稀有气体

  稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙和氡等气体的总称。这些气体在生产和科学研究中,应用也比较广泛。  氦、氖、氩、氪、氙和氡6种元素。属周期系零族元素。这6种元素是19世纪末到20世纪初发现的。它们在空气中的含量(以体积计)为:氩0.94%,氖0.0018%,氦0.0005%, 氪0.00011%,氙 0.000009%,氡是放射性矿物的衰变产物。因它们在空气中含量极微,又都是气体,故称稀有气体。    这些元素都是无色、无臭、无味气体;微溶于水,其溶解度随分子量的增加而增大。气体分子由单原子组成,熔点和沸点都很低,并随原子量增加而升高。它们在低温时可被液化,除氦以外,其他5种气体都可在充分降温下凝固,氦则要在25大气压或更大的外压下于0~1k凝固。稀有气体原子的最外层电子结构为 ns2np6(氦为1s2),使稀有气体一般不具备化学活性,故过去又称惰性气体。    自从1962年N.巴利特首次合成稀有气体化合物Xe[PtF6]以后,至今已合成了数以百计的化合物,其中以氙的化合物最多。例如氙的氟化物有XeF2、XeF4、XeF6以及由它们和金属氟化物生成的一系列加合物;氙的氧化物有XeO3、XeO4、含氧酸盐、氟氧化物XeOF4等以及由氙的氧化物和氟氧化物生成的多种加合物。氪的化合物仅合成出氟化氪KrF2及其一些加合物。氡的化合物仅合成出氟化氡,氦、氖、氩尚未合成出化合物。

稀有气体发现简史

  周期表中零族元素有氦、氖、氩、氪、氙和氡一共六种,它们都是气体。  六种稀有气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。发现稀有气体的主要功绩应归于英国化学家莱姆赛(Ramsay W,1852-1916)。

·氩Ar

  早在1785年,英国著名科学家卡文迪什(Cavendish H,1731-1810)在研究空气组成时,发现一个奇怪的现象。当时人们已经知道空气中含有氮、氧、二氧化碳等,卡文迪什把空气中的这些成分除尽后,发现还残留少量气体,这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也没有想到,就在这少量气体里竟藏着一个化学元素家族。  100多年后,英国物理学家瑞利(Rayleigh J W S,1842-1919)在研究氮气时发现从氮的化合物中分离出来的氮气每升重1.2508g,而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g,这0.0064g的微小差别引起了瑞利的注意。他与化学家莱姆赛合作,把空气中的氮气和氧气除去,用光谱分析鉴定剩余气体,终于在1894年发现了氩。由于氩和许多试剂都不发生反应,极不活泼,故被命名为Argon,即“不活泼”之意。中译名为氩,化学符号为Ar。

·氦He

  早在1868年,法国天文学家简森(Janssen P J C,1824-1907)在观察日全蚀时,就曾在太阳光谱上观察到一条黄线D,这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时,英国天文学家洛克耶尔(Lockyer J N,1836-1920)也观测到这条黄线D。当时天文学家认为这条线只有太阳才有,并且还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium,这是由两个字拼起来的,helio是希腊文太阳神的意思,后缀-ium是指金属元素而言。中译名为氦。  1895年,莱姆赛和另一位英国化学家特拉弗斯(Travers M W,1872-1961)合作,在用硫酸处理沥青铀矿时,产生一种不活泼的气体,用光谱鉴定为氦,证实了氦元素也是一种稀有气体,这种元素地球上也有,并且是非金属元素。

·氪Kr、氖Ne、氙Xe

  由于氦和氩的性质非常相近,而且它们与周期系中已被发现的其它元素在性质上有很大差异,莱姆赛根据周期系的规律性,推测出氦和氩可能是另一族元素,在它们之间一定有一个性质和氦、氩相近的家族。果然,在1898年5月30日莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的残余物中,用光谱分析首先发现了比氩重的氪,他们把它命名为Krypton,即隐藏之意。隐藏于空气中多年才被发现。  1898年6月,莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液态氩时收集了最先逸出的气体,用光谱分析发现了比氩轻的氖。他们把它命名为neon,源自希腊词neos,意为新,即从空气中发现的新气体。中译名为氖。也就是现在氖灯里的气体。  1898年7月12日,莱姆赛和特拉弗斯在分馏液态空气,制得了氪和氖后,又把氪反复地分次萃取,从其中又分出一种质量比氪更重的新气体,他们把它命名为Xenon,源自希腊文xenos,意为陌生人,即为人们所生疏的气体,因为它在空气中的含量极少,仅占总体积的一亿分之八。

·氡Rn

  氡是一种具有天然放射性的稀有气体,它是镭、钍和锕这些放射性元素在蜕变过程中的产物,因此,只有这些元素发现后才有可能发现氡。  1899年,英国物理学家欧文斯(Owens R B)和卢瑟福(Rutherford E,1871-1937)在研究钍的放射性时发现钍射气,即氡-220。1900年,德国人道恩(Dorn F E)在研究镭的放射性时发现镭射气,即氡-222。1902年,德国人吉赛尔(Giesel F O,1852-1927)在锕的化合物中发现锕射气,即氡-219。直到1908年,莱姆赛确定镭射气是一种新元素,和已发现的其它稀有气体一样,是一种化学惰性的稀有气体元素。其它两种射气,是它的同位素。1923年国际化学会议上命名这种新元素为radon,中文音译成氡,化学符号为Rn。  至此,氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体作为一个家族全被发现了,它们占据了元素周期表零族的位置。这个位置相当特殊,在它前面是电负性最强的非金属元素,在它后面是电负性最小的金属活泼性最强的金属元素。由于这六种气体元素的化学惰性,很久以来,它们被称为"隋性气体"。  人类的认识是永无止境的,经过实践的检验,理论的相对真理性会得到发展和完善。1962年,在加拿大工作的英国青年化学家巴特列特(Bartlett N,)首先合成出第一个惰性气体的化合物──六氟合铂酸氙Xe[PtF6],动摇了长期禁锢人们思想。“隋性气体”也随之改名“稀有气体”。

稀有气体的性质

  稀有气体的化学性质是由它的原子结构所决定的。  除氦以外,稀有气体原子的最外电子层都是由充满的ns和np轨道组成的,它们都具有稳定的8电子构型。稀有气体的电子亲合势都接近于零,与其它元素相比较,它们都有很高的电离势。因此,稀有气体原子在一般条件下不容易得到或失去电子而形成化学键。表现出化学性质很不活泼,不仅很难与其它元素化合,而且自身也是以单原子分子的形式存在,原子之间仅存在着微弱的范德华力(主要是色散力)。  稀有气体的熔、沸点都很低,氦的沸点是所有单质中最低的。它们的蒸发热和在水中的溶解度都很小,这些性质随着原子序数的增加而逐渐升高。  稀有气体的原子半径都很大,在族中自上而下递增。应该注意的是,这些半径都是未成键的半径,应该仅把它们与其它元素的范德华半径进行对比,不能与共价或成键半径进行对比。  氦是所有气体中最难液化的,温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态,具有一般液体的通性。温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体,具有许多反常的性质。例如具有超导性、低粘滞性等。它的粘度变得为氢气粘度的百分之一,并且这种液氦能沿着容器的内壁向上流动,再沿着容器的外壁往下慢慢流下来。这种现象对于研究和验证量子理论很有意义。

稀有气体的用途

  稀有气体广泛应用到光学、冶金和医学等领域中。例如:氦氖激光器、氩离子激光器等在国防和科研上有着广泛的用途。氖在放电管内放射出美丽的红光,加入一些汞蒸气后又发射出蓝光,所以,氖被广泛用来制造霓虹灯。氙在电场的激发下能放出强烈的白光,高压长弧氙灯经常用于电影摄影、舞台照明等。在冶金工业中,氩和氦的最大用途是为熔焊不锈钢等提供惰性气氛。氪、氙和氡还能用于医疗上,氙灯能放出紫外线,氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。氦还被用来代替氢充填气象气球和飞船,由于它不燃烧,比氢安全得多。由于氦的沸点低,还被用于超低温技术。