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惰性氣體:又稱鈍氣、稀有氣體、貴重氣體 [return] 。約佔大氣組成的0.94%,大部分是氬,其他氣體成分很少,而且由於這些氣體基本沒有活性,因此稱為惰性氣體。包括:氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn),均為無色、無臭、氣態的單原子分子。在元素周期表中為第0族(ⅧA族),外層電子已達飽和,活性極小。

1 惰性氣體 -名稱

「noble gases」在十九世紀被化學家發現以來,由於深入理解其性質而多次改名。原本它們被稱為稀有氣體(rare gases),因為化學家認為它們是很罕見的。不過,這種說法只適用其中部分元素,並非所有都很少見。例如氬氣(Ar, argon)在地球大氣層的含量佔0.9%,勝過二氧化碳;而氦氣(He, helium)在地球大氣層的含量確實很少,但在宇宙卻是相當充沛,它佔有25%,僅次於氫。所以化學家又改稱為惰性氣體(又稱鈍氣,inert gases),表示它們的反應性很低,不曾在自然中出現化合物過。對於那些早期需藉由化合物來尋找元素的科學家,這些元素是比較難以尋找的。不過,有研究指出他們是可以和其他元素結合成化合物(此即稀有氣體化合物),只是需要藉助人工合成的方式。故最後改稱為貴重氣體(又稱貴族氣體、貴氣體或高貴氣體,noble gases),這個稱呼是源自德語的Edelgas所翻譯來的,是由雨果·埃德曼於1898年所定名。「noble」與黃金等的「貴金屬」類似,表示它們不易發生化學反應,但並非不能產生任何化合物。

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名詞審定委員會於1991年公布的《化學名詞》中正式規定「noble gases」稱為稀有氣體一詞。香港教育局的《中學化學科常用英漢辭彙》稱「noble gases」為(高)貴氣體,而一般社會仍有使用惰性氣體的稱呼。而台灣方面,由國立編譯館的國家教育研究院建議常稱「noble gases」為惰性氣體,比較少用鈍氣、稀有氣體等。

2 惰性氣體 -發現

1785年英國科學家卡文迪許在一個盛有空氣並加有氧氣的裝置中,利用電火花使其中的氮和氧化合併將生成的氮的氧化物用水溶去。他將上面這個過程反覆多次后,發現無論往其中加多少氧氣,空氣試樣中總有大約原來體積的1%左右的氣體被殘留了下來。卡文迪許因此成為了世界上最早用實驗方法從空氣分離出惰性氣體的第一位科學家。

1892年,一位在英國劍橋卡文迪許實驗室工作的名叫瑞利的物理學家和另一位在倫敦大學學院擔任化學教授的名叫拉姆塞的化學家,才真正揭開了卡文迪許實驗中殘餘的稀有氣體之謎。

瑞利善於精確地測量氣體的密度,因而發現用卡文迪許方法得到的這種殘餘氣體,其密度比純氮氣要高出約0.5%。他百思不得其解,於是寫信給《自然》雜誌徵求解答。拉姆塞聯想起卡文迪許實驗中剩下的那點和氧無法化合的氣體,以更為精密的方法重複了卡文迪許的實驗,他繼而和瑞利共同研究了這種氣體的發射光譜,藉助於大約30年前才為化學家所熟悉的分光技術,發現這種氣體所發射的譜線是一種未知元素的譜線,因此是一種新元素。他們用一個在希臘文里表示「惰性」的字來命名這種氣體元素,這就是後來稱之為氬的元素。接著拉姆塞等又從空氣中陸續分離出惰性氣體族中的其他成員,並分別命名為氦、氖、氙和氡,和氬一起構成了元素周期表中的第0族,長期以來被統稱為惰性氣體(即稀有氣體)。

1904年,瑞利和拉姆齊分別獲得諾貝爾物理學獎和化學獎,以表彰他們在稀有氣體領域的發現。瑞典皇家科學院主席西德布洛姆致詞說:「即使前人未能確認該族中任何一個元素,卻依然能發現一個新的元素族,這是在化學歷史上獨一無二的,對科學發展有本質上的特殊意義。」

稀有氣體的發現有助於對原子結構一般理解的發展。在1895年,法國化學家亨利·莫瓦桑嘗試進行氟(電負性最高的元素)與氬(稀有氣體)之間的反應,但沒有成功。直到20世紀末,科學家仍無法製備出氬的化合物,但這些嘗試有助於發展新的原子結構理論。由這些實驗結果,丹麥物理學家尼爾斯·玻爾於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個電子。1916年,吉爾伯特·牛頓·路易斯制定了八隅體規則,指出最外電子層上有8個電子是任何原子最穩定的排布;此電子排布使它們不會與其他元素髮生反應,因為它們不需要更多的電子以填滿其最外層電子層。

但到了1962年,尼爾·巴特利特發現了首個稀有氣體化合物六氟合鉑酸氙。其他稀有氣體化合物隨後陸續被發現:在1962年發現了氡的化合物二氟化氡;並於1963年發現氪的化合物二氟化氪。2000年,第一種穩定的氬化合物氟氬化氫(HArF)在40K(-233.2℃)下成功製備。

1998年12月,俄羅斯杜布納的聯合核研究所的科學家以鈣原子轟擊鈈來產生114號元素的單一原子,後來被命名為Fl。初步化學實驗已顯示該元素可能是第一種超重元素,儘管它位於元素周期表的第14族,卻有著的稀有氣體特性。2006年10月,聯合核研究所與美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室的科學家成功地以鈣原子轟擊鐦的方法,人工合成了Uuo,它是18族的第七個元素。

3 惰性氣體 -物理和原子性質

由於稀有氣體無極性且相對分子質量較小,因而它們的分子間作用力非常弱,所以熔點和沸點非常低。它們在標準狀況下都是單原子氣體,甚至比一般固體元素原子量更大的氙、氡等也是這樣。氦與其它稀有氣體元素相比,具有一些獨特的性質:它的沸點和熔點低於其它任何已知的物質;它是唯一的一種表現出超流性的元素;它是唯一不能在標準狀況下冷卻凝固的元素——必須在0.95 K(−272.200℃)的溫度施加25個大氣壓(2,500 kPa)的壓力,才能使它凝固。到氙為止的稀有氣體都有多個穩定的同位素,氡則沒有穩定同位素。它壽命最長的同位素222Rn的半衰期也只有3.8天,氡會衰變為氦和釙,最終衰變產物則是鉛。

稀有氣體原子像大部分族中的原子一樣,由於電子層數的增加,原子半徑隨著周期的增加而增加。原子的大小與影響物質的許多性質。例如,電離能隨著半徑的增加而減少,因為較重的稀有氣體中的價電子離核較遠,因此更容易脫離原子核的束縛。稀有氣體的電離能是每一個周期中最大的,這反映了它們的電子排布的穩定性,也導致了它們的化學性質不活潑。然而,有些較重的稀有氣體的電離能較小,足以與其它元素和分子相比。巴特利特正是看到了氙的第一電離能與氧分子相似,而嘗試用六氟化鉑來把氙氧化,因為六氟化鉑的氧化性非常強,足以把氧氣氧化。稀有氣體不能得到一個電子,而形成穩定的陰離子;也就是說,它們的電子親合能是負值

稀有氣體的宏觀物理性質主要來自原子之間的弱范德華力。原子之間的吸引力隨著原子大小的增加而增加,由於極化性的增加以及電離能的減少。這就是在第18族從上到下,原子半徑和原子間力增加,導致熔點、沸點、汽化熱和溶解度增加的原因。密度的增加則是由於原子序數的增加。

稀有氣體在標準狀況下幾乎是理想氣體,但它們與理想氣體狀態方程的偏差提供了分子間作用力的研究的重要線索。蘭納-瓊斯勢,通常用來模擬分子間的作用,由約翰·蘭納-瓊斯根據氬的實驗數據提出,那時量子力學還沒有發展到可以作為從第一性原理(即量子化學從頭計算)理解分子間作用力的工具。這些作用的理論分析變得易於處理,因為稀有氣體是單原子,且原子是球形,這意味著原子之間的作用與方向無關(各向同性)。

4 惰性氣體 -化學性質

稀有氣體組成了元素周期表中的第18族。已經確認的元素是氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。這些元素在標準狀況下都是無色、無氣味、無味道、不可燃的氣體。曾經有一段時間,它們被稱為元素周期表中的第0族,因為大家認為它們的化合價為零,也就是說,它們的原子不能與其它元素結合而形成化合物。然而,後來發現有些稀有氣體確實可以形成化合物,這樣「第0族」的名稱便再沒有人使用了。目前對第18族的最新元素Uuo了解非常少。

稀有氣體的價電子層已滿。價電子是最外層的電子,通常只有這些電子參與化學鍵。價電子層已滿的原子是非常穩定的,因此很難形成化學鍵,也極難得到或失去電子。然而,在較重的稀有氣體中(例如氡),最外層的電子與原子核之間的電磁力要小於較輕的稀有氣體(例如氦),因此較重的稀有氣體較容易失去最外層電子。

稀有氣體記法

由於價電子層已滿,因此稀有氣體可以與電子排布記法結合起來,形成稀有氣體記法。這種記法是先寫出元素之前的最近的稀有氣體,然後再寫出從那裡開始的電子排布。例如,碳的電子排布是1s22s22p2,稀有氣體記法則是[He]2s22p2。使用這種記法更容易識別元素,也比完整的原子軌道記法要簡短。

化合物


1962年以後,合成稀有氣體元素化合物的工作有了長足的進展。就在巴特利特合成Xe+(PtF6)-的幾個月之後,美國的阿貢國家實驗室在400℃和不大的壓力條件下,製備出第一個性質穩定的稀有氣體元素和鹵素的二元化合物XeF4。四氟化氙是一種白色固體,熔點為140℃。此後,人們先後合成了XeF2、FeF6、XeO3、XeO4和KrF2,以及含有氧和氟的稀有氣體元素三元化合物如XeOF4、XeO2F2等,還有氟化氙和氟化銻的複合物如XeF2·SbF6、XeF2·2SbF6、XeF3·3SbF6、XeF3·Sb2F11、Xe2F11·SbF6等,後來又合成了氡的氟化物和KrF2與金屬氟化物的複合物。20世紀80年代后對於合成含有Xe-N鍵的稀有氣體元素化合物也獲得成功。但合成氦、氖和氬的化合物的嘗試尚未獲得成功。

5 惰性氣體 -製備

稀有氣體在宇宙中的丰度隨著原子序數的增大而降低。氦是宇宙中僅次於氫的最豐富的元素之一,質量分數大約為24%。宇宙中的大部分氦都是在太初核合成中形成的,但是由於恆星核合成中的氫的聚變,氦的數量仍在不斷增加。地球上的丰度則完全不同,氦僅僅是大氣中第三豐富的稀有氣體。這種不同的原因是大氣層中沒有太初氦,因為原子質量太小,氦無法被地球的引力場吸引在地球表面附近。地球上的氦來自地殼中重元素(例如鈾和釷)的α衰變,這樣產生的氦往往積聚在天然氣田中。另一方面,較豐富的氬來自於鉀-40的β衰變。鉀-40同樣存在於地殼中,它產生的氬-40是地球上最豐富的氬同位素,儘管它在太陽系中相當稀少。這個過程是鉀氬測年法的理論基礎。氙在大氣中的丰度比預想的要低,這被稱作「氙失蹤問題」(英語:missing xenon problem)。有一種理論認為缺少的氙可能被限制在地殼的礦石中。氡在岩石圈中通過鐳的α衰變生成。它會通過裂縫逸出石材進入建築物,並在通風不佳的建築物內積聚。因為氡的放射性很強,它對人體健康有很大的危害。估計僅在美國每年就有21000人死於氡引發的肺癌。

氖、氬、氪和氙都是從空氣中使用氣體液化的方法獲得的,先將各種氣體液化,再根據沸點不同來分餾,將混合物分離成不同的餾分。氦通常提取自天然氣,而氡可以從鐳化合物放射性衰變的產物中分離出來。稀有氣體的價格取決於他們的自然丰度,因此氬最便宜而氙最昂貴。

6 惰性氣體 -用途

惰性氣體放電色
隨著工業生產和科學技術的發展,稀有氣體越來越廣泛地應用在工業、醫學、尖端科學技術以至日常生活里。

利用稀有氣體極不活動的化學性質,有的生產部門常用它們來作保護氣。例如,在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬,以及製造半導體晶體管的過程中, 常用氬作保護氣。原子能反應堆的核燃料鈈,在空氣里也會迅速氧化,也需要在氬氣保護下進行機械加工。電燈泡里充氬氣可以減少鎢絲的氣化和防止鎢絲氧化,以 延長燈泡的使用壽命。

稀有氣體通電時會發光。世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣製成的(霓虹燈的英文原意是「氖燈」)。氖燈射出的紅光,在空氣里透射力很強,可以穿過濃霧。因此,氖燈常用在機場、港口、水陸交通線的燈標上。燈管里充入氬氣或氦氣,通電時分別發出淺藍色或淡紅色光。有的燈管里充入了氖、氬、氦、水銀蒸氣等四種氣體(也有三種或兩種的)的混合物。由於各種氣體的相對含量不伺,便製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氬氣,並在內壁塗熒光物質(如鹵磷酸鈣)而製成的。通電時,管內因水銀蒸氣放電而產生紫外線,激發熒光物質,使它發出近似日光的可見光,所以又叫做日光燈。

利用稀有氣體可以製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特製的石英管中,在外界高頻振蕩器的激勵下,混合氣體的原子間發生非彈性碰撞,被激發的原子之間發生能量傳遞,進而產生電子躍遷,併發出與躍遷相對應的受激輻射波,近紅外光。氦-氖激光器可應用於測量和通訊。

氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體,可以代替氫氣裝在飛船里,不會著火和發生爆炸。

液態氦的沸點為-269℃,是所有氣體中最難液化的,利用液態氦可獲得接近絕對零度(-273.15℃)的超低溫。氦氣還用來代替氮氣作人造空氣,供探海潛水員呼吸,因為在壓強較大的深海里,用普通空氣呼吸,會有較多的氮氣溶解在血液里。當潛水員從深海處上升,體內逐漸恢復常壓時,溶解在血液里的氮氣要放出來形成氣泡, 對微血管起阻塞作用,引起「氣塞症」。氦氣在血液里的溶解度比氮氣小得多,用氦跟氧的混合氣體(人造空氣)代替普通空氣,就不會發生上述現象。溫度在2.2K以上的液氦是一種正常液態,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。例如具有超導性、低粘滯性等。它的粘度變得為氫氣粘度的百分之一,並且這種液氦能沿著容器的內壁向上流動,再沿著容器的外壁往下慢慢流下來。這種現象對於研究和驗證量子理論很有意義。

氬氣經高能的宇宙射線照射後會發生電離。利用這個原理,可以在人造地球衛星里設置充有氬氣的計數器。當人造衛星在宇宙空間飛行時,氬氣受到宇宙射線的照射。照射得越厲害,氬氣發生電離也越強烈。衛星上的無線電機把這些電離信號自動地送回地球,人們就可根據信號的大小來判定空間宇宙輻射帶的位置和 強度。

氪能吸收X射線,可用作X射線工作時的遮光材料。

氙燈還具有高度的紫外光輻射,可用於醫療技術方面。氙能溶於細胞質的油脂里,引起細胞的麻醉和膨脹,從而使神經末梢作用暫時停止。人們曾試用80%氙和20%氧組成的混合氣體,作為無副作用的麻醉劑。在原子能工業上,氙可以用來檢驗高速粒子、粒子、介子等的存在。

氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。

氡是自然界唯一的天然放射性氣體,氡在作用於人體的同時會很快衰變成人體能吸收的氡子體,進入人體的呼吸系統造成輻射損傷,誘發肺癌。一般在劣質裝修材料中的釷雜質會衰變釋放氡氣體,從而對人體造成傷害。體外 輻射主要是指天然石材中的輻射體直接照射人體后產生一種生物效果,會對人體內的造血器官、神經系統、生殖系統和消化系統造成損傷。

然而,氡也有著它的用途,將鈹粉和氡密封在管子內,氡衰變時放出的α粒子與鈹原子核進行核反應,產生的中子可用作實驗室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑,用於檢測管道泄漏和研究氣體運動。

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