原剂如维生素C维生素E同样也具有提供电子的作用。当然,氢气和其他还原性物质不同的是在生物体内具有选择性抗氧化作用,本质是具有温和的抗氧化作用,是不影响生物内环境平衡的还原剂。

背景知识:所有电子都是会自转的,有电的颗粒旋转造成有磁性,所有电子磁性因为旋转方向不同造成磁性有不同方向的,电子磁性方向有两种,所以电子和另外不同方向的电子在一起是最稳定的。自由基为什么容易与其他物质发生反应,就是因为存在不成对电子。氦为什么不容易与其他物质发生反应,就是因为电子的完美成对分布。说是完美,是因为氦原子只有一对电子。据说这是最坚固的结构。氢只有一个电子,本质就是自由基一个,但是氢气分子不一样,是由两个氢原子抱团取暖形成的稳定分子。但氢气分子这样的稳定和氦原子的稳定性相比,简直就是鸡蛋和石头的差别。

氦的这种几乎没有氧化性几乎没有还原性,死猪不怕开水烫的极度惰性特征是因为其闭壳层电子组态,这种原子外壳是完满的状态,也是稳定的状态。

不过科学家认为,氦在地球大气环境中虽然稳定,但是如果在极端高压下,这样的环境在地球核心和其他星球核心存在,氦的化学性质会发生变化。最近一项中美学者共同完成的研究证明,氦和钠在极端高压下可以形成化合物氦化二钠,这一研究具有颠覆性意义,无法用常规化学理论来解释。

北京高压科学研究中心和南开大学的董校博士通过“晶体结构预测”模型进行演算发现,在极度的压力之下,一种稳定的氦钠化合物能够形成。然后他们在金刚石压腔实验中真的创造出了前所未见的化合物:Na2He。实验为氦和钠原子提供相当于110万倍地球大气压的条件。论文通讯作者南开大学王慧田教授介绍:“这种化合物非常奇特:氦原子通常不会形成任何化学键,新物质从根本上改变了钠原子间化学相互作用,迫使电子集中在该结构立方空间内,同时具有绝缘能力。”共同通讯作者Artem R. Oganov提到,“Na2He是一种电子盐,受内层电子强烈排斥作用,电子被局域到了体系空间空隙中。在这种情况下,没有原子核的孤立电子可以看成是阴离子,简单来说,Na2He实际上是Na,He和孤立电子对三种成分组成的离子化合物”。

当分析He特殊成键方式时,研究人员意外发现,高压下电子结构被外力所扭曲,导致在常压下很多常识和理论不再适用。研究提示过去科学家对化学键的认识存在盲区,因为利用过去的理论无法全面解释研究现象,这意味着需要提出新理论。

谈到这个研究的意义,董校说。“这种新的化合物可能存在于木星的大气当中,并且它与金属氢的相互作用与巨型行星的物质循环有关。研究说明在高压下必须重新审视常压下的化学规律,可能有必要重新化学教科书。”对这个研究本身不了解,不做具体介绍,有兴趣的同学自己查资料看。

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