钠在极高压力下的表现

学过化学的朋友都知道，钠是一种非常活泼的碱金属。它是银白色的，非常轻和柔软。因为原子最外层只有一个电子，所以钠具有良好的导电性，钠是不透明的。

事实上，目前所有已知的金属对可见光都是不透明的。这是因为金属表面有一片自由电子的“海洋”。当光子与金属表面碰撞时，其电场会激发金属表面的电子，使其产生弹性响应，因此大部分光子被反射出去，只有少数光谱光子被吸收。对于那些与吸收的光量子耦合的自由电子，它们的跃迁主要发生在费米能级附近的小能量范围内，离能隙那么远，只会产生热能，不会激发出新的光子。因此，理论上和实际上，金属对可见光是不透明的。钠是一种活性金属，天然不透明。

钠是银灰色的活性金属，不透明。

但是，如果把钠放在一个极高压力的环境中，情况就发生了明显的变化:在150万个大气压下，钠的颜色从银色变成黑色；当压力达到190万个大气压时，钠变成透明的红色；而在300万个大气压下，钠变成了透明的固体！

为什么会这样？高压下的钠还是钠？钠仍然是钠，但它不再是金属钠。钠的所有高压同素异形体都是绝缘体和非常规无机电子晶体(电子晶体)。在极端压力下，钠金属最外层的电子被挤出，与其他原子形成共价键，改变了钠的导电性，同时使其具有非常复杂的光学响应，甚至成为透明绝缘体。钠的这些同素异形体的吸收光谱显示出强烈的各向异性，也就是说，它在一个方向上是光学透明的，而在另一个方向上是反射的。

钠可能会变成这样。你不能把它握在手里。它需要190万个大气压。

事实上，锂、钠、钾在极高的压力下都会转化为电导率极低的同素异形体，其中一部分会变成透明的。事实上，这些同素异形体已经失去了它们所有的金属特性，它们不再是金属。

什么是同素异形体？

同素异形是指同样由单一化学元素组成的简单物质，在同一相(固相、液相或气相)中，由于其原子排列的不同而具有不同的物理化学性质。

我们最熟悉的是石墨和金刚石，它们是碳的同素异形体。石墨很黑很软，徒手就能折断，导电性好；钻石几乎是世界上最坚硬的物质。它非常透明，但几乎不导电。总之这一对兄弟反差很大。虽然都是碳，但是碳原子的组合决定了石墨和金刚石的巨大区别，类似于钠和它的同素异形体的区别。

金刚石和石墨的晶体结构不同，导致相同元素的形态不同。

对于某些元素来说，虽然它们的同素异形体具有相同的相位，但是它们具有不同的分子式。例如，氧的同素异形体，氧(O)和臭氧(O)，可以以固态、液态和气态存在。而其他元素在不同阶段不能保持明显的同素异形体。例如，磷(P)有许多固体同素异形体，当熔化成液态时，它们都恢复到相同的P形式。

磷的四种同素异形体

同素异形体产生的条件

一个耳熟能详的故事讲的是，1812年拿破仑军队入侵的俄国战役中，气温变得非常寒冷，士兵制服上的锡纽扣变成了粉末，很多士兵因为衣服扣不上而冻死，导致了大部队的失败。虽然故事的真实性无从考证，但它反映了一个实际问题，即锡的物理性质会因温度变化而发生变化。

锡在室温下是金属的，被称为白锡或β-锡。然而，当温度低至13.2℃时，锡的原子间结构会由β-锡转变为α-锡。α-锡是锡的同素异形体，灰色，极脆。是钻石立方晶体结构的非金属，一碰就会碎成粉末，不可能再做纽扣了。

在寒冷条件下，β-锡倾向于自发转化为α-锡，称为“锡瘟疫”或“锡病”。然而，锡合金中的锡从β-转变为α-的温度要低得多。例如，含有铝、锌等杂质的锡合金发生变化的温度远低于0℃；；如果在锡中加入锑或铋，它可能根本不会发生变化。

锡病

除了α-tin和β-tin，在高于161℃的温度和高于几个GPa的压力下，tin还会形成γ-tin和σ-tin等同素异形体。

同样，我们非常熟悉的铁元素，在不同的温度和压力下也会形成不同的同素异形体，如铁素体(α-铁)、β-铁、奥氏体(γ-铁)、δ-铁、ε-铁等。

自然界中几乎一半(27种)金属元素在环境压力下是同素异形体:锂、铍、钠、钾、钙、钛、锰、铁、钴、锶、钇、锆、锡、镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、镱、铪、铊。

然而，非金属元素中有更多的同素异形体。除了上面提到的金刚石和石墨，碳的同素异形体还不止七种，比如石墨烯。磷有六种以上的同素异形体，硼有七种同素异形体，氧有四种同素异形体。

在距离地面空 25公里的高度，有一层厚约20公里的臭氧层。在强紫外线的激发下，氧气和臭氧会相互转化。O??O?，臭氧对太阳紫外线的吸收保护了地球上许多生命免受辐射伤害。

几个概念的澄清

有些朋友会混淆同素异形体、同位素、相、异构体等等，造成概念上的混乱。这里我们需要做一个简单的澄清。

我们已经详细介绍过同素异形体，同素异形体是同一种元素在特定条件下的单质，但是原子之间不同的结合方式造成了这种元素不同的物理化学特性。

同位素是指同一种元素，由于其原子核中的中子数不同，该元素的原子核数也不同，从而形成该元素的不同变体。例如，碳-12、碳-13和碳-14是元素碳的三种同位素，质量数分别为12、13和14。碳的原子序数是6，也就是说每个碳原子有6个质子，所以这些同位素的中子数分别是6、7、8。

氢的三种同位素

同素异形体(同素异形体之间的转化是化学变化吗)

相是指元素、分子或分子群在不同温度和压力下的不同形态。比如氢气有固相、液相、气相、等离子相，水也有固相、液相、气相。

异构体不是元素，而是离子或分子。有些分子虽然分子式或分子式相同，但由于内部键的位置不同或空之间的结构不同，其物理化学性质也不同。典型的例子是丙醇和甲氧基乙烷，它们的分子式是C?H?O(或C?H?OH)，但正丙醇(图一)和异丙醇(图二)是彼此的位置异构体，因为它们之间羟基的位置不同:在之一个异构体中连接到末端碳，在第二个异构体中连接到中心碳；然而，甲氧基乙烷(图III)不同于丙醇的异构体，因为它具有连接到两个碳的氧，而不是连接到一个碳和一个氢的氧。甲氧基乙烷是一种醚，不是一种醇。它缺少羟基，化学性质与其他醚相似。

Cho异构体，它们是三种不同的东西。