稀有氣體及其化合物的發現和應用

摘要：介紹了稀有氣體元素的發現、性質、應用和其化合物的合成及應用。

關鍵詞：稀有氣體元素；稀有氣體化合物；發現；應用

文章編號：1005－6629(2007)02-0047-03

中圖分類號：0613．1／8

文獻標識碼：E

稀有氣體包括氦、氖、氬、氪、氙和氡6種元素，屬周期系零族元素，它們在空氣中的含量(以體積計)為：氬0．934％，氖1．82x10-3％，氦5．24x10^-4％，氪1．14x10^-3％，氙8．7x10^-6％，氡是放射性礦物的衰變產物，因它們在空氣中含量極微，又都是氣體。故稱稀有氣體。

1 稀有氣體的發現

稀有氣體元素都是無色、無臭、無味氣體；微溶于水，其溶解度隨相對分子質量的增加而增大。氣體分子由單原子組成，熔點和沸點都很低，并隨相對原子質量增加而升高。它們在低溫時可被液化，除氦以外，其他5種氣體都可在充分降溫下凝固。氦則要在25個大氣壓或更大的外壓下于OK～1K凝固。稀有氣體原子的最外層電子結構為ns²np⁶(氦為1s²)，使稀有氣體一般不具備化學活性，故過去又稱惰性氣體。

六種稀有氣體元素是在1894－1900年間陸續被發現的。發現稀有氣體的主要功績應歸于英國化學家拉姆塞(Ramsay W，1852-1916)。下面我們按稀有氣體元素發現的先后順序。分別介紹這六種元素的發現經過。

1．1 氬Ar

稀有氣體中最先被發現的是氬。早在1785年，英國著名科學家卡文迪許(Cavendish H，1731—1810)在研究氮氣時，把空氣中的已知成分氮、氧、二氧化碳等除盡后，仍殘留少量氣體，但這個現象當時并沒有引起化學家們應有的重視。誰也沒有想到．就在這少量氣體里竟隱藏著一個化學元素家族。100多年后，1892年，英國物理學家瑞利(Rayleigh J W S，1842-1919)在研究氮氣時發現從氮的化合物中分離出來的氮氣和從空氣中分離出來的氮氣在相同情況下每升相差0．0064g，這微小的差別引起了瑞利的注意。同時化學家拉姆塞已測定的氮密度值，獲得了同樣的結果，于是瑞利與拉姆塞合作，把空氣中的氮氣和氧氣等除去，用光譜分析鑒定剩余氣體，終于在1894年發現了新的氣體——氬。由于氬和許多試劑都不發生反應，極不活潑，故被命名為Argon，其希臘文原意是“不活潑的、惰性的”，大氣中含有0．934％的氬。氬的發現在科學界引起了極大的反響，它的化學不活潑性是出乎意料的，人們還不知道氬在周期表中應該放在什么位置。

1．2 氦He

在氬被發現以后不久，接著發現的稀有氣體元素是氦，它首先是在太陽大氣中發現的。早在1868年，法國天文學家詹森(Janssen P J C，1824－1907)在觀察日全食時，就在太陽光譜上觀察到一條黃線D3，這和已知的鈉光譜的D1和D2兩條線不相同。兩個月后，英國天文學家洛克耶爾(LockyerJ N，1836－1920)也觀測到這條黃線，經過進一步研究，認識到這是一條不屬于任何已知元素的譜線，所以洛克耶爾把這個元素取名為Helium，希臘文原意是“太陽”，后綴-ium是指金屬元素而言。

1895年初瑞利和拉姆塞得悉美國人希爾布蘭德在研究釔鈾礦時發現：將這種礦物加硫酸煮沸，放出了某種氣體。1895年，拉姆塞重做了希爾布蘭德的實驗，獲得了約20cm³的氣體。用光譜鑒定為氦，并證實了氦也是一種稀有氣體，而不是金屬元素。這樣，第二個稀有氣體在地球上也被發現了。不久人們又發現氦不僅存在于鈾礦中，也存在于其他天然物中，特別是大氣中。

1．3 氪Kr、氖Ne、氙Xe

由于氦和氬的性質非常相近，而且它們與周期系中已被發現的其它元素在性質上有很大差異，拉姆塞根據周期系的規律性，推測出氮和氬可能是另一族元素，并且可能有一個性質和氦、氬相近的家族。果然，在1898年5月30日拉姆塞和特拉弗斯在大量液態空氣蒸發后的殘余物中，用光譜分析首先發現了比氬重的氪，他們把它命名為Krypton，即“隱藏”之意。

1898年6月，拉姆塞和特拉弗斯在蒸發液態氬時收集了最先逸出的氣體。用光譜分析發現了比氬輕的氖，并把它命名為neon，源自希臘詞neos，意為“新”，即從空氣中發現的新氣體。

1898年7月12日，拉姆塞和特拉弗斯在分餾液態空氣，制得氪和氖后，又把氪反復地分次液化、揮發，從其中又分出一種質量比氪更重的新氣體氙，命名為Xenon，希臘文意為“陌生的，奇異的”。即為人們所生疏的氣體，因為它在空氣中的含量極少，僅占總體積的一億分之八。

稀有氣體的發現被譽為“第三位數字”的勝利，也就是分析的高度準確性的勝利。拉姆塞因發現一系列稀有氣體元素而榮獲1904年的諾貝爾化學獎。

1．4氡Pn

氡是一種具有天然放射性的稀有氣體，它是鐳、釷和錒這些放射性元素在蛻變過程中的產物，因此，只有這些元素發現后才有可能發現氡。1899年，英國物理學家歐文斯(Owens R．B．)和盧瑟福(Rutherford E，1871-1937)在研究釷的放射性時發現釷射氣，即氡-220。1900年，德國人道恩(DornF．E．)在研究鐳的放射性時發現鐳射氣，即氡－222。1903年，德國人吉賽爾(Giesel F．0，1852-1927)在錒的化合物中發現錒射氣，即氡-219。直到1908年，拉姆塞確定鐳射氣是一種新元素，和已發現的其它稀有氣體一樣。是一種化學惰性的稀有氣體元素，其它兩種射氣，是它的同位素。1923年國際化學會議上命名這種新元素為radon，希臘文“閃光的”，化學符號為Rn。

至此，氦、氖、氬、氪、氙、氡六種稀有氣體作為一個家族全被發現了，它們占據了元素周期表零族的位置。這個位置相當特殊，在它前面是電負性最強的非金屬元素，在它后面是電負性最小的金屬活潑性最強的金屬元素。由于這六種氣體元素的化學惰性，很久以來，它們被稱為“隋性氣體”。

2 稀有氣體的性質

稀有氣體的化學性質是由它的原子結構所決定的。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于零，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)。

稀有氣體的熔、沸點都很低，氦的沸點是所有單質中最低的。它們的蒸發熱和在水中的溶解度都很小，這些性質隨著原子序數的增加而逐漸升高。稀有氣體的原子半徑都很大，在族中自上而下遞增。值得注意的是，這些半徑都是未成鍵的半徑，應該僅把它們與其它元素的范德華半徑進行對比，不能與共價或成鍵半徑進行對比。

3 稀有氣體的應用

稀有氣體廣泛應用到光學、冶金和醫學等領域中。例如：氦氖激光器、氬離子激光器等在國防和科研上有著廣泛的用途。氦被用來代替氫充填氣象氣球和飛船，由于它不燃燒，比氫安全。氦溶解度比氮低，用于預防潛水病，氦的沸點低(4．2K)，是所有氣體中最難液化的，可被用于超低溫技術。另外，溫度在2．2K以上的液氦是一種正常液態，在2．2K以下的液氦則是一種超流體，具有超導性、低粘滯性等許多反常性質，對于研究和驗證量子理論很有意義。稀有氣體在通電時能發出不同顏色的光，可制成多種用途的電光源，如航標燈、強照明燈、閃光燈，霓虹燈等；氖在放電管內放射出美麗的紅光，加入一些汞蒸氣后又發射出藍光，氪密封于燈管中即發出淺紫色光，用于機場跑道燈；氙在電場的激發下能放出強烈的白光，高壓長弧氙燈常用于電影攝影、舞臺照明等，氪與氙混合用于高強度、短曝光的照相閃光燈和頻閃燈中。在冶金工業中，由于稀有氣體有惰性，常用作保護氣，如焊接金屬時用稀有氣體來隔絕空氣，燈泡中充稀有氣體以使燈泡耐用；氬是鉀－40的衰變產物，可以用于鉀氬測定來確定巖石的固化時間和巖石的年代。在量子物理、核研究領域，稀有氣體可以作為冷卻氣體保護設備，中子源，以及檢測氣等；氪、氙和氡還能用于醫療上，氙燈能放出紫外線，氡可以作為種子植入人體腫瘤部位，氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。

4 稀有氣體化合物

4．1稀有氣體化合物的合成

人類的認識是永無止境的，1962年，在加拿大工作的英國青年化學家巴特列特(Bartlett N，1932-)首先合成出第一個惰性氣體的化合物——六氟合鉑酸氙Xe[Ptr]，打破了人為劃定的不存在“稀有氣體元素”化合物的禁區，“隋性氣體”也隨之改名為“稀有氣體”。至今已合成了數以百計的化合物，中以氙的化合物最多。例如氙的氟化物有XeF₂、XeF₄、XeF₆以及由它們和金屬氟化物生成的一系列加合物：氙的氧化物有XeO₃、XeO₄、含氧酸鹽、氟氧化物XeOF₄。其中有的并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。

1988年，加拿大麥克馬斯特大學的施陶貝根宣首次制備并表征了含有氪－氮鍵的化合物。將二氟化氪(KrF₂)和質子化的氫氰酸鹽放人氫氟酸中，并以液氮冷卻。然后讓反應溫度緩慢上升，這兩種化合物溶解，并發生相互作用，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，它似乎不能在高于-50℃的溫度下存在。

1989年，聯邦德國多特蒙德大學首次制備出一種穩定的氙碳化合物，即在0℃下乙腈液體中，通過二氟化氙和三(五氯酚氟代苯基)甲硼烷反應生成，并用核磁共振裝置研究了這種含氙碳鍵化合物的結構。

4．2稀有氣體化合物的應用

稀有氣體化合物，有著廣闊的應用前景。例如，在鈾-235作核燃料的原子反應堆中，可以利用氟化的辦法。使氪和氙轉為固態的氟化氪和氟化氙，并利用它們氟化能力的不同，將它們作進一步的分離。在鈾礦的開采中，氡是一種有害的強放射性氣體，也可以通過氟化處理而消除。在精煉合金時，加入固體的二氟化氙、四氟化氙，有助于除去金屬或合金中所含的氣體和非金屬夾雜物。宇航飛行器從外層空間返回地球時，外殼與大氣摩擦產生高溫，稀有氣體的氟化物可作為猝滅消融劑，吸熱降溫，結合等離子體火焰中的電子而使其猝滅，防止飛行器熔化。三氧化氙和四氧化氙對震動、加熱都極為敏感，在潮濕的空氣中有很強的爆炸力，人們試圖探討將它們用作火箭推進劑的可能性。稀有氣體鹵化物還可以作為大功率激光器的工作物質。例如，一氟化氙激光器可發射出波長為351．1納米和353．1納米的激光束等。

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