El hidrógeno sólido es el estado sólido del elemento hidrógeno , que se logra al disminuir la temperatura por debajo del punto de fusión del hidrógeno de 14.01 K (-259.14 ° C; -434.45 ° F). Fue recopilado por primera vez por James Dewar en 1899 y publicado con el título "Sur la solidification de l'hydrogène" (en inglés: sobre la solidificación del hidrógeno) en los Annales de Chimie et de Physique , séptima serie, vol. 18, octubre de 1899. [1] [2] El hidrógeno sólido tiene una densidad de 0,086 g / cm 3, lo que lo convierte en uno de los sólidos de menor densidad.
Hidrógeno sólido molecular
A bajas temperaturas y presiones de hasta alrededor de 400 GPa, el hidrógeno forma una serie de fases sólidas formadas a partir de moléculas discretas de H2 . Fase I se produce a bajas temperaturas y presiones, y consta de una matriz de empaquetamiento compacto hexagonal de girar libremente H 2 moléculas. Al aumentar la presión a baja temperatura, se produce una transición a la Fase II hasta 110 GPa. [3] La fase II es una estructura de simetría rota en la que las moléculas de H 2 ya no pueden girar libremente. [4] Si la presión aumenta aún más a baja temperatura, se encuentra una Fase III a aproximadamente 160 GPa. Al aumentar la temperatura, se produce una transición a una Fase IV a una temperatura de unos pocos cientos de kelvin en un rango de presiones por encima de 220 GPa. [5] [6]
Identificar las estructuras atómicas de las diferentes fases del hidrógeno sólido molecular es extremadamente desafiante, porque los átomos de hidrógeno interactúan con los rayos X de manera muy débil y solo se pueden lograr pequeñas muestras de hidrógeno sólido en las células del yunque de diamante, por lo que la difracción de rayos X proporciona resultados muy limitados información sobre las estructuras. Sin embargo, las transiciones de fase se pueden detectar buscando cambios abruptos en los espectros Raman de las muestras. Además, las estructuras atómicas se pueden inferir de una combinación de espectros Raman experimentales y modelado de primeros principios. [7] Los cálculos de la teoría funcional de la densidad se han utilizado para buscar estructuras atómicas candidatas para cada fase. Estas estructuras candidatas tienen bajas energías libres y espectros Raman de acuerdo con los espectros experimentales. [8] [9] [10] Los métodos cuánticos de Monte Carlo junto con un tratamiento de primeros principios de los efectos vibracionales anarmónicos se han utilizado para obtener las energías libres relativas de Gibbs de estas estructuras y, por lo tanto, para obtener un diagrama de fase teórico de presión-temperatura que está en un acuerdo cuantitativo razonable con el experimento. [11] Sobre esta base, se cree que la Fase II es una estructura molecular de simetría P 2 1 / c ; La fase III es (o es similar a) una estructura de simetría C 2 / c que consta de capas planas de moléculas en una disposición hexagonal distorsionada; y la Fase IV es (o es similar a) una estructura de simetría Pc , que consta de capas alternas de moléculas fuertemente unidas y láminas similares al grafeno débilmente unidas.
Ver también
Referencias
- ^ Correspondencia y AI general DEWAR / Box DI
- ^ Dewar, James (1899). "Sur la solidification de l'hydrogène" . Annales de Chimie et de Physique . 18 : 145-150.
- ^ H.-K. Mao y RJ Hemley (1994). "Transiciones de ultra alta presión en hidrógeno sólido". Rev. Mod. Phys . 66 (2): 671–692. Código Bibliográfico : 1994RvMP ... 66..671M . doi : 10.1103 / RevModPhys.66.671 .
- ^ I. Goncharenko y P. Loubeyre (2005). "Estudio de difracción de rayos X y neutrones de la transición de fase de simetría rota en deuterio sólido". Naturaleza . 435 (7046): 1206–1209. Código Bibliográfico : 2005Natur.435.1206G . doi : 10.1038 / nature03699 . PMID 15988519 .
- ^ RT Howie, CL Guillaume, T. Scheler, AF Goncharov y E. Gregoryanz (2012). "Fase molecular y atómica mixta de hidrógeno denso" . Phys. Rev. Lett . 108 (12): 125501. Código Bibliográfico : 2012PhRvL.108l5501H . doi : 10.1103 / PhysRevLett.108.125501 . PMID 22540596 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ MI Eremets e IA Troyan (2011). "Hidrógeno denso conductor". Materiales de la naturaleza . 10 (12): 927–931. Código Bibliográfico : 2011NatMa..10..927E . doi : 10.1038 / nmat3175 . PMID 22081083 .
- ^ JM McMahon, MA Morales, C. Pierleoni y DM Ceperley (2012). "Las propiedades del hidrógeno y el helio en condiciones extremas" (PDF) . Rev. Mod. Phys . 84 (4): 1607–1653. Código Bibliográfico : 2012RvMP ... 84.1607M . doi : 10.1103 / RevModPhys.84.1607 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ CJ Pickard y RJ Needs (2007). "Estructura de la fase III del hidrógeno sólido" . Nat. Phys . 3 (7): 473–476. Código Bibliográfico : 2007NatPh ... 3..473P . doi : 10.1038 / nphys625 .
- ^ CJ Pickard y RJ Needs (2009). "Estructuras a alta presión de búsqueda aleatoria". Phys. Estatus Solidi B . 246 (3): 536–540. Código bibliográfico : 2009PSSBR.246..536P . doi : 10.1002 / pssb.200880546 .
- ^ CJ Pickard, M. Martinez-Canales y RJ Needs (2012). "Estudio de la teoría funcional de la densidad de la fase IV del hidrógeno sólido". Phys. Rev. B . 85 (21): 214114. arXiv : 1204.3304 . Código bibliográfico : 2012PhRvB..85u4114P . doi : 10.1103 / PhysRevB.85.214114 .
- ^ ND Drummond, B. Monserrat, JH Lloyd-Williams, P. Lopez Rios, CJ Pickard y RJ Needs (2015). "Estudio cuántico de Monte Carlo del diagrama de fases del hidrógeno molecular sólido a presiones extremas" . Nat. Comun . 6 : 7794. arXiv : 1508.02313 . Código Bibliográfico : 2015NatCo ... 6E7794D . doi : 10.1038 / ncomms8794 . PMC 4525154 . PMID 26215251 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Otras lecturas
- Características de fusión y propiedades termofísicas a granel del hidrógeno sólido ", Laboratorio de propulsión de cohetes de la Fuerza Aérea , Informe técnico, 1972
enlaces externos
- " Propiedades del hidrógeno sólido a muy bajas temperaturas " (2001)
- " Experimentos de hidrógeno sólido para propulsores atómicos "