В обычных условиях (при комнатных температуре и давлении) различные металлы по-разному взаимодействуют с водородом. У одних оно не идет далее образования адсорбционных пленок на поверхности металла. У других — сопровождается объемной окклюзией, т.е. образованием твердого раствора водорода в решетке металла. У третьих — контакт с водородом вызывает химическую реакцию, в результате которой образуются гидриды.
Окклюзия водорода натрием, кальцием и магнием (а равным образом и другими щелочными и щелочноземельными металлами) приводит к образованию твердых солеобразных соединений — гидридов. Алюминий и кремний образуют с водородом полимерные соединения (алуаны и силаны), построенные по типу углеводородов. Эти соединения с высокими стехиометрическими содержаниями водорода находятся при комнатной температуре в газообразном (силикометан — SiH4) или жидком состоянии, а с более низкими содержаниями — являются кристаллическими (например, силикоацетилен — Si2H2). Железо, никель и другие переходные металлы адсорбируют и растворяют в себе большие количества водорода (особенно при длительной выдержке в атмосфере водорода), но это не сопровождается образованием гидридов. Однако под давлением порядка 60 кбар и выше все переходные металлы, насыщенные водородом, трансформируются в гидриды.
Важно отметить: давление и температура влияют на взаимодействие водорода с металлами прямо противоположным образом. Повышение давления способствует окклюзии и образованию гидридов. Рост температуры, напротив, вызывает разложение гидридов, в процессе которого водород из формы гидрид-иона переходит в состояние протонного газа, растворенного в металле. При дальнейшем повышении температуры водород дегазируется из кристаллической решетки металла. При этом повышение температуры до некоторого определенного уровня довольно слабо сказывается на диссоциации, тогда как превышение этого уровня вызывает быстрое разложение гидрида. И еще следует отметить, что повышение давления поднимает температурный уровень диссоциации, т.е. для разложения гидридов в условиях повышающегося давления требуется все более высокая температура.
Таким образом, в условиях высоких и сверхвысоких давлений «наводороженные» металлы должны находиться в виде гидридов. Но повышение температуры вызывает разложение гидридов, переход водорода из гидрид-ионной формы в протонный газ и, наконец, дегазацию водорода из металлов.
4. ХАРАКТЕР ЭВОЛЮЦИИ ИЗНАЧАЛЬНО ГИДРИДНОЙ ЗЕМЛИ.
Сначала обсудим температурный режим новорожденной планеты. По мере гравитационного уплотнения протопланетной сферы в твердое тело высвобождалась потенциальная энергия, которая в основном трансформировалась во внутреннюю энергию планеты (как термодинамической системы). Обычно повышение внутренней энергии твердого тела в основном сводится к повышению температуры. И в рамках традиционных представлений о преимущественно силикатно-окисном составе Земли новорожденная планета должна была бы иметь высокую температуру, порядка двух-трех тысяч градусов.
Однако в случае изначально гидридной Земли все происходило совершенно иным образом. Мы знаем четкое правило: с повышением давления все большую устойчивость приобретают все более плотные фазы, т.е. химические соединения, обладающие большей сжимаемостью. Ниже (в разделе 5.1) будет показано, что ионные гидриды обладают много большей сжимаемостью в сравнении с гидридами ковалентными. Следовательно, при высоком и сверхвысоком давлении (порядка мегабара) гидриды металлов должны трансформироваться таким образом, чтобы иметь преимущественно ионный тип химической связи.
Гидриды всех металлов, входящих в состав планеты (см. табл. № 1), имеют преимущественно ковалентный тип химической связи, но это при давлении в 1 атмосферу. Вместе с тем при возрастании давлений до мегабарного диапазона (давление в центре Земли ≈ 3,6 мегабара) тип химической связи должен быть преимущественно ионным. Чтобы провести такую трансформацию, нужно совершить работу, т.е. затратить энергию. Таким образом, в случае изначально гидридного состава потенциальная энергия, выделявшаяся при гравитационном уплотнении планеты, не приводила к ее разогреву, а преимущественно расходовалась на преобразование химических соединений в недрах Земли. Впрочем, здесь вернее будет сказать не «расходовалась», а «консервировалась» в теле планеты. В рамках термодинамики это означает резкое возрастание химического потенциала водорода*.