“佛系”的惰性氣體

曲建翹 吳萍

在元素周期表中，惰性氣體屬于0族元素。包括氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），氡（Rn），由于在大氣的化學組分中含量很少，故稱為稀有氣體。在日常生活中，這些稀有氣體為人類帶來了極大的方便。那么這些稀有氣體的用途你了解多少呢？你知道它們是如何被發現的嗎？讓我們走近惰性氣體的世界，挖掘它們的故事吧！

空氣中那些“冷漠的面孔”

空氣是指大氣層中的氣體混合，因此空氣屬于混合物。正常的空氣成分按體積分數計算是：氮氣約占78%，氧氣約占21%，稀有氣體約占0.939%，二氧化碳約占0.03%，還有其他氣體和雜質約占0.03%，如臭氧、二氧化氮、一氧化氮、水蒸氣等。

在惰性氣體中，除氬氣含量略高外（在100升空氣中，就有1升氬氣），其他氣體含量極少。它們在空氣中體積占比分別是氦0.0005%、氖0.0018%、氪0.00011%、氙0.000009%，科學家實驗證明，當我們每吸一口氣，會把5立方厘米左右（半湯匙）的氬吸入肺中，而同時吸入的氖氣只有氬氣的1/500，氦氣只有氬氣的1/2000，氪氣只有氬氣的1/10000，氙氣只有氬氣的1/100000。這些氣體將會經過我們的肺部，但并不會對肺產生作用。因為這些氣體全都是一副“冷漠的面孔”幾乎不參加任何化學反應。

?英國化學家威廉·拉姆塞（圖片來源/維基百科）

惰性氣體的偉大發現

惰性氣體含量這么少，它們是如何被發現的呢？

惰性氣體6種元素是在1894-1900年間陸續被發現，主要要歸功于英國化學家威廉·拉姆塞（1852-1916）。1894年拉姆塞和英國物理學家瑞利（1842-1919）合作實驗，從空氣中提取氮，每升重1.2572克，從氨氣里提取的氮每升卻重1.2560克，比前數輕千分之一。拉姆塞推斷空氣中的氮可能含有一種未知氣體。他們經過多次實驗，進一步分離，終于得到第一個惰性氣體——氬，這個重大發現被稱為“第三位小數的勝利”。

1895年，拉姆塞將釔鈾礦置于硫酸加熱，得到一種新的惰性氣體——氦，從而第一次在地球上找到所謂的“太陽元素”。

拉姆塞研究了氦和氬的性質，指出它們在周期表中屬于新的一族，并預言這一族中存在著其他元素。1898年，他在分餾液態空氣時，發現了3種新的稀有氣體，命名為氖、氪、氙。

?充有氬氮混合氣體的白熾燈可保護鎢絲的使用壽命

1899年，英國物理學家歐文斯和盧瑟福在研究釷的放射性時發現了釷射氣，即氡-220;1900年德國的道恩在研究鐳的放射性時發現鐳射氣，即氡-222;1902年德國化學家吉賽爾在錒的化合物中發現錒射氣即氡-219;后來英國化學家拉姆塞確定鐳射氣是一種新元素和發現的其他稀有氣體一樣是一種化學惰性稀有元素。其他兩種射氣是它的同位素，拉姆塞和W·格雷測定氡的原子量，并確定了氡在周期表的位置。1904年，杰出的英國化學家威廉·拉姆塞因為發現空氣的惰性氣體元素，并確定它們在元素周期表中的位置，被授予諾貝爾化學獎。

點亮生活，為人類提供優質的照明服務

人們白天利用太陽的光芒照亮大地，夜晚人造光源給城市、農村帶來光明。科學家們發明了電燈、日光燈、霓虹燈等。但是這些燈具的制造過程離不開惰性氣體。

白熾燈是最早發明的光源之一，至今已有一百多年的歷史，燈絲是燈泡的發光體，是由耐高溫的鎢（W）絲制成，鎢絲的熔點可高達3410℃。但鎢絲和其他金屬一樣，在高溫下很快會發生強烈的氧化而燒斷，所以燈絲必須工作在高度真空與不起氧化作用的惰性氣體（氬、氮）或氬氮混合氣體中，以保護鎢絲的使用壽命。

還有一種氖氣提示燈泡，它是一種輝發電燈泡，其結構由兩電級構成，玻璃殼內充以氖氣為主的混合氣體。當兩極加上額定電壓時，管內氣體發生輝光放電，發出橙紅色的光。其體積小，耗電少（僅0.1瓦左右），發熱量低。其次，由于沒有燈絲，所以耐震性能好。氖燈泡的光線能穿透濃霧，常用作航空、航海和鐵路交通指揮燈。

稀有氣體在低壓放電時，會發出多種顏色的光，可以制成五顏六色的“霓虹燈”把現代化都市的夜晚裝扮得繁花似錦。

稀有氣體在低壓放電時會發出多種顏色的光

除此之外，氪氣也可充填高級電子管和實驗室用的可連續照射的紫外燈。它還能制成不需要電源的原子燈，適用于沒有電源的地方使用，氪燈泡比同功率的氬氣燈泡省電20%～25%，壽命可延長2～3倍，被稱為“長壽燈”。氪燈的透射率很高，因而可用于夜戰中越野戰車上的照射燈，特殊照明的結點光源，以及閃光燈、頻閃檢測器等。

各個行業的掌中寶

氦的沸點是所有已知物質中最低的，液氦常用作超低溫研究中的制冷劑，氦在原子反應堆中也可以用作制冷劑，氦又用于填充氣體、溫度計、電子管等。另外，氦和氧氣混合制造的人造空氣，可用于醫學治療。

氦可用于超導技術，因為在液氦的溫度環境下，導體失去電阻，電流通過不發熱、不損失，永久流動形成“超導電性”，如鐵、硅等的冶煉以及高熔點與厚的高級合金的弧焊、切割等都需要氦。

用氦制作的激光器，可測量月球與地球之間的距離，精度在15厘米內。另外，氦具有很強的擴散性，因此，氦氣是壓力容器和真空系統最好的檢漏指示劑。氦還可應用于食品保護，填充飛船及等離子，雷達探測和高空攝影等方面。

在惰性氣體環境中進行的實驗效果更準確

據日本《朝日新聞》2019年12月21日報道，日本氦氣完全依靠進口。2020年短缺問題加劇，一大原因在于氦氣出口國美國的氦氣儲存量大幅減少。另外，美國近年加大了頁巖氣開發力度，而頁巖開發過程中，氦氣容易逃逸至大氣中，難以大量收集。

氦氣短缺問題波及了日本多個行業。例如東京迪士尼樂園已有數周不出售氦氣氣球，多家醫院優先接受醫用氦氣供應，導致部分科研項目受阻。日本物理學會和日本化學會曾聯合發布聲明，呼吁政府、學術界和工業界合作，加大氦氣回收力度，建造大型氦氣儲存裝置。由此可見，人們的生活、工業、醫療和航空等領域中一刻也離不開稀有氣體。

與人類“相愛相殺”

氡氣是一種具有天然放射性的稀有氣體，是一種僅次于香煙、能導致肺癌的有害氣體，是世界衛生組織（WHO）國際癌癥研究中心（IARC）公布的19種主要致癌物之一。可見氡對人類的“危害”之大。

盡管放射性氡會對人類帶來危害，但事物都有兩面性，氡也在人類社會發展過程中起到了不可磨滅的作用：讓我們看一看氡的應用。

一是在環境科學方面，一些科學家利用地下水中氡的濃度變化來預報地震;

二是醫療上的應用，氡主要靠放射出來的各種射線起作用，一般有浴療、飲療和吸收法并用。氡進入人體后，刺激人體功能促使皮膚血管收縮和擴張，調整心血管功能。因此可以治療高血壓及某些心血管疾病等。

簡而言之，惰性氣體為人類提供了優質的服務，讓人們生活更加美好。未來如果大家對惰性氣體元素有了更深入的了解，相信它們能給我們的生活帶來更大的便利。