有可能制取金属铵吗？
金属铵，顾名思义，就是像钠、钾那样，拥有金属光泽，能导电导热，并且能够在外力作用下发生塑性变形的“铵”这种元素形成的物质。听到“金属铵”，很多人可能会觉得这听起来就像科幻小说里的情节，毕竟我们平时接触到的铵（NH₄⁺）总是以离子的形态存在，和金属八竿子打不着。那么，金属铵到底有没有可能制取呢？这可是一个非常有意思的问题，而且科学家们为此也进行了不少探索。
要理解这个问题，我们得先弄清楚“金属”是怎么一回事，以及“铵”又是怎么一回事。
金属是怎么形成的？
我们通常所说的金属，比如铜、铁、铝，它们之所以是金属，是因为它们的原子结构以及它们构成物质的方式。金属原子最外层电子很容易失去，形成带正电的金属离子。这些失去的电子就不是属于某一个特定的原子，而是自由地在金属晶体中移动，形成一个“电子海”。正是这种自由电子的存在，让金属能够导电、导热，并且原子之间通过这种电子海连接，才能在形变时保持结构的稳定，呈现出延展性。
铵（NH₄⁺）是个什么“家伙”？
铵（NH₄⁺）呢，它其实是一个由四个氢原子和一个氮原子通过共价键结合而成的“基团”，整体带有一个正电荷。它不是一个单独的、具有完整原子的实体，而是一个分子离子。我们平常遇到的氯化铵（NH₄Cl）、硫酸铵（(NH₄)₂SO₄）等等，都是铵离子和带负电的阴离子结合形成的化合物，也就是我们常说的盐。这些盐在水中溶解时，会电离出铵离子和相应的阴离子。
为什么“金属铵”听起来很奇怪？
结合上面的概念，我们就会发现，把“金属”和“铵”这两个概念放在一起，确实有些别扭。金属是因为原子失去电子形成阳离子，并形成自由电子海。而铵本身就是一个带正电的“大分子”离子，它已经“失去”了电子，形成了稳定的结构。让这样一个本身就带正电，而且结构相对复杂的分子离子，再像普通金属原子那样失去电子，形成自由电子海，这在直观上就显得不太可能。
科学家们的探索：路漫漫其修远
尽管如此，科学家们对于“金属铵”的探索从未停止过。这不仅仅是为了满足好奇心，更重要的是，如果真的能制备出金属铵，其潜在的应用前景是巨大的。想象一下，如果铵真的能表现出金属的性质，那它可能会在导电材料、储氢材料（氢气在金属铵中可能以某种形式存储）等方面带来革命性的变化。
那么，科学家们是怎么尝试制备金属铵的呢？他们的思路主要围绕着如何在极端条件下，迫使铵以一种类似金属的方式存在。
1. 高压处理： 这是最直接也最常被尝试的思路。理论计算表明，在极高的压力下，物质的电子结构会发生巨大的改变。科学家们推测，如果施加足够巨大的压力，比如比地球核心还要高的压力，也许能够压缩铵离子，迫使它们的电子发生重新分布，从而形成类似金属的电子海。
具体是怎么做的？ 科学家们会把含有铵的化合物（比如氨的衍生物，或者某些含铵盐）放在一个非常小的空间里，然后用高压腔（diamond anvil cell，金刚石压砧）施加极高的压力。金刚石压砧能够通过两个顶尖的金刚石的尖端，将压力集中在一个微小的样品上，理论上可以达到百万甚至千万倍的大气压。
结果如何？ 科学家们确实观测到了一些有趣的变化。例如，在超高压下，氨（NH₃）本身可能会发生变化。但直接制备出“金属铵”——也就是真正意义上以NH₄⁺为基本单位，并表现出宏观金属性质的物质——目前为止还没有被明确证实。有一些研究通过光谱学等手段，在极高压下观察到某些类似金属键合的特征，但这离“制取金属铵”还有很大的距离。
2. 电化学方法： 另一种思路是尝试通过电化学的方法，在某种基底上“沉积”出金属铵。这有点像电镀，只不过是将铵离子“还原”成某种金属态的铵。
思路的难度： 铵离子是一个相对稳定的分子离子，要把它“还原”成一个金属单质，这在电化学上是极其困难的，甚至可以说是违背了它本身的化学性质。铵在电化学反应中，更多的是参与氧化还原反应，形成氮气、氢气或者其他氮的化合物，而不是变成一个金属。
3. 理论预测和模拟： 很多关于金属铵的探索，都离不开理论计算和计算机模拟。科学家们会利用量子力学原理，对在高压或其他极端条件下，铵的电子结构和可能存在的相态进行预测。
重要性： 这些理论预测非常有价值，它们能够告诉我们什么样的条件可能实现金属铵，以及金属铵可能具有什么样的性质。例如，一些理论模型预测，在极高的压力下，铵离子可能会失去部分电子，或者其电子分布会发生改变，从而表现出金属特性。
目前的情况：理论上的猜想与实验上的挑战
总的来说，目前还没有确凿的、被广泛接受的实验证据表明金属铵已经被成功制备出来。我们今天所说的“金属铵”，更多的是基于理论计算和一些在极端条件下观察到的现象的推测。
制备金属铵面临着巨大的实验挑战：
压力门槛： 所需的压力可能远超现有技术能够稳定达到的范围，或者即使能够达到，维持如此高的压力下的样品稳定也是一个难题。
样品制备： 在极高压下制备出足够大、足够纯的样品，以便进行宏观的性质测量（如导电性、延展性），是极其困难的。
表征手段： 即使在极高压下观察到一些现象，如何准确地表征它是否真的是“金属铵”，也需要非常先进和精密的分析手段。
未来的可能性？
科学总是在不断进步的，我们不能完全排除未来某一天，随着技术的发展，我们能够找到制备金属铵的方法。也许是在我们今天还无法想象的极端条件下，或者通过我们尚未发现的新的化学原理。
所以，回到你的问题：“有可能制取金属铵吗？”
从严格的、已经被科学界广泛接受的实验角度来说，目前还不能肯定地说“可以”。 更多的是一种理论上的可能性，一种科学家们正在努力探索的方向。它就像宇宙深处的暗物质一样，我们知道它可能存在，也一直在寻找它，但要“抓到”它、研究它，还有很长的路要走。
金属铵的探索，是基础科学研究的一个缩影，它展示了人类对物质世界极限的挑战和对未知的好奇心。虽然目前还未见其“金属”之身，但这个过程本身就推动了我们对高压物理、物质科学的理解，而且谁知道呢，也许在不久的将来，我们就能迎来“金属铵”时代。
要理解这个问题，我们得先弄清楚“金属”是怎么一回事，以及“铵”又是怎么一回事。
金属是怎么形成的？
我们通常所说的金属，比如铜、铁、铝，它们之所以是金属，是因为它们的原子结构以及它们构成物质的方式。金属原子最外层电子很容易失去，形成带正电的金属离子。这些失去的电子就不是属于某一个特定的原子，而是自由地在金属晶体中移动，形成一个“电子海”。正是这种自由电子的存在，让金属能够导电、导热，并且原子之间通过这种电子海连接，才能在形变时保持结构的稳定，呈现出延展性。
铵（NH₄⁺）是个什么“家伙”？
铵（NH₄⁺）呢，它其实是一个由四个氢原子和一个氮原子通过共价键结合而成的“基团”，整体带有一个正电荷。它不是一个单独的、具有完整原子的实体，而是一个分子离子。我们平常遇到的氯化铵（NH₄Cl）、硫酸铵（(NH₄)₂SO₄）等等，都是铵离子和带负电的阴离子结合形成的化合物，也就是我们常说的盐。这些盐在水中溶解时，会电离出铵离子和相应的阴离子。
为什么“金属铵”听起来很奇怪？
结合上面的概念，我们就会发现，把“金属”和“铵”这两个概念放在一起，确实有些别扭。金属是因为原子失去电子形成阳离子，并形成自由电子海。而铵本身就是一个带正电的“大分子”离子，它已经“失去”了电子，形成了稳定的结构。让这样一个本身就带正电，而且结构相对复杂的分子离子，再像普通金属原子那样失去电子，形成自由电子海，这在直观上就显得不太可能。
科学家们的探索：路漫漫其修远
尽管如此，科学家们对于“金属铵”的探索从未停止过。这不仅仅是为了满足好奇心，更重要的是，如果真的能制备出金属铵，其潜在的应用前景是巨大的。想象一下，如果铵真的能表现出金属的性质，那它可能会在导电材料、储氢材料（氢气在金属铵中可能以某种形式存储）等方面带来革命性的变化。
那么，科学家们是怎么尝试制备金属铵的呢？他们的思路主要围绕着如何在极端条件下，迫使铵以一种类似金属的方式存在。
1. 高压处理： 这是最直接也最常被尝试的思路。理论计算表明，在极高的压力下，物质的电子结构会发生巨大的改变。科学家们推测，如果施加足够巨大的压力，比如比地球核心还要高的压力，也许能够压缩铵离子，迫使它们的电子发生重新分布，从而形成类似金属的电子海。
具体是怎么做的？ 科学家们会把含有铵的化合物（比如氨的衍生物，或者某些含铵盐）放在一个非常小的空间里，然后用高压腔（diamond anvil cell，金刚石压砧）施加极高的压力。金刚石压砧能够通过两个顶尖的金刚石的尖端，将压力集中在一个微小的样品上，理论上可以达到百万甚至千万倍的大气压。
结果如何？ 科学家们确实观测到了一些有趣的变化。例如，在超高压下，氨（NH₃）本身可能会发生变化。但直接制备出“金属铵”——也就是真正意义上以NH₄⁺为基本单位，并表现出宏观金属性质的物质——目前为止还没有被明确证实。有一些研究通过光谱学等手段，在极高压下观察到某些类似金属键合的特征，但这离“制取金属铵”还有很大的距离。
2. 电化学方法： 另一种思路是尝试通过电化学的方法，在某种基底上“沉积”出金属铵。这有点像电镀，只不过是将铵离子“还原”成某种金属态的铵。
思路的难度： 铵离子是一个相对稳定的分子离子，要把它“还原”成一个金属单质，这在电化学上是极其困难的，甚至可以说是违背了它本身的化学性质。铵在电化学反应中，更多的是参与氧化还原反应，形成氮气、氢气或者其他氮的化合物，而不是变成一个金属。
3. 理论预测和模拟： 很多关于金属铵的探索，都离不开理论计算和计算机模拟。科学家们会利用量子力学原理，对在高压或其他极端条件下，铵的电子结构和可能存在的相态进行预测。
重要性： 这些理论预测非常有价值，它们能够告诉我们什么样的条件可能实现金属铵，以及金属铵可能具有什么样的性质。例如，一些理论模型预测，在极高的压力下，铵离子可能会失去部分电子，或者其电子分布会发生改变，从而表现出金属特性。
目前的情况：理论上的猜想与实验上的挑战
总的来说，目前还没有确凿的、被广泛接受的实验证据表明金属铵已经被成功制备出来。我们今天所说的“金属铵”，更多的是基于理论计算和一些在极端条件下观察到的现象的推测。
制备金属铵面临着巨大的实验挑战：
压力门槛： 所需的压力可能远超现有技术能够稳定达到的范围，或者即使能够达到，维持如此高的压力下的样品稳定也是一个难题。
样品制备： 在极高压下制备出足够大、足够纯的样品，以便进行宏观的性质测量（如导电性、延展性），是极其困难的。
表征手段： 即使在极高压下观察到一些现象，如何准确地表征它是否真的是“金属铵”，也需要非常先进和精密的分析手段。
未来的可能性？
科学总是在不断进步的，我们不能完全排除未来某一天，随着技术的发展，我们能够找到制备金属铵的方法。也许是在我们今天还无法想象的极端条件下，或者通过我们尚未发现的新的化学原理。
所以，回到你的问题：“有可能制取金属铵吗？”
从严格的、已经被科学界广泛接受的实验角度来说，目前还不能肯定地说“可以”。 更多的是一种理论上的可能性，一种科学家们正在努力探索的方向。它就像宇宙深处的暗物质一样，我们知道它可能存在，也一直在寻找它，但要“抓到”它、研究它，还有很长的路要走。
金属铵的探索，是基础科学研究的一个缩影，它展示了人类对物质世界极限的挑战和对未知的好奇心。虽然目前还未见其“金属”之身，但这个过程本身就推动了我们对高压物理、物质科学的理解，而且谁知道呢，也许在不久的将来，我们就能迎来“金属铵”时代。
网友意见
常压下那是肯定不能的。铵根获得一个电子之后并不是像碱金属离子得电子一样进入原子轨道，而是进入N-H键的反键轨道，这就会导致铵根N-H键被削弱然后崩断成NH3和H原子，两个H原子再进一步结合形成H2。
整体上来看把一个电子扔给NH4+之后就会发生NH4+ + e- = NH3 + 1/2H2的反应。其实这就相当于变种的氢离子被金属还原的反应（水里面的氢离子也是以类似的水合氢离子的形式存在的）。
一些早期的观点认为在一定的压强下NH3和H2可以结合形成所谓的金属铵，这个观点是W. H. Ramsey（和发现稀有气体那位拉姆塞不是一个人，虽然名字非常像）[1]提出来的，他认为电中性的金属“NH4”可以在比一般物质发生金属化转变所需的压强更低的压强条件下获得，并且推测在天王星和海王星的内核里可能会存在这种物质。不过很多后续研究认为NH3和H2两种物质独立存在的情况要比结合成所谓的NH4更加稳定，即使真的结合也只会在非常非常非常高的压强下发生[2][3]。
更近期的研究预测NH4在很大的压力范围内都只会是NH3分子、H2分子和等量的NH4+、H-的排列组合，甚至在142~800GPa的范围内完全是以NH3和H2的混合晶体形式存在的，并不会真的形成(NH4+)(e-)的金属形态。[4]
所谓的“铵汞齐”常常被当作所谓金属铵形成的合金。这种说法其实比较勉强，因为很多汞和给电子性很强的金属形成的所谓汞齐（比如钠汞齐）其实带有比较明显的离子化合物性质，在这些物质里含有的是汞形成的簇阴离子和钠阳离子。比如下面这个Na3Hg2[5]。某些研究认为这些晶体里的Hg单元可以被看成具有芳香性的Hg4 6-[6]。
当然，由于这种簇阴离子对电子的束缚能力还是很弱，这样形成的晶体往往还是带有金属性，但如果阳离子不是真正的金属离子而是某些复合阳离子的时候，或许把它们看成盐而不是合金会更合适一点。
类似的还有所谓的“季铵汞齐”[7]，所谓季铵就是NH4+里四个氢都被有机基团替换的产物，比如“四甲基铵汞齐”N(CH3)4Hg8[8]。一般认为这种“季铵汞齐”其实就是类似的汞簇阴离子（Zintl离子）和季铵阳离子形成的盐[9]。不过这类化合物到目前位置还没有得到很好的结构表征，估计是因为单晶不好长或者晶体结构太复杂了。铅之类的金属也可以形成这种Zintl离子的季铵盐，而且这类化合物有的还具有可以和金属相比较的导电性。[10]
参考
- ^ Ramsey, W. H. (1962). On the densities of methane, metallic ammonium, water and neon at planetary pressures. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 125(5), 469-485.
- ^ Bernal, M. F. M., & Massey, H. S. W. (1954). Metallic ammonium. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 114(2), 172-179.
- ^ Stevenson, D. J. (1975). Does metallic ammonium exist?. Nature, 258(5532), 222-223.
- ^ Qian, G. R., Niu, H., Hu, C. H., Oganov, A. R., Zeng, Q., & Zhou, H. Y. (2016). Diverse chemistry of stable hydronitrogens, and implications for planetary and materials sciences. Scientific reports, 6(1), 1-10.
- ^ Tkachuk, A. V., & Mar, A. (2006). Redetermination of Na3Hg2. Acta Crystallographica Section E: Structure Reports Online, 62(6), i129-i130.
- ^ Thayer, J. S. (2005). Relativistic effects and the chemistry of the heaviest main-group elements. Journal of chemical education, 82(11), 1721.
- ^ Littlehailes, J. D., & Woodhall, B. J. (1968). Quaternary ammonium amalgams. Discussions of the Faraday Society, 45, 187-192.
- ^ Hoch, C., & Simon, A. (2006). Tetramethylammoniumamalgam,[N (CH3) 4] Hg8. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 632(14), 2288-2294.
- ^ Garcia, E., Cowley, A. H., & Bard, A. J. (1986). Quaternary ammonium amalgams as Zintl ion salts and their use in the synthesis of novel quaternary ammonium salts. Journal of the American Chemical Society, 108(19), 6082-6083.
- ^ Kariv-Miller, E., Christian, P. D., & Svetlicic, V. (1994). Ex situ structural studies of a tetraalkylammonium lead compound. Langmuir, 10(9), 3338-3342.
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