稀有气体及其化合物的发现和应用

摘要：介绍了稀有气体元素的发现、性质、应用和其化合物的合成及应用。

关键词：稀有气体元素；稀有气体化合物；发现；应用

文章编号：1005－6629(2007)02-0047-03

中图分类号：0613．1／8

文献标识码：E

稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙和氡6种元素，属周期系零族元素，它们在空气中的含量(以体积计)为：氩0．934％，氖1．82x10-3％，氦5．24x10-4％，氪1．14x10-3％，氙8．7x10-6％，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。

1　稀有气体的发现

稀有气体元素都是无色、无臭、无味气体；微溶于水，其溶解度随相对分子质量的增加而增大。气体分子由单原子组成，熔点和沸点都很低，并随相对原子质量增加而升高。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个大气压或更大的外压下于OK～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。

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拉姆塞(Ramsay W，1852-1916)。下面我们按稀有气体元素发现的先后顺序。分别介绍这六种元素的发现经过。

1．1　氩Ar

稀有气体中最先被发现的是氩。早在1785年，英国著名科学家卡文迪许(Cavendish H，1731―1810)在研究氮气时，把空气中的已知成分氮、氧、二氧化碳等除尽后，仍残留少量气体，但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隐藏着一个化学元素家族。100多年后，1892年，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和从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升相差0．0064g，这微小的差别引起了瑞利的注意。同时化学家拉姆塞已测定的氮密度值，获得了同样的结果，于是瑞利与拉姆塞合作，把空气中的氮气和氧气等除去，用光谱分析鉴定剩余气体，终于在1894年发现了新的气体――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，其希腊文原意是“不活泼的、惰性的”，大气中含有0．934％的氩。氩的发现在科学界引起了极大的反响，它的化学不活泼性是出乎意料的，人们还不知道氩在周期表中应该放在什么位置。

1．2　氦He

在氩被发现以后不久，接着发现的稀有气体元素是氦，它首先是在太阳大气中发现的。早在1868年，法国天文学家詹森(Janssen P J C，1824－1907)在观察日全食时，就在太阳光谱上观察到一条黄线D3，这和已知的钠光谱的D1和D2两条线不相同。两个月后，英国天文学家洛克耶尔(LockyerJ N，1836－1920)也观测到这条黄线，经过进一步研究，认识到这是一条不属于任何已知元素的谱线，所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium，希腊文原意是“太阳”，后缀-ium是指金属元素而言。

1895年初瑞利和拉姆塞得悉美国人希尔布兰德在研究钇铀矿时发现：将这种矿物加硫酸煮沸，放出了某种气体。1895年，拉姆塞重做了希尔布兰德的实验，获得了约20cm3的气体。用光谱鉴定为氦，并证实了氦也是一种稀有气体，而不是金属元素。这样，第二个稀有气体在地球上也被发现了。不久人们又发现氦不仅存在于铀矿中，也存在于其他天然物中，特别是大气中。

1．3 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，拉姆塞根据周期系的规律性，推测出氮和氩可能是另一族元素，并且可能有一个性质和氦、氩相近的家族。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。

1898年6月，拉姆塞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，并把它命名为neon，源自希腊词neos，意为“新”，即从空气中发现的新气体。

1898年7月12日，拉姆塞和特拉弗斯在分馏液态空气，制得氪和氖后，又把氪反复地分次液化、挥发，从其中又分出一种质量比氪更重的新气体氙，命名为Xenon，希腊文意为“陌生的，奇异的”。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。

稀有气体的发现被誉为“第三位数字”的胜利，也就是分析的高度准确性的胜利。拉姆塞因发现一系列稀有气体元素而荣获1904年的诺贝尔化学奖。

1．4氡Pn

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(DornF．E．)在研究镭的放射性时发现镭射气，即氡－222。1903年，德国人吉赛尔(Giesel F．0，1852-1927)在锕的化合物中发现锕射气，即氡-219。直到1908年，拉姆塞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，希腊文“闪光的”，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”。

2　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)。

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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。值得注意的是，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。

3　稀有气体的应用

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。氦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。氦溶解度比氮低，用于预防潜水病，氦的沸点低(4．2K)，是所有气体中最难液化的，可被用于超低温技术。另外，温度在2．2K以上的液氦是一种正常液态，在2．2K以下的液氦则是一种超流体，具有超导性、低粘滞性等许多反常性质，对于研究和验证量子理论很有意义。稀有气体在通电时能发出不同颜色的光，可制成多种用途的电光源，如航标灯、强照明灯、闪光灯，霓虹灯等；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，氪密封于灯管中即发出浅紫色光，用于机场跑道灯；氙在电场的激发下能放出强烈的白光，高压长弧氙灯常用于电影摄影、舞台照明等，氪与氙混合用于高强度、短曝光的照相闪光灯和频闪灯中。在冶金工业中，由于稀有气体有惰性，常用作保护气，如焊接金属时用稀有气体来隔绝空气，灯泡中充稀有气体以使灯泡耐用；氩是钾－40的衰变产物，可以用于钾氩测定来确定岩石的固化时间和岩石的年代。在量子物理、核研究领域，稀有气体可以作为冷却气体保护设备，中子源，以及检测气等；氪、氙和氡还能用于医疗上，氙灯能放出紫外线，氡可以作为种子植入人体肿瘤部位，氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。

4　稀有气体化合物

4．1稀有气体化合物的合成

人类的认识是永无止境的，1962年，在加拿大工作的英国青年化学家巴特列特(Bartlett N，1932-)首先合成出第一个惰性气体的化合物――六氟合铂酸氙Xe[Ptr]，打破了人为划定的不存在“稀有气体元素”化合物的，“隋性气体”也随之改名为“稀有气体”。至今已合成了数以百计的化合物，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。其中有的并不需要精密的实验设备，如氙和氟的混和气体只需要放在日光下照射，即可生成二氟化氙。

1988年，加拿大麦克马斯特大学的施陶贝根宣首次制备并表征了含有氪－氮键的化合物。将二氟化氪(KrF2)和质子化的氢氰酸盐放人氢氟酸中，并以液氮冷却。然后让反应温度缓慢上升，这两种化合物溶解，并发生相互作用，在约-60℃时生成含有氪－氮键的白色固体化合物。这种氪－氮化合物与其他氙同系物相比是相当不稳定的，它似乎不能在高于-50℃的温度下存在。

1989年，联邦德国多特蒙德大学首次制备出一种稳定的氙碳化合物，即在0℃下乙腈液体中，通过二氟化氙和三(五氯酚氟代苯基)甲硼烷反应生成，并用核磁共振装置研究了这种含氙碳键化合物的结构。

4．2稀有气体化合物的应用

稀有气体化合物，有着广阔的应用前景。例如，在铀-235作核燃料的原子反应堆中，可以利用氟化的办法。使氪和氙转为固态的氟化氪和氟化氙，并利用它们氟化能力的不同，将它们作进一步的分离。在铀矿的开采中，氡是一种有害的强放射性气体，也可以通过氟化处理而消除。在精炼合金时，加入固体的二氟化氙、四氟化氙，有助于除去金属或合金中所含的气体和非金属夹杂物。宇航飞行器从外层空间返回地球时，外壳与大气摩擦产生高温，稀有气体的氟化物可作为猝灭消融剂，吸热降温，结合等离子体火焰中的电子而使其猝灭，防止飞行器熔化。三氧化氙和四氧化氙对震动、加热都极为敏感，在潮湿的空气中有很强的爆炸力，人们试图探讨将它们用作火箭推进剂的可能性。稀有气体卤化物还可以作为大功率激光器的工作物质。例如，一氟化氙激光器可发射出波长为351．1纳米和353．1纳米的激光束等。

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