科普大赛 | 惰性一家族——稀有气体- 大数跨境

中科富海

2023-12-12

稀有气体是一类化学元素，它们在元素周期表上的第18族(VIIIA族)。这组元素包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。稀有气体又被称为惰性气体，因为它们在常温下很难与其他元素发生化学反应。它们的化学性质相对稳定，很难与其他元素形成化合物。稀有气体虽然稀有，但它们为人类做出了很大的贡献。

图1 稀有气体（源自视觉中国）

（一）稀有气体的存在与发现

在地球上，稀有气体主要来源是空气，此外氦(He)也存在于某些天然气中，氡(Rn)是某些放射性元素蜕变的产物。至于月球，那是氦的“聚集地”，据粗略估算，其氦储量为300万~500万吨。稀有气体中首先被发现的是 1868 年法国天文学家 P.Janssen 和英国天文学家J.N.Lockyer在观察日全食时，发现太阳光谱上有一条当时地球上尚未发现的橙黄色谱线，这条谱线不属于任何已知元素。英国化学家E.Frankland认为这条橙黄色谱线对应于太阳外围气氛中的一种新的元素，并称之为氢(helium，希腊文原意是“太阳”)。1895年英国化学家 W.Ramsay把铀矿放在硫酸中加热，从产生的气体光谱中又看到了这条谱线，亦即在地球上第一次找到氦。

1894 年以前，人们一直认为空气只是氮气和氧气的混合物。1894年英国物理学家J·W·Rayleigh和 W· Ramsay发现，从空气中除去氧后制得氮气的密度为 1.2572g/L，而从化合物制得的氮的密度为1.2502g/L，两者差异是由于空气中尚有某种比氮更重的未知气体造成的，此种气体能产生自己特有的发射光谱，因而被确定是一种新的元素。这种元素因其情性而被命名为氩(Argon，希腊文表示“懒”的意思)。氦、氩两种元素被发现后，由于它们性质很相似，而和周期系中已发现的元素差异很大，W.Ramsay认为应属于周期系中新的一族，因而还应该有性质类似的新元素存在。1898年 W. Ramsav 又从液态空气中分离出性质和氩相似的三种元素：氖(Neon，希腊文表示“隐藏”的意思)、氪(Krypton，希腊文表示“新”的意思)、氙(Xenon，希腊文表示“陌生人”的意思)。

1900年德国物理学家F.E.Dom在放射性镭的蜕变产物中发现了氡(Radon)。至此，稀有气体元素氦、氖、氩、氪、氙、氡全部被发现或人工合成，构成了周期系中的零族元素。

图2 拉姆塞（源自《惊奇化学》）

（二）稀有气体的结构和性质

稀有气体的价层电子构型是稳定的8电子构型(氦为2电子)，电离能较大，难以形成电子转移型的化合物；若不拆开成对电子，则不能形成共价键。所以稀有气体在一般条件下不具备化学活性，因而在1962年以前一直将稀有气体称为“惰性气体”。这些气体在自然界中以原子的形式存在，都是无色、无臭、无味的，微溶于水稀有气体原子间存在着微弱的色散力，其作用力随着原子序数的增加而增大。

因而稀有气体的物理性质如熔点、沸点、临界温度、溶解度等也随着原子序数的增加而递增。稀有气体在低温下可被液化，而且除氦外，均可在足够低的温度下凝固。氦气则需要在0-1K，25倍以上标准压力下才能凝固，其熔点极低(-272.15K)，稀有气体的很多用途是基于这些元素的化学惰性和某些物理特性。稀有气体最初是在光学上获得广泛的应用，近年来用到冶炼、医学及一些重要工业部门。

图3 稀有气体电子排布图（源自《奇妙的元素周期表》）

图4 稀有气体物化性质（《源自惊奇化学》）

（三）氦(He)

氦气在通常情况下为无色、无味的气体，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。除氯以外，氦是最轻的气体，常用它取代氢气充填气球和气艇氦气在血液中的溶解度比氮小得多，利用氦和氧的混合物制成“人造空气”供潜水员呼吸，以防止潜水员出水时，由于压力骤然下降使原来溶在血液中的氮气逸出，阻塞血管而得“潜水病”。另外，氦的密度、黏度均小，对呼吸困难者，使用氦-氧混合呼吸气有助于吸氧、排出CO。氦气能扩散透过橡胶、聚氯乙烯及大多数玻璃。所有物质中，氦的沸点最低，液态氦蒸发之前得到比热力学零度只高出十分之几摄氏度的低温，因而广泛用作超低温研究中的制冷剂。还适合作为低温温度计(如测量 1~80 K)的填充气体。氦气在金属冶炼、电弧焊接中用作惰性保护气体。He被认为是较安全的高效聚变反应原料。声音在氦中传播的速度是空气的3倍，液氦还可以用来超导磁铁。

图4充氦气球

图5氦氧混合“人造空气”

(源自视觉中国网站)

（四）氖(Ne)

氖是无色无味无臭的气体，大气中含量极少，化学性质不活泼。氦正下方的氖是周期表所有元素中活性最差的一个。它对电子的束缚比氦还要紧密，因为它的电子不在一个壳层中，不像氦的电子那样彼此遮挡住原子核。在某些属性上，氖是冠军。如液态氖转变为气体时，其体积增长1438倍，远远超过排在第二的氧(仅860倍)。所有的元素中，氛的熔点和沸点差距最小；其熔点为零下248.6摄氏度，沸点为零下2461摄氏度，仅相差25摄氏度。在低温下，液氖是最好的制冷剂，制冷速度是液氦的40倍，但用液氦制冷能得到更低的温度。

氖是一个日常词汇，因为它被用于氖灯(霓虹灯)这个短语中。虽然所有的情性气体在通电时都能发出辉光，但氖发出的光最强。因此，最初在广告中使用——制造成字母形状的长辉光管中充的都是氖气。但现在，即便霓虹灯中充的是其他气体，我们依然称它们为氖灯。霓虹灯的一个变种是氦氖激光器。其中氦比氖多10倍，但氦只是提高氖发光的效率，发光的依然是氖。在氦氖混合气体的两端各放置一面镜子，让光在气体中来回反射，每次通过气体时，光就被增强。其中一面镜子略微透明，最终光线通过它穿出。和所有其他惰性气体一样，氖是单原子气体，气中的所有原子都是单独存在的，不像氧气和氮气中原子成对存在。因此，尽管氖原子比氮和氧原子重，但氖气比氧气和氮气轻，充氖的气球会飞到天上去。

图6 霓虹灯

图7 氛围灯

（源自视觉中国网站）

（五）氩(Ar)

第一个被“诱骗”(与其他元素形成化合物)的情性元素是氩，它是第3种惰性元素。氩在空气中的比例接近1%，当研究人员从空气中去除氧、氮、二氧化碳和水之后，氩就被暴露了。因此，它是第一个被发现的惰性元素。此前被发现的元素的化学活性都比它高，因此它得到了现在这个名字——氩，其词源来自于希腊语的惰性或不活泼。几乎所有的氩都来自于放射性钾的衰变，而地壳中有大量的钾，平均每百万个原子中就有3个放射性钾。因此，地球大气中的氩比氦或氖多。

氩的导热性很差，把它充入双层玻璃之中，可以起到隔热的效果。也可以使用其他气体来隔热，但氩是最廉价的。在焊接活泼金属像铝和钛时，氩也用作保护性气体。另外，氩还用于保护活泼化学物质，免遭氧气和空气中的水蒸气攻击。《独立宣言》的原始文件就被密封在一个充满氩的盒子中进行保护，廉价的氩也能干同样的工作。从前用的是氦来保护该文件，但后来氦泄露了。白炽灯泡中充氩，能让灯丝的最高温度比在真空中还要高，因此能提高电能的转换效率。

图8氩在焊接活泼金属时的保护作用

图9充氩白炽灯

（源自视觉中国网站）

（六）氪(Kr)和氙(Xe)

氪为无色、无臭、无味的惰性气体。氪是无色无臭无味的气体，不易与其他元素化合，空气中有微量存在。氪和氙被用于制造特种光源。放电时发出黄绿色的辉光，在高效灯泡中常填充氮用作保护气体。有极高的发光强度，可用以填充光电管和闪光灯。这种灯放电强度高、光线强，有“小太阳”之称。与笔气按比例混合使用，可作为无副作用的麻醉剂，用于外科手术，但高浓度会使人窒息。此外，其同位素常用于医学测量。

图10 光管

图11 氪和氙制造特种光源

（源自视觉中国网站）

（七）氡(Rn)

氡溶于水、血、煤油、CS：及甲苯，易被橡胶、硅胶、活性炭吸附，是核动力工厂和自然界U和Th放射性聚变的产物，是人类在自然界中可能接触到的气态放射性元，其在衰变过程中放出的射线，易诱发癌症、白血病、不孕不育症、胎儿畸形等。在矿物中形成的氧大部分仍留在矿物中，只有少量的氧扩散出来。在地表、湖泊、河流、洞穴、深井中检测到的氧，正是从含有铀的土壤、岩石中渗出的。家居中若氧超标，必须认真检查房基土壤、建材及装饰材料是否有问题。在医学上氡用于恶性肿瘤的放射性治疗。