1、第十二課認(rèn)識(shí)稀有氣體稀有氣體是元素周期表上的0 族元素。在常溫常壓下，它們都是無色無味的單原子氣體，很難進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。稀有氣體共有七種，它們是氨（He）、M （Ne）、瀛（Ar）、氟（Kr）、氤（Xe）、氫（Rn, 放射性）、氣奧（Og,放射性，人造元素）。其中 Og是以人工合成 的稀有氣體，原子核非常不穩(wěn)定，半衰期很短，只有5 毫秒。根據(jù)元素周期律，估計(jì)Og 比氡更活潑。不過，理論計(jì)算顯示，它可能會(huì)非?；顫?。然而，碳族元素 （ Fl）表現(xiàn)出與稀有氣體相似的性質(zhì)。命名來由“ noble gaseSfe十九世紀(jì)被化學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來，由于深入理解其性 質(zhì)而多次改名。原本它們被稱為稀有氣體（rare g

2、aseS ,因?yàn)榛瘜W(xué)家 認(rèn)為它們是很罕見的。不過，這種說法只適用其中部分元素，并非所有都很少見。例如鼠氣（Ar, argon）在地球大氣層的含量占0.923%, 勝過二氧化碳（0.03%）;而氨氣（He, helium）在地球大氣層的含量 確實(shí)很少，但在宇宙卻是相當(dāng)充沛，它占有23%，僅次于氫（75%）。所以化學(xué)家又改稱為惰性氣體（又稱鈍氣，inert gaseS）,表示它們 的反應(yīng)性很低，不曾在自然中出現(xiàn)化合物過。對(duì)于那些早期需借由化合物來尋找元素的科學(xué)家，這些元素是比較難以尋找的。不過，最近的研究指出他們是可以和其他元素結(jié)合成化合物（此即稀有氣體化合物），只是需要借助人工合成的方式。故最后

3、改稱為貴重氣體（又稱貴族氣體、貴氣體或高貴氣體，noble gaseS ,這個(gè)稱呼是源自德語 的Edelgas所翻譯來的，是由雨果 埃德曼于1898年所定名。“noble與黃金等的 貴金屬”類似，表示它們不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但并非不能 產(chǎn)生任何化合物在中文譯名方面，兩岸三地有著不同的稱呼。中國大陸全國自然 科學(xué)名詞審定委員會(huì)于1991年公布的化學(xué)名詞中正式規(guī)定“noble gases稱為稀有氣體一詞。香港教育局的中學(xué)化學(xué)科常用英漢詞匯 稱“noble gase討（高）貴氣體，而一般社會(huì)仍有使用惰性氣體的稱 呼。而臺(tái)灣方面，由國立編譯館的國家教育研究院建議常稱“noblegases為惰性氣體，比較

4、少用鈍氣、稀有氣體等，然而也有被稱為高 貴氣體。發(fā)現(xiàn)史1868年，天文學(xué)家在太陽的光譜中發(fā)現(xiàn)一條特殊的黃色譜線D3,這和早已知道的鈉元素的 D1和D2兩條黃色譜線不同，由此預(yù)言在 太陽中可能有一種未知元素存在。后來將這種元素命名為氨”，意為太陽元素”。20多年后，拉姆塞證實(shí)了地球上也存在氨元素。1895年，美國地質(zhì)學(xué)家希爾布蘭德觀察到億鈾礦放在硫酸中加熱會(huì)產(chǎn)生一種不能自燃、也不能助燃的氣體。他認(rèn)為這種氣體可能是氮?dú)饣蝈瓪?，但沒有繼續(xù)研究。拉姆塞知道這一實(shí)驗(yàn)后，用億鈾礦重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)，得到少量氣體。在用光譜分析法檢驗(yàn)該氣體時(shí)，原以為能看到氬的譜線， 卻意外地發(fā)現(xiàn)一條黃線和幾條微弱的其他顏色的亮線

5、。拉姆塞把它與已知的譜線對(duì)照，沒有一種同它相似。經(jīng)過苦苦思索，終于想起27 年前發(fā)現(xiàn)的太陽上的氦。氦的光譜正是黃線，如果這兩條黃線能夠重合， 那么釔鈾礦中放出的氣體應(yīng)是太陽元素氦了。拉姆塞十分謹(jǐn)慎， 請(qǐng)當(dāng)時(shí)英國最著名的光譜專家克魯克斯幫助檢驗(yàn)，證實(shí)拉姆塞所得的未知?dú)怏w即為“太陽元素 ”氣體。 1895 年 3 月， 拉姆塞在 化學(xué)新聞 上首先發(fā)表了在地球上發(fā)現(xiàn)氦的簡報(bào)，同年在英國化學(xué)年會(huì)上正式宣布這一發(fā)現(xiàn)。后來，人們?cè)诖髿庵?、水中、天然氣中、石油氣中以及鈾和外的礦石中，甚至在隕石中也發(fā)現(xiàn)了氦。1902年，德米特里 門捷列夫接受了氨和鼠元素的發(fā)現(xiàn)，并這些稀有氣體納入他的元素排列之內(nèi)，分類為 0

6、族， 而元素周期表即從該排列演變而來。拉姆塞繼續(xù)使用分餾法把液態(tài)空氣分離成不同的成分以尋找其他的稀有氣體。他于 1898 年發(fā)現(xiàn)了三種新元素：氪、 氖和氙。 “氪 ”源自希臘語“冗p u兀p (kr upt為5 S)藏“；頰”源自希臘語“y o (ne os)意為新“；散”源自希臘語 “丫。(x $no鎖”陌生人”。氮?dú)庥?898年由弗里德里希 厄恩斯特 當(dāng)發(fā)現(xiàn)，最初取名為鐳放射物，但當(dāng)時(shí)并未列為稀有氣體5 。直到 1904 年才發(fā)現(xiàn)它的特性與其他稀有氣體相似。1904 年，瑞利和拉姆塞分別獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)谙∮袣怏w領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)6 。瑞典皇家科學(xué)院主席西德布洛姆致詞說：“即

7、使前人未能確認(rèn)該族中任何一個(gè)元素， 卻依然能發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的元素族，這是在化學(xué)歷史上獨(dú)一無二的，對(duì)科學(xué)發(fā)展有本質(zhì)上的特殊意義?！毕∮袣怏w的發(fā)現(xiàn)有助于對(duì)原子結(jié)構(gòu)一般理解的發(fā)展。在 1895 年，法國化學(xué)家亨利 莫瓦桑嘗試進(jìn)行氟（電負(fù)性最高的元素）與鼠（稀有氣體）之間的反應(yīng)，但沒有成功。直到20 世紀(jì)末，科學(xué)家仍無法制備出氬的化合物，但這些嘗試有助于發(fā)展新的原子結(jié)構(gòu)理論。由這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，丹麥物理學(xué)家尼爾斯 玻爾在1913年提出，在原子中的電子以電子層形式圍繞原子核排列，除了氦氣以外的所有稀有氣體元素的最外層的電子層總是包含 8個(gè)電子。1916年，吉爾伯特 牛頓路易斯制定了八隅體規(guī)則，指出最外電子層上有

8、8 個(gè)電子是任何原子最穩(wěn)定的排布；此電子排布使它們不會(huì)與其他元素發(fā)生反應(yīng)，因?yàn)樗鼈儾恍枰嗟碾娮右蕴顫M其最外層電子層。但到了 1962年，尼爾巴特利特發(fā)現(xiàn)了首個(gè)稀有氣體化合物六氟合鉑酸氙。其他稀有氣體化合物隨后陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)：在1962 年發(fā)現(xiàn)了氡的化合物二氟化氡；并于 1963年發(fā)現(xiàn)氪的化合物二氟化氪。2000年，第一種穩(wěn)定的瀛化合物氟敏化氫（HArF）在40K （-233.2 C）下成功制備。1998年 12月， 俄羅斯杜布納的聯(lián)合核研究所的科學(xué)家以鈣原子轟擊钚來產(chǎn)生114 號(hào)元素的單一原子，后來被命名為Fl。 初步化學(xué)實(shí)驗(yàn)已顯示該元素可能是第一種超重元素，盡管它位于元素周期表的第 14 族

9、，卻有著的稀有氣體特性。2006 年 10 月，聯(lián)合核研究所與美國勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家成功地以鈣原子轟擊锎的方法，人工合成了 Og,它是0族的第七個(gè)元素8。英國倫敦大學(xué)學(xué)院教授邁克巴洛與同事利用歐洲航天局的赫舍爾太空望遠(yuǎn)鏡，在遠(yuǎn)紅外波段觀測(cè)距地球6500 光年的蟹狀星云，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了氬氫分子。他們所觀測(cè)到的是氬的同位素氬36，來自蟹狀星云中心的中子星的能量令其發(fā)生電離，然后與氫形成氬氫分子。這一發(fā)現(xiàn)也同時(shí)支持氬36 同位素起源于超新星中心的理論。大約氮?dú)獍l(fā)現(xiàn)的百年之后，英國化學(xué)家瑞利(Rayleigh,J.W.S.1842-1919, 一方面從空氣中除掉氧氣、二氧化碳、水蒸氣得到氮?dú)?/p>

10、；另一方面從氮化物分解制得氮?dú)?。他把這兩種來源不同的氮?dú)膺M(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在正常狀態(tài)下前者的密度是1.2572克 /升，后者的密度是1.2508克 /升，為什么空氣中的氮?dú)饷芏纫笮┠兀渴遣皇瞧渲羞€有較重的不活潑氣體？英國化學(xué)家萊姆大塞 (Ramsay,W.1852-1916用燃燒的鎂與空氣中的氮?dú)庾饔?，以除去空氣中的氮，結(jié)果剩下少量的稀有氣體。經(jīng)光譜檢驗(yàn)，證明是一種新的氣體元素叫做氬。后幾年他用分級(jí)蒸餾法，從粗制的氬中分離出其它三種稀有氣體一糠、氟、氤。1895年，萊姆塞用硫酸處理瀝青油礦，產(chǎn)生一種氣體，用光譜鑒定為氦。由于他先后發(fā)現(xiàn)氦、氖、氪、氬、氙，獲得了1904 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。理化性質(zhì)空

11、氣中約含0.94%(體積百分)的稀有氣體，其中絕大部分是氬氣。稀有氣體都是無色、無臭、無味的，微溶于水，溶解度隨分子量的增加而增大。稀有氣體的分子都是由單原子組成的， 它們的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很低，隨著原子量的增加，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)增大。它們?cè)诘蜏貢r(shí)都可以液化稀有氣體在高壓電場(chǎng)下稀有氣體原子的最外層電子結(jié)構(gòu)為 ns2np6（氨為1s2）,是最穩(wěn) 定的結(jié)構(gòu)，它們的特性可以用現(xiàn)代的原子結(jié)構(gòu)理論來解釋：它們都具有穩(wěn)定的8電子構(gòu)型。它們的最外電子層的電子已 滿”（即已達(dá)成八 隅體狀態(tài)），所以它們非常穩(wěn)定，極少進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，至今只成功制 備出幾百種稀有氣體化合物。每種稀有氣體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)十分接近， 溫度差距小于10

12、 °C （18下），因此它們僅在很小的溫度范圍內(nèi)以液 態(tài)存在。稀有氣體的電子親合勢(shì)都接近于零，與其它元素相比較，它 們都有很高的電離勢(shì)。因此，稀有氣體原子在一般條件下不容易得到 或失去電子而形成化學(xué)鍵。表現(xiàn)出化學(xué)性質(zhì)很不活潑，不僅很難與其 它元素化合，而且自身也是以單原子分子的形式存在， 原子之間僅存 在著微弱的范德華力（主要是色散力）。經(jīng)氣體液化和分儲(chǔ)方法可從空氣中獲得覆、鼠、氟和氤，而氨氣通常 提取自天然氣，氨氣則通常由鐳化合物經(jīng)放射性衰變后分離出來。稀有氣體在工業(yè)方面主要應(yīng)用在照明設(shè)備、焊接和太空探測(cè)。氨也會(huì)應(yīng) 用在深海潛水。如潛水深度大于 55米，潛水員所用的壓縮空氣瓶內(nèi)的氮

13、要被氨代替，以避免氧中毒及氮麻醉的征狀。另一方面，由于氫氣非常不穩(wěn)定，容易燃燒和爆炸，現(xiàn)今的飛艇及氣球都采用氨氣替代 氫氣?！緯７褐邸肯∮袣怏w的應(yīng)用隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，稀有氣體越來越廣泛地應(yīng)用 在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、尖端科學(xué)技術(shù)以至日常生活里。利用稀有氣體極不活動(dòng)的化學(xué)性質(zhì)，有的生產(chǎn)部門常用它們來作保護(hù) 氣。例如，在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬，以及制造半導(dǎo)體晶 體管的過程中， 常用敏作保護(hù)氣。原子能反應(yīng)堆的核燃料缽，在空 氣里也會(huì)迅速氧化，也需要在瀛氣保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械加工。電燈泡里充 鼠氣可以減少鴇絲的氣化和防止鴇絲氧化，以延長燈泡的使用壽命。氨是氣相色譜法中的載色劑、溫度計(jì)的填充氣，并

14、用于蓋革計(jì)數(shù)器和 氣泡室等輻射測(cè)量設(shè)備中。氨和鼠都用作焊接電弧的保護(hù)氣和賤金屬 的焊接及切割的惰性保護(hù)氣。它們?cè)谄渌苯疬^程和半導(dǎo)體工業(yè)中硅 的生產(chǎn)中同樣有著廣泛應(yīng)用。稀有氣體通電時(shí)會(huì)發(fā)光。世界上第一盞霓虹燈是填充覆氣制成 的（霓虹燈的英文原意是 覆燈”）。覆燈射出的紅光，在空氣里透射 力很強(qiáng)，可以穿過濃霧。因此，覆燈常用在機(jī)場(chǎng)、港口、水陸交通線 的燈標(biāo)上。燈管里充入瀛氣或氨氣，通電時(shí)分別發(fā)出淺藍(lán)色或淡紅色 光。有的燈管里充入了覆、鼠、氨、水銀蒸氣等四種氣體（也有三種 或兩種的）的混合物。由于各種氣體的相對(duì)含量不伺，便制得五光十 色的各種霓虹燈。人們常用的熒光燈，是在燈管里充入少量水銀和鼠氣，

15、并在內(nèi)壁涂熒光物質(zhì)（如鹵磷酸鈣）而制成的。通電時(shí)，管內(nèi)因水銀蒸氣放電而產(chǎn)生紫外線，激發(fā)熒光物質(zhì)，使它發(fā)出近似日光的可見光，所以又叫做日光燈。氪可降低燈絲的蒸發(fā)率而常用于色溫和效率更高性能白熾燈，特別在鹵素?zé)糁锌蓪㈦磁c少量碘或溴的化合物混合充入。氙通常用于氙弧燈，因?yàn)樗鼈兊慕B續(xù)光譜與日光相似。這種燈可用于電影放映機(jī)和汽車前燈等。利用稀有氣體可以制成多種混合氣體激光器。氦-氖激光器就是其中之一。氦氖混合氣體被密封在一個(gè)特制的石英管中，在外界高頻振蕩器的激勵(lì)下，混合氣體的原子間發(fā)生非彈性碰撞，被激發(fā)的原子之間發(fā)生能量傳遞，進(jìn)而產(chǎn)生電子躍遷，并發(fā)出與躍遷相對(duì)應(yīng)的受激輻射波，近紅外光。氦-氖激光器可應(yīng)

16、用于測(cè)量和通訊。稀有氣體可用于準(zhǔn)分子激光器，這是因?yàn)樗鼈兛尚纬啥虝捍嬖诘碾娮蛹ぐl(fā)態(tài)受激子（英語：excimer）。這些用于激光器的受激子可能是稀有氣體二 聚體，例如Ar2、Kr2或Xe2,更有可能是與鹵素結(jié)合的受激子，例如 ArF、KrF、XeF或XeCk 11這些激光器產(chǎn)生波長較短的紫外線，其 中 ArF 產(chǎn)生的紫外線波長為193 納米，而KrF 為 248 納米。這種高頻率的激光使高精密成像成為現(xiàn)實(shí)。準(zhǔn)分子激光有諸多工業(yè)、醫(yī)藥和科學(xué)用途。 集成電路制造過程中的顯微光刻法和微制造必須用到準(zhǔn)分子激光。激光手術(shù)，例如血管再成形術(shù)和眼部手術(shù)也需用到準(zhǔn)分子激光。氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體，可以代替

17、氫氣裝在飛艇里，不會(huì)著火和發(fā)生爆炸。液態(tài)氦的沸點(diǎn)為-269，是所有氣體中最難液化的，利用液態(tài)氦可獲得接近絕對(duì)零度(-273.15)的超低溫。氦氣還用來代替氮?dú)庾魅嗽炜諝猓┨胶撍畣T呼吸，因?yàn)樵趬簭?qiáng)較大的深海里，用普通空氣呼吸，會(huì)有較多的氮?dú)馊芙庠谘豪?。?dāng)潛水員從深海處上升，體內(nèi)逐漸恢復(fù)常壓時(shí)，溶解在血液里的氮?dú)庖懦鰜硇纬蓺馀?，?duì)微血管起阻塞作用，引起“氣塞癥 ”。氦氣在血液里的溶解度比氮?dú)庑〉枚?，用氦跟氧的混合氣體(人造空氣)代替普通空氣，就不會(huì)發(fā)生上述現(xiàn)象。溫度在2.2K 以上的液氦是一種正常液態(tài)，具有一般液體的通性。溫度在2.2K 以下的液氦則是一種超流體，具有許多反常的性質(zhì)。例如具

18、有超導(dǎo)性、低粘滯性等。它的粘度變得為氫氣粘度的百分之一，并且這種液氦能沿著容器的內(nèi)壁向上流動(dòng)，再沿著容器的外壁往下慢慢流下來。這種現(xiàn)象對(duì)于研究和驗(yàn)證量子理論很有意義。氬氣經(jīng)高能的宇宙射線照射后會(huì)發(fā)生電離。利用這個(gè)原理，可以在人造地球衛(wèi)星里設(shè)置充有氬氣的計(jì)數(shù)器。當(dāng)人造衛(wèi)星在宇宙空間飛行時(shí)，氬氣受到宇宙射線的照射。照射得越厲害，氬氣發(fā)生電離也越強(qiáng)烈。 衛(wèi)星上的無線電機(jī)把這些電離信號(hào)自動(dòng)地送回地球，人們就可根據(jù)信號(hào)的大小來判定空間宇宙輻射帶的位置和強(qiáng)度。氟能吸收X射線，可用作X射線工作時(shí)的遮光材料。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療技術(shù)方面。氙能溶于細(xì)胞質(zhì)的油脂里，引起細(xì)胞的麻醉和膨脹，從而使神經(jīng)末梢作用暫時(shí)停止。 人們?cè)囉?0%氙和20%氧組成的混合氣體，作為無副作用的麻醉劑。在原子能工業(yè)上，氙可以用來檢驗(yàn)高速粒子、粒子、介子等的存在。氟、氤的同位素還被用來測(cè)量腦血流量等。氫是自然