標籤:零族元素惰性氣體稀有氣體

稀有氣體元素指氦、氖、氬、氪、氙、氡以及不久前發現的Uuo7種元素,又因為它們在元素周期表上位於最右側的零族,因此亦稱零族元素。稀有氣體單質都是由單個原子構成的分子組成的,所以其固態時都是分子晶體。

1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,最近的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,各有各不同的稱呼。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,也有被稱為高貴氣體。
稀有氣體的得名
稀有氣體的單質在常溫下為氣體,且除氬氣外,其餘幾種在大氣中含量很少(尤其是氦),故得名「稀有氣體」,歷史上稀有氣體曾被稱為「惰性氣體」,這是因為它們的原子最外層電子構型除氦為1s外,其餘均為8電子構型(ns2np6,均為上標),而這兩種構型均為穩定的結構。因此,稀有氣體的化學性質很不活潑,所以過去人們曾認為他們與其他元素之間不會發生化學反應,稱之為「惰性氣體」。然而正是這種絕對的概念束縛了人們的思想,阻礙了對稀有氣體化合物的研究。1962年,在加拿大工作的26歲的英國青年化學家N.Bartlett合成了第一個稀有氣體化合物Xe[PtF6],引起了化學界的很大興趣和重視。許多化學家競相開展這方面的工作,先後陸續合成了多種「稀有氣體化合物」,促進了稀有氣體化學的發展。而「惰性氣體」一名也不再符合事實,故改稱稀有氣體。
通電的稀有氣體放電管

  通電的稀有氣體放電管

2發現史

1868年,天文學家在太陽的光譜中發現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,由此預言在太陽中可能有一種未知元素存在。後來將這種元素命名為「氦」,意為「太陽元素」。
20多年後,拉姆賽證實了地球上也存在氦元素。1895年,美國地質學家希爾布蘭德觀察到釔鈾礦放在硫酸中加熱會產生一種不能自燃、也不能助燃的氣體。他認為這種氣體可能是氮氣或氬氣,但沒有繼續研究。拉姆賽知道這一實驗后,用釔鈾礦重複了這一實驗,得到少量氣體。在用光譜分析法檢驗該氣體時,原以為能看到氬的譜線,卻意外地發現一條黃線和幾條微弱的其他顏色的亮線。拉姆賽把它與已知的譜線對照,沒有一種同它相似。經過苦苦思索,終於想起27年前發現的太陽上的氦。氦的光譜正是黃線,如果這兩條黃線能夠重合,那麼釔鈾礦中放出的氣體應是太陽元素氦了。拉姆賽十分謹慎,請當時英國最著名的光譜專家克魯克斯幫助檢驗,證實拉姆賽所得的未知氣體即為「太陽元素」氣體。1895年3月,拉姆賽在《化學新聞》上首先發表了在地球上發現氦的簡報,同年在英國化學年會上正式宣布這一發現。後來,人們在大氣中、水中、天然氣中、石油氣中以及鈾和外的礦石中,甚至在隕石中也發現了氦。1902年,德米特里·門捷列夫接受了氦和氬元素的發現,並這些稀有氣體納入他的元素排列之內,分類為第0族,而元素周期表即從該排列演變而來。
拉姆齊繼續使用分餾法把液態空氣分離成不同的成分以尋找其他的稀有氣體。他於1898年發現了三種新元素:氪、氖和氙。「氪」源自希臘語「κρυπτ(kruptós)」,意為「隱藏」;「氖」源自希臘語「νο(néos)」,意為「新」;「氙」源自希臘語「ξνο(xénos)」,意為「陌生人」。氡氣於1898年由弗里德里希·厄恩斯特·當發現,最初取名為鐳放射物,但當時並未列為稀有氣體。直到1904年才發現它的特性與其他稀有氣體相似。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化合物

芬蘭赫爾辛基大學的科學家在24日出版的英國《自然》雜誌上報告說,他們首次合成了惰性氣體元素氬的穩定化合物——氟氬化氫,分子式為HArF。
這樣,6種惰性氣體元素氦、氖、氬、氪、氙和氡中,就只有原子量最小的氦和氖尚未被合成穩定化合物了。惰性氣體可廣泛應用於工業、醫療、光學應用等領域,合成惰性氣體穩定化合物有助於科學家進一步研究惰性氣體的化學性質及其應用技術。
在惰性氣體元素的原子中,電子在各個電子層中的排列,剛好達到穩定數目。因此原子不容易失去或得到電子,也就很難與其它物質發生化學反應,因此這些元素被稱為「惰性氣體元素」。
在原子量較大、電子數較多的惰性氣體原子中,最外層的電子離原子核較遠,所受的束縛相對較弱。如果遇到吸引電子強的其他原子,這些最外層電子就會失去,從而發生化學反應。1962年,加拿大化學家首次合成了氙和氟的化合物。此後,氡和氪各自的化合物也出現了。
原子越小,電子所受約束越強,元素的「惰性」也越強,因此合成氦、氖和氬的化合物更加困難。赫爾辛基大學的科學家使用一種新技術,使氬與氟化氫在特定條件下發生反應,形成了氟氬化氫。它在低溫下是一種固態穩定物質,遇熱又會分解成氬和氟化氫。科學家認為,使用這種新技術,也可望分別製取出氦和氖的穩定化合物。
自19世紀末以來,稀有氣體元素不能生成熱力學穩定化合物的結論給科學家人為地劃定了一個禁區,致使絕大多數化學家不願再涉獵這一被認為是荒涼貧瘠的不毛之地,關於稀有氣體化學性質的研究被忽略了。儘管如此,仍有少數化學家試圖合成稀有氣體化合物。1932年,前蘇聯的阿因托波夫(A.R.Antropoff)曾報道,他在液體空氣冷卻器內,用放電法使氪與氯、溴反應,製得了較氯易揮發的暗紅色物質,並認為是氪的鹵化物。但當有人採用他的方法重複實驗時卻未獲成功。阿因托波夫就此否定了自己的報道,認為所謂氪的鹵化物實際上是氧化氮和鹵化氫,並非氪的鹵化物。1933年,美國著名化學家鮑林(L.Pauling)通過對離子半徑的計算,曾預言可以製得六氟化氙(XeF6)、六氟化氪(KrF6)、氙酸及其鹽。揚斯特(D.M.Younst)受阿因托波夫的第一個報道和鮑林預言的啟發,用紫外線照射和放電法試圖合成氟化氙和氯化氙,均未成功。他在放電法合成氟化氙的實驗中將氟和氙按一定比例混合后,在銅電極間施以30000伏的電壓,進行火花放電,但未能檢驗出氟化氙的生成。揚斯特由於對傳統觀念心有餘悸,沒有堅持繼續進行實驗,使一個極有希望的方法半途而廢。一系列的失敗,致使在以後的30多年中很少有人再涉足這一領域。令人遺憾的是,到了1961年,鮑林也否定了自己原來的預言,認為「氙在化學上是完全不反應的,它無論如何都不能生成通常含有共價鍵或離子鍵化合物的能力」。
歷史的發展頗具戲劇性,就在鮑林否定其預言的第二年,第一個稀有氣體化合物——六氟合鉑酸氙(XePtF6)竟奇迹般地出現了,並以它獨特的經歷和風姿震驚了整個化學界,標誌著稀有氣體化學的建立,開創了稀有氣體化學研究的嶄新領域。
在加拿大工作的英國年輕化學家巴特列特(N.Bartlett)一直從事無機氟化學的研究。自1960年以來,文獻上報道了數種新的鉑族金屬氟化物,它們都是強氧化劑,其中高價鉑的氟化物六氟化鉑(PtF6)的氧化性甚至比氟還要強。巴特列特首先用PtF6與等摩爾氧氣在室溫條件下混合反應,得到了一種深紅色固體,經X射線衍射分析和其他實驗確認此化合物的化學式為O2PtF6,其反應方程式為:
O2+PtF6→O2PtF6
這是人類第一次製得O+2的鹽,證明PtF6是能夠氧化氧分子的強氧化劑。巴特列特頭腦機敏,善於聯想類比和推理。他考慮到O2的第一電離能是1175.7千焦/摩爾,氙的第一電離能是1175.5千焦/摩爾,比氧分子的第一電離能還略低,既然O2可以被PtF6氧化,那麼氙也應能被PtF6氧化。他同時還計算了晶格能,若生成XePtF6,其晶格能只比O2PtF6小41.84千焦/摩爾。這說明XePtF6一旦生成,也應能穩定存在。於是巴特列特根據以上推論,仿照合成O2PtF6的方法,將PtF6的蒸氣與等摩爾的氙混合,在室溫下竟然輕而易舉地得到了一種橙黃色固體XePtF6:
Xe+PtF6→XePtF6
該化合物在室溫下穩定,其蒸氣壓很低。它不溶於非極性溶劑四氯化碳,這說明它可能是離子型化合物。它在真空中加熱可以升華,遇水則迅速水解,並逸出氣體:
2XePtF6+6H2O→2Xe↑+O2↑+2PtO2+12HF
這樣,具有歷史意義的第一個含有化學鍵的「惰性」氣體化合物誕生了,從而很好地證明了巴特列特的正確設想。1962年6月,巴特列特在英國Proccedings of the Chemical Society雜誌上發表了一篇重要短文,正式向化學界公布了自己的實驗報告,一下震動了整個化學界。持續70年之久的關於稀有氣體在化學上完全惰性的傳統說法,首先從實踐上被推翻了。化學家們開始改變了原來的觀念,摘掉了冠以稀有氣體頭上名不副實的「惰性」的帽子,拆除了人為的樊籬,很快形成了一個合成和研究新的稀有氣體化合物的熱潮,開闢了一個稀有氣體化學的新天地。
認識上的障礙一旦拆除,更多的稀有氣體化合物很快被陸續合成出來。就在同年8月,柯拉森(H.H.Classen)在加熱加壓的情況下,以1∶5體積比混合氙與氟時,直接得到了XeF4,年底又製得了XeF2和XeF6。氙的氟化物的直接合成成功,更加激發了化學家合成稀有氣體化合物的熱情。在此後不長的時間內,人們相繼又合成了一系列不同價態的氙氟化合物、氙氟氧化物、氙氧酸鹽等,並對其物理化學性質、分子結構和化學鍵本質進行了廣泛的研究和探討,從而大大豐富和拓寬了稀有氣體化學的研究領域。到1963年初,關於氪和氡的一些化合物也陸續被合成出來了。至今,人們已經合成出了數以百計的稀有氣體化合物,但卻僅限於原子序數較大的氪、氙、氡,至於原子序數較小的氦、氖,仍未製得它們的化合物,但有人已從理論上預測了合成這些化合物的可能性。1963年,皮門陶(Pimentaw)等人根據HeF2的電子排布與穩定的HF-2離子相似這一點,提出了利用核反應製備HeF2的3種設想:(1)製取TF-2,再利用氚〔3H(T)〕的β衰變合成HeF2:TF-2→HeF2+β;(2)用熱中子輻射LiF,生成HeF2;(3)直接用α粒子轟擊固態氟而產生HeF2。但毛姆等人則認為,HeF2和HF-2的電子排布雖然相似,但HF-2可以看成是一個H-跟兩個F原子作用成鍵,H-的電離能僅為22.44千焦/摩爾,而He的電離能卻高達 801.5千焦/摩爾,因此是否存在HeF2,在理論上是值得懷疑的,氦能否形成化合物,至今仍是個不解之謎。
稀有氣體化合物的製成
1962年6月,英國青年化學家巴特利特發表了合成Xe(PtF6)的簡報,使科學界大為震驚,從此打破了人為劃定的不存在「稀有氣體元素」化合物的禁區,使「稀有氣體元素」化學得到了飛躍的發展。至今,已合成了四百多種「稀有體元素」化合物,其中有的並不需要精密的實驗設備,如氙和氟的混和氣體只需要放在日光下照射,即可生成二氟化氙。
穩定的氙碳化合物首次製成
1989年,聯邦德國多特蒙德大學首次製備出一種穩定的氙碳化合物。這種化合物是在乙腈液體中和0 ℃下,使二氟化氙和三(五氯酚氟代苯基)甲硼烷反應生成的。研究人員已用核磁共振裝置研究了這種含氙碳鍵化合物的結構。
低溫下穩定的氪氮化合物製備成功。
1988年,加拿大麥克馬斯特大學的施陶貝根宣稱,他首次製備並表徵了含有氪—氮鍵的化合物。他用二氟化氪(KrF2)和質子化的氫氰酸鹽進行反應,把這兩種化合物放入氫氟酸中,並以液氮冷卻。然後讓反應溫度緩慢上升,使這兩種化合物溶解,併發生相互作用,在約-60 ℃時生成含有氪—氮鍵的白色固體化合物。這種氪—氮化合物與其他氙同系物相比是相當不穩定的,它似乎不能在高於-50 ℃的溫度下存在
在一定條件下,Xe可與F2發生反應,生成三種穩定的Xe的氟化物。XeF2.XeF4和XeF6:
Xe+nF2→XeF2n(n=1.2.3)
其中XeF4在鹼性溶液中迅速分解.
6XeF4+12H2O→2XeO3+4Xe+24HF+3O2
XeF6不完全水解,產物為XeOF4
XeF6+3H2O→XeFO4+6HF
Xe的含氧化物除了XeO3,XeOF4外還有XeF4,HXeO4-和(XeO6)4-等
XeO3+OH- →HXeO4-
2HXeO4-+2OH-→(XeO6)4-+Xe+O2+2H2O
三氧化氙【XeO3】是無色、易潮解、易爆炸的晶狀固體,可溶於水,在水中以分子狀態存在。它在中性和微酸性環境中很穩定,但在鹼性環境中它以HXeO4形式存在,且HXeO4不穩定,除氧化分解以外,還發生歧化反應:
2 HXeO4(aq)+2OH(aq)=XeO6(aq)+ Xe(g)+O2(g)+2H2O(l)
ΨXeO3/Xe=+2.10V ΨHXeO4-/Xe=+1.24V
且XeO3還原產物總是氙,因為沒有穩定的低價態氧化氙。
氙金屬化合物
三氟化金與氙和原子態氫反應,生成了一種新的黑色晶體,經檢測發現這種晶體的成分是新的化合物四氙化金。
氯是鹵族元素氙為惰性氣體,在正常情況下氯和氙是不會發生反應的,在自然界中也不存在氯和氙的化合物,但在高壓和強電場作用下氯可以接受氙的一個電子,形成氯化氙分子,氯化氙不穩定維持的時間很短,很快會解離成為氯和氙,這中不穩定的分子稱為準分子,由不穩定的氯化氙準分子受激發而發出的波長為308nm的紫外線激光。
氟化氙分三種:二氟化氙,四氟化氙和六氟化氙。他們均為無色晶體,其中二氟化氙熔點為129℃,四氟化氙為113℃,六氟化氙為89℃。XeF2在鹼溶液中易被還原成Xe。XeF4則在水中岐化為XeO3+Xe。XeF6則水解成XeO3。氟化氙能被氫氣還原為Xe。XeF2能將Cl-變為Cl2,BrO3-變為BrO4-。都可以用氙和氟直接化合生成,也可做氟化劑。
易升華,前二者氣態無色,後者黃色。化學活潑性、氧化性和氟化性依次遞增。如XeF2 和XeF4 不和SiO2 反應,而XeF6 最終反應生成XeO3 。XeF2 可用作有機物的氟化劑,選擇性較好,產率較高。XeF4 及XeF6 和某些有機物接觸會引起燃燒或爆炸。改性的XeF6 為有前途的氟化劑。XeF2 可用作氧化鈾的氟化劑,以分離鈾235。用生成氟化氙除去核反應堆裂變產物放射性氙的小型試驗已獲成功。用135 XeF4 作核反應堆的減速劑正在試驗。控制不同的溫度,壓力等條件,可由氙和氟直接反應製得上述三種氟化氙。還可通過放電、輻射、光化學反應等製備。

4理化性質

空氣中約含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,微溶於水,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,它們的熔點和沸點都很低,隨著原子量的增加,熔點和沸點增大。它們在低溫時都可以液化。
稀有氣體原子的最外層電子結構為ns2np6(氦為 1s2),是最穩定的結構,因此,在通常條件下不與其它元素作用,長期以來被認為是化學性質極不活潑,不能形成化合物的惰性元素。
除氦以外,稀有氣體原子的最外電子層都是由充滿的ns和np軌道組成的,它們都具有穩定的8電子構型。稀有氣體的電子親合勢都接近於零,與其它元素相比較,它們都有很高的電離勢。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鍵。表現出化學性質很不活潑,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)。直到1962年,英國化學家N˙巴利特才利用強氧化劑PtF6與氙作用,製得了第一種惰性氣體的化合物Xe[PtF6],以後又陸續合成了其他惰性氣體化合物,並將它的名稱改為稀有氣體。
空氣是製取稀有氣體的主要原料,通過液態空氣分級蒸餾,可得稀有氣體混合物,再用活性炭低溫選擇吸附法,就可以將稀有氣體分離開來。
第0族包括氦、氖、氬、氪、氙和氡共六種元素,統稱為稀有氣體。
稀有氣體在高壓電場下

  稀有氣體在高壓電場下

稀有氣體元素的基本性質列於下表中。
性 質
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
顏 色
無色
無色
無色
無色
無色
無色
光譜顏色(放電管中)
亮白色
藍綠
-
氣體密度(g/L)
0.1785
0.9002
1.7809
3.708
5.851
9.73
熔點(K)
0.95
24.5
84.0
116.6
161.2
202.2
沸點(K)
4.25
27.3
87.5
120.3
166.1
208.2
溶解度(mol/L,293K)
13.8
14.7
37.9
73
110.9
-
臨界溫度(K)
5.25
44.45
153.15
210.65
289.75
377.65
氣化熱(kJ/mol)
0.09
1.8
6.3
9.7
13.7
18.0
*: 在2.6MPa下
性 質
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
原子序數
2
10
18
36
54
86
原子量
4.00
20.18
39.95
83.80
131.3
222.0
價電子結構
1s
2s2p
3s3p
4s4p
5s5p
6s6p
原子(范得華)半徑(pm)
122
160
191
198
-
-
第Ⅰ電離勢(kJ/mol)
2372
2081
1521
1351
1170
1037
第Ⅱ電離勢(kJ/mol)
5250
3952
2666
2350
2046
-
恆壓熱容Cp(J/K·mol)
20.79
20.79
20.79
20.79
20.79
20.79
熱容商Cp/Cν
1.65
1.64
1.66
1.69
1.67
-

5應用

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艇里,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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