高压条件下的气体及其参与的化学反应_刘鹏.pdf

PROGRESSIN CHEMISTRY化 学 进 展DOI:10.7536/PC230221http:/ Progress in Chemistry,2023,35(6):983996收稿:2023 年 2 月 28 日,收修改稿:2023 年 6 月 7 日,网络出版:2023 年 6 月 10 日国家自然科学基金项目(No.22171101)资助The work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.22171101).Corresponding author e-mail:liuxy 高压条件下的气体及其参与的化学反应刘 鹏 周 勇 刘亮余 陈 阳 刘晓旸(吉林大学化学学院 无机合成与制备化学国家重点实验室 长春 130031)摘 要 高压下的气体研究是一个非常重要的研究方向,对许多学科领域具有重要意义。本文介绍了气体在高压条件下所具有的特殊物理和化学性质及其参与的化学反应。高压下气体的行为与其在环境条件下有很大不同,在极端压力下,气体会发生结构转变,电磁性质发生变化,并显示出有趣的相变。气体的化学反应也会发生变化,并发生新的反应路径。理解高压对气体反应的影响对于提高我们对新化合物合成的了解至关重要。此外,本文还介绍了高压下气体的实际意义。高压下气体所表现出的独特性质使其在其他学科领域得到应用,本文特别介绍了高压条件下气体在高温超导体、极端高能材料和行星科学等方面的应用。总之,对高压下气体的研究为了解物质的基本特性提供了宝贵的见解,理解这些现象对于推动凝聚态物理、材料科学和化学等学科的发展至关重要。最后,对高压条件下气体的进一步研究做出了展望。关键词 气体 高压 金属化 超导现象 高能材料 行星科学中图分类号:O643.4 文献标识码:A 文章编号:1005-281X(2023)06-0983-14Gases under High Pressure and Their Associated Chemical ReactionsPeng Liu,Yong Zhou,Liangyu Liu,Yang Chen,Xiaoyang Liu(State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry,College of Chemistry,Jilin University,Changchun 130031,China)AbstractThe study of gases under high pressure is a very important research direction,which is of great significance to many disciplines.This paper introduces the special physical and chemical properties of gases and the chemical reactions they participate in under high pressure conditions.Gases behave very differently at high pressure than they do under ambient conditions.At extreme pressures,gases undergo structural transformations,change their electromagnetic properties,and exhibit interesting phase transitions.The chemical reactions of the gases also change and new reaction paths occur.Understanding the effect of high pressure on gas reactions is critical to improving our understanding of the synthesis of new compounds.In addition,the paper also introduces the practical significance of gas under high pressure.The unique properties of gas under high pressure make it widely used in other disciplines.This paper especially introduces the application of gas under high pressure in high-temperature superconductors,extremely high-energy materials and planetary science.In conclusion,the study of gases at high pressure provides valuable insights into the fundamental properties of matter,and understanding these phenomena is critical to advancing disciplines such as condensed matter physics,materials science,and chemistry.Finally,the prospect of further research on gases under high pressure is given.Key words gas;high-pressure;metallization;superconductivity;extreme energy materials;planetary scienceReview化 学 进 展984 Progress in Chemistry,2023,35(6):983996Contents1 Introduction2 Simple gas under high pressure2.1 Argon and hydrogen under high pressure2.2 Metallization of xenon under high pressure2.3 Unique structure of Xe-H2 compounds under high pressure2.4 Chemical reaction of xenon and fluorine under high pressure3 Gases with superconductivity under high pressure3.1 Overview of superconductivity3.2 High-temperature superconductors predicted at high pressure3.3 High temperature superconductivity of lanthanide polyhydrides under high pressure3.4 Second group of lanthanide polyhydride superconductors under high pressure4 Extreme energy materials4.1 Nitrogen under high pressure4.2 Hydrogen under high pressure5 Applications of planetary science5.1 Applications of helium in Planetary Science5.2 Missing xenon paradox6 Conclusion and outlook1 引言 压力是影响物质状态及其参与的化学反应的重要热力学参数,因为它可以直接影响物质的晶体结构和电子结构1,有效地改变原子或分子之间的距离和相互作用,从而改变键合方式,形成高压相。在高压下,许多物质的性质往往表现出明显不同于环境压力(即一个大气压)下物质的性质。例如,在高压条件下许多物质的原子外层轨道会发生重叠,从而使元素的稳定价态与环境压力下有所不同。高压作为一种典型的极端物理条件能够有效地改变物质的原子间距和原子壳层状态,因而经常被用作一种原子间距调制、信息探针和其他特殊的应用手段,几乎渗透到绝大多数的前沿课题的研究中2。高压是一门相对较新的科学。由于受到压力容器等多种因素的限制,在实验条件下达到数百 GPa(1GPa=10 000 atm)的压力是具有挑战性的,这使得长久以来对压力的研究落后于其他热力学变量,如温度。然而,随着多面砧压机(MAPs)、金刚石对顶砧(DAC)和同步加速器技术相继运用在高压实验中,数百 GPa 的压力已经可以轻松实现,这为在广阔的压力范围内进行高压研究提供了机会。压力作为一个热力学参数,对物质有着巨大的影响。由于决定反应或相变的热力学自由能 G 是压力和温度的函数,高压拓宽了压力参数空间,从而极大地增加了反应的可能性3。与此同时,这也极大扩展了“温度-压力-组成”相空间的范围,发现新材料和新奇现象成为一种可能。高压下气体的研究是一个涉及物理、化学和能源等多个学科的广泛领域。高压科学经过多年发展日臻完善,高压设备和技术、在高压下获得的新材料以及在高压下发现的独特化合物等相关内容已有总结410,本文旨在总结气体在高压下的特殊物理和化学性质并简要介绍其在相关学科领域的应用。在高压条件下,气体的物理、化学性质和行为发生了显著的变化,因此对于气体在高压这种极端条件下的行为和性质的探究具有重要的理论和应用价值。其中,高压下气体的相变是一个重要的研究方向。通过对高压条件下气体相变过程的研究可以为气体相变规律提供新的研究视角和理论支持。在高压条件下,气体的相变会导致新的物质状态的出现,这为新物质及其具有的新的物理和化学性质的发现提供了可能性。此外,高压下气体相变过程的研究对于氮气等气体的储存和利用以及极端储能材料的制备都具有重要的意义。在高压下,气体的化学反应会发生变化。许多气体在高压下容易发生化学反应,甚至一些在环境压力下惰性的气体在高压下也会发生化学反应。高压使得气体跨越了参与化学反应和不发生化学反应的屏障。此外,在高压下还可能出现新的化学反应路径和化合物。随着压力的增加,物质的整体性质发生了变化并出现了意想不到的物理现象。在环境压力下只在较少元素和化合物中可以发现超导现象,然而,在高压条件下,元素周期表中的大部分元素都发现了超导现象。综上所述,在高刘 鹏等:高压条件下的气体及其参与的化学反应综述与评论化学进展,2023,35(6):983996985 压条件下对气体进行研究不仅深化了我们对气体物理和化学性质的认识,还为高压下气体的应用提供了新的思路和方法。由于宇宙中的大多数物质实际上都处于高温高压的条件下,高压下发现的气体这些性质的变化和物理现象对于深入了解地球科学和天体物理学可能非常重要11。此外,从这个角度来看,高压不应被视为一种极端条件,而是一种未深入探索的维度,这是因为在整个宇宙当中压力的范围毕竟非常宽阔,高达 50 个数量级左右。相较之下,我们目前所了解的大多数化合物和与之相关的物理和化学性质,以及人们目前所掌握的化学反应规律都是在一个大气压或者接近一个大气压的条件下获得的12。我们所处的环境压力反而是一种特殊情况。总而言之,不论是在环境压力下还是在高压条件下的研究,都推进了物理、化学和天文学等相关学科的发展。只是,对于高压的研究还极其有限,