地核会因为压力而结冰吗?

Question

由于地核的压力很大，所以内核是固体，但是如果你设法在内核或内核附近添加一些水会发生什么呢?压力使水变成固体还是蒸发?铁和镍只有在压力下才会变成固体吗?

Answer 1

如果你设法在内核或内核附近添加一些水会发生什么。

它可能会与固体铁反应生成铁(氧)氢化物:

我们的观测表明，在金属核的吸积和分离过程中，水很可能通过铁和水的反应进入地球深处。此外，铁和水之间的反应可能发生在地核-地幔边界，因为水从与金属核相交的含水俯冲板中释放出来。含挥发性铁化合物的积累可能为下地幔底部观测到的神秘地震结构提供新的见解。

(来源:https://doi.org/10.1002/2017GL075720）

换句话说，水是冰、液体还是蒸汽的问题是不存在的，因为水是氢分子₂O将不复存在。

你不需要这个核心。把水倒在一块铁上，水就会以铁锈的形式被铁吸收:$\ce{Fe + 0.5H2O + 0.5O2 = FeOOH}$

如果你把水放在类似核的压力和温度下，会发生什么?关于这个问题，答案很简单:我们不知道。我不认为有人做过实验。它可能不是气体，因为气压太高了。因为H的熔点₂O比铁低很多，我怀疑它会是液体。

评论中的一些内容:

在quora上，他们说高压会降低冰的熔点，不像预期的那样，可能会使冰变成蒸汽

这只与相对较低的温度有关，因为冰的晶体结构异常。对于大多数化合物来说，需要更高的温度来熔化处于压力下的物质。对于水来说，这实际上是相反的，并且与冰漂浮在水上的事实密切相关(这是非常违反直觉的——通常固体比液体密度大)。但在高温下，高达数十万度，水在高压下开始正常运转。

Answer 2

答案可能是——如果你观察的是地幔深处而不是地核，如果你准备接受“超离子”冰，在这种冰中，水的分子结构已经分解，相反，你有嵌入氧化离子晶格中的可移动质子。在堆芯内部，水在压力下与热铁发生反应，实际上形成了金属氢化物。

冰与火

在地球深处，压力达到GPa水平，温度超过2000 K，水可能以两种形式存在，这两种形式都不像我们在地表所熟悉的物质。其中一种是超临界流体，在这种流体中，温度和压力不仅太高，无法实现汽液平衡，而且还高到足以将质子变成高度可移动的物种，因此这种流体中充满了离子物种。第二种形式是“固体”，因为它含有氧化物离子的刚性晶格，但氢离子在其中移动，就像它们仍然是液体一样。这是长期寻求的，现在(自2019年以来)得到了验证超离子导体冰．

亚利桑那大学[1]显示了在深入地球时计算出的温度-压力关系，如下图所示。

摘自Ref.[1]。

图中温度的急剧上升对应于地幔和地核之间的边界。我们看到，在这个边界附近，压强是100gpa，温度是3000k。

在这些条件下，一些计算，如Millot等人的计算。2]表明水可能在此边界处转变为超离子冰态。在下面的图中，100 GPa和3000 K的点位于白色边界区域，根据作者的计算，这里的水可能是离子超临界流体或超离子冰。然而，在较低的深度，温度和压力更稳定地在绿色离子流体范围内。

摘自Ref.[2]。图的链接

然后就没有了

众所周知，在工业过程中，水蒸气会与钢铁发生反应，形成氧化铁和氢(我们通常限制水蒸气含量，并向大气中添加氢来阻止这一反应)。在核心的高压和高温下也会发生这样的反应[3.)，尽管它采取了不同的路线。来自水中的氢不是以气体的形式形成，而是形成一层氢化铁，这种物质作为纯化合物，在正常条件下是不稳定的。这是一种氢的来源，可以减少上覆地幔中的物质。见下图。

摘自Ref.[3]。图源

参考文献

1.来自亚利桑那大学的教育材料。

2.Marius Millot, Federica Coppari, J. Ryan Rygg, Antonio Correa Barrios, Sebastien Hamel, Damian C Swift, J. H. Eggert，“冲击压缩超离子水冰的纳秒x射线衍射”，自然569(2019年5月):251-255。DOI: 10.1038 / s41586 - 019 - 1114 - 6

3.4(6)， 109(2017年9月)。DOI: 10.1093 / nsr / nwx109

Answer 3

为了找到这个问题的答案，我们需要回顾一下地核的形成过程。简单地说，地球的分层结构是密度分层的结果。不能形成复合物的密度较大的金属元素下沉到中心，形成了地球的核心。氢是最轻的元素，它在地核中实际上无法形成水。我们可以令人信服地说，地核中没有水，这就排除了水以固体、液体或蒸汽形式存在的可能性。

甚至，如果我们假设水以某种方式存在于核心。它可能处于超临界状态或者与其他金属元素形成络合物。