在高壓力下氦不再是惰性氣體，可形成穩定化合物

最新研究發現，稀有氣體可以幫助其他原子結合，形成全新的穩定化合物。

供圖：羅布·馬米恩（Rob Marmion）從圖片素材庫中獲得

作者：Charles Q. Choi；來源：AIP InsideScience

氦是宇宙中化學性質最穩定的惰性氣體，但在去年，科學家們證明它可以與其他元素順利形成穩定的化合物。現在，研究人員認為他們已經找到了這種化合物的成因——氦就像一個調解員一樣，可以幫助其他難以共處的原子保持團結。這些新發現表明，氦形成化合物的幾率遠遠超出我們之前的設想，而且在地球深處可能正在發生這種事。

穩定的 「氦化二鈉」化合物

氦是宇宙中第二常見的元素，其在宇宙中的含量僅次於氫，在恆星和其他氣態巨行星中都能找到大量的氦。不過，儘管氫可以很容易的與其他元素形成化合物，比如水，但氦卻是惰性氣體家族的成員之一，而惰性氣體長久以來都被認為不能與其他元素髮生化學反應。

著名的氣體巨行星——木星，其大氣就主要由氫和氦組成

在過去的幾十年里，研究人員確實已經發現了一些氦與其他元素形成化合物的例子，但是這些化合物都極度不穩定。然後，在2017年，研究人員利用氦和鈉在高壓下合成了一種名為「氦化二鈉（disodium helide）」的穩定化合物，而這一高壓過程與氣體巨行星中條件類似，這意味著，這種化合物或許並不僅僅存在於實驗室中，在自然條件下也能找到。

不過，雖然科學家們已經通過實驗合成了這種氦的穩定化合物，但鑒於氦的強大惰性，關於其形成原理還是存在很多疑問，加利福尼亞大學北嶺分校的化學家苗茂生（Maosheng Miao）說道。現在，苗茂生與他的同事們認為已經找到了合理的解釋，並且，這種解釋意味著氦還可能形成許多其他的化合物。他們在2018年3月5日的《自然·通訊》雜誌上詳細報道了這一發現，苗茂生是該論文的作者之一。

氦原子就像一個調解員

科學家們用計算機建立了這種離子化合物的微觀模型。所謂離子，是指帶電的原子或原子團。穩定的離子化合物通常由負離子和正離子平衡配比混合而成，比如，食鹽就是由帶負電的氯離子與等量的帶正電的鈉離子構成。

食鹽（氯化鈉）晶體結構圖，它由等量的氯離子和鈉離子排布而成

不過，有時候化合物可以由數量不等的正負離子組成，比如有一種叫做氧化二鋰的化合物，這種化合物中每一個帶負電的氧離子均對應兩個帶正電的鋰離子——這兩個帶正電的鋰離子同時被中央帶負電的氧離子所吸引，而兩個鋰離子之間會因電荷同性而相互排斥。這種結構通常很穩定，但在壓力增大時情況就變了。「當你把它們置於壓力中時，受擠壓的兩個鋰離子之間的斥力會因相互靠近而增大」，這就會使這種化合物不再穩定，這項研究的作者之一，來自紐約州立大學布法羅分校的理論化學家伊娃·楚萊克（Eva Zurek）說道。

氧化二鋰三維結構（左）和分子結構（右）

這些研究人員發現，當氦原子處於這種不穩定的高壓環境中時，它們可以鑽進數量較多的那種離子的間隙之中。這樣，氦就可以增加這些離子之間的距離，從而使它們之間的斥力減弱，同時，氦還不會與其他離子發生化學反應。這種情況下的氦，就像在汽車后座上吵鬧的孩子們中間安置的一個保姆似的，苗茂生說，氦原子待在這些通常難以相互靠近的離子之間，讓它們可以和平共處。這使得這種固體化合物「非常穩定，雖然氦在其中並沒有形成化學鍵」，楚萊克說。

利用這種模型可以很容易的解釋前述研究工作中預言的一種化合物——「氦氧化二鈉（disodium oxyhelide）」存在的合理性。這種化合物的結構中包含兩個帶正電的鈉離子，一個帶負電的氧離子與一個電中性的氦原子，其組成應該非常穩定。不過，想要用它解釋 「氦化二鈉」（實際合成的氦化合物）的成因，就相對複雜一些，因為它並不包含兩種不同電性的離子。要理解氦化二鈉的成因，其關鍵在於，在高壓下，鈉原子的外層電子被「擠開」並形成了電子對。這導致兩個帶正電的鈉離子與帶負電的電子對形成了不平衡的對峙局面，此時氦就可以在其中起到維持穩定的作用，楚萊克說。

地幔中可能存在大量的氦

「這是一項非常令人興奮的研究工作——他們已經可以解釋這些新型氦化合物的成因」，在莫斯科的斯科爾科沃科技學院的科晶體檢測師阿爾喬姆·奧格納夫（Artem Oganov）說道。他參與了第一種氦的穩定化合物的合成工作。

這些發現表明，在地球內部的巨大壓力下，氦很容易與各種離子化合物發生反應。因此，研究人員認為，在地幔層中的氦儲量可能比以前人們認為的要多得多。「我們以前沒有考慮到的這些新型化合物，可能是地球與其他行星內部的重要組成成分」，楚萊克說。

在高壓力的地幔中可能存在大量的氦

「考慮到地球內部的情況後，這些發現就打開了一個全新的『潘多拉魔盒』——一旦摒棄了氦是絕對穩定的固有觀念，你就必須重新審視那些分析地球氦儲量的舊數據模型」，奧格納夫說。

由於在地殼層中的氦儲量非常低，地球深處可能存在大量的氦對人類而言是個好消息。苗茂生表示，目前氦還是一種短缺資源，不論是在派對氣球，超導磁體的冷卻裝置中我們都要用到它。而且這種氣體非常輕，「這導致這種資源一直在不停的逃逸到太空中」，苗茂生說。如果將地幔層中蘊含著氦元素的礦物採集到地表，「很有可能，這些氦會再次釋放出來，屆時我們就可以將其捕獲並儲存起來」，楚萊克說。

苗茂生還注意到，氦還可以幫助我們製造新材料。例如，一個研究小組最近提出，氦和氮可以在高壓下形成化合物，當這種化合物被恢復到正常壓力時，其中的氦就會擴散出來，留下由氮原子組成的金字塔狀結構的固體，這種固體是一種空前強大的燃料或爆炸物。「氦可以參與的化學反應可能比我們原先認為的要多得多」，苗茂生說。

https://www.insidescience.org/news/under-pressure-helium-stops-being-bystander

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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