稀有氣體化學(xué)

1、被化學(xué)家長期遺忘的角落 -稀有氣體化學(xué)一、命名的演變二、發(fā)現(xiàn)史三、性質(zhì)四、稀有氣體化合物五、應(yīng)用稀有氣體是指元素周期表上的18族元素（IUPAC新規(guī)定，即原來的0族）。118118UuoUuo一、命名的演變貴重氣體（noble gasesnoble gases）在中文譯名方面，兩岸三地有著不同的稱呼中國大陸稱為稀有氣體香港稱為（高）貴氣體臺灣方面常稱惰性氣體惰性氣體（inert gasesinert gases)稀有氣體（rare gasesrare gases）二、發(fā)現(xiàn)史 威廉拉姆塞(WilliamRamsay)是英國化學(xué)家，出生于蘇格蘭。因發(fā)現(xiàn)氦、氖、氬、氙、氡等氣態(tài)惰性元素，并確定了它們

2、在元素周期表中的位置，而獲得1904年諾貝爾化學(xué)獎。發(fā)現(xiàn)史 早在1868年，英國天文學(xué)家羅克耶爾和法國天文學(xué)家詹森用光鏡分析太陽日冕時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種新物質(zhì) -氦，在希臘文里就是“太陽”的意思。 1895年，拉姆塞證實(shí)了地球上也存在氦元素。發(fā)現(xiàn)史 1898年6月，拉姆賽和特拉弗斯在蒸發(fā)液態(tài)氬時(shí)收集了最先逸出的氣體，用光譜分析發(fā)現(xiàn)了比氬輕的氖(neon)，意為“新”，即從空氣中發(fā)現(xiàn)的新氣體。發(fā)現(xiàn)史 1894年，英國物理學(xué)家瑞利與化學(xué)家拉姆賽合作，把空氣中的氮?dú)夂脱鯕獬ズ笫Ｓ嗟臍怏w裝入電極發(fā)光玻璃管內(nèi)，通過光譜分析發(fā)現(xiàn)一種新元素-氬（Argon）”，是希臘文“懶惰”的意思。發(fā)現(xiàn)史 在1898年5月3

3、0日拉姆賽和特拉弗斯在大量液態(tài)空氣蒸發(fā)后的殘余物中，用光譜分析首先發(fā)現(xiàn)了比氬重的氪，他們把它命名為Krypton，即“隱藏”之意。發(fā)現(xiàn)史 1898年7月12日，拉姆賽和特拉弗斯在分餾液態(tài)空氣，制得了氪和氖后，又把氪反復(fù)地分次萃取，從其中又分出一種質(zhì)量比氪更重的新氣體氙（Xenon），意為“陌生人”發(fā)現(xiàn)史 1910年拉姆塞退休前夕和W.格雷一起, 對盧瑟福等人發(fā)現(xiàn)的“鐳射氣”和“釷射氣”進(jìn)行了詳細(xì)研究，最后確定了這種放射性氣體是一種新的惰性氣體氡。三、理化性質(zhì) 空氣中約含0.94%（體積百分比）的稀有氣體，其中絕大部分是氬氣。 在常溫常壓下，稀有氣體都是無色、無臭、無味的，微溶于水，溶解度隨分子

4、量的增加而增大，它們的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很低，隨著原子量的增加，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)增大。它們在低溫時(shí)都可以液化。 稀有氣體在高壓電場下會呈現(xiàn)出不同的顏色四、稀有氣體化合物 稀有氣體發(fā)現(xiàn)后，很多化學(xué)家利用多種方法逐一使它們與各種化學(xué)試劑作用，但均未發(fā)現(xiàn)有任何化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。還有人用豌豆粉、老鼠尸體和馬血等動植物進(jìn)行分析，仍未找到任何稀有氣體的化合物。 1916年，德國化學(xué)家柯塞爾和美國化學(xué)家路易斯、朗格繆爾提出了化學(xué)鍵理論，認(rèn)為惰性氣體原子是最外層8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 這樣，化學(xué)家不僅從實(shí)驗(yàn)研究方面充分肯定了稀有氣體的化學(xué)惰性，而且進(jìn)一步從理論上肯定了其不活潑的內(nèi)在原因。理論和實(shí)踐相互印證，似乎更加天衣無縫，化學(xué)

5、家們對稀有氣體的絕對惰性也就更加深信無疑了，從而導(dǎo)致該族元素68年的“沒有化學(xué)”現(xiàn)象。 直到1962年3月23日，英國的年輕化學(xué)家巴特利特第一個(gè)制得惰性氣體化合物橙黃色固體六氟合鉑酸氙（XePtF6）才改變了這一局面。此后，各種各樣的稀有氣體化合物被相繼制得。 六氟合鉑酸氙的出現(xiàn)標(biāo)志著稀有氣體化學(xué)的建立，開創(chuàng)了稀有氣體化學(xué)研究的嶄新領(lǐng)域。 盡管一些理論上一些氦化合物在低溫高壓下能穩(wěn)定存在，但還沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明這一點(diǎn)。 氦合氫離子，化學(xué)式為HeH+，是一個(gè)帶正電的離子，鍵級為1，可以存在于氣態(tài)中，通過光譜觀測到。它首次發(fā)現(xiàn)于1925年，通過質(zhì)子和氦原子在氣相中反應(yīng)制得。它是已知最強(qiáng)的酸，質(zhì)子親和能

6、為177.8 kJ/mol。這種離子也被稱為氦氫分子離子。有人認(rèn)為，這種物質(zhì)可以存在于自然星際物質(zhì)中。 不同于氦合氫離子，氫和氦構(gòu)成的中性分子(HeH)在一般情況下(基態(tài))不穩(wěn)定，但它的激發(fā)態(tài)可以作為準(zhǔn)分子存在，20世紀(jì)80年代中期首次在光譜中觀測到。氦化合物氟化物制取猜想科學(xué)家提出了利用核轉(zhuǎn)變制備HeF2的三種方法：1.氚的衰變法2.熱中子輻照法3.直接用粒子轟擊固態(tài)氟來制備氖化合物 氖的穩(wěn)定程度太高，找不到什么東西來化合它，即使氟也不行?，F(xiàn)在倒是發(fā)現(xiàn)了一些含有氖原子的正離子，這些離子都不穩(wěn)定。氬化合物 芬蘭赫爾辛基大學(xué)的科學(xué)家在的英國自然雜志上報(bào)告說，他們首次合成了惰性氣體元素氬的穩(wěn)定化合

7、物氟氬化氫，分子式為HArF。 他們是將氬氣和氟化氫在碘化銫表面冷凍至-265C，這使氬氣結(jié)成冰，然后再用大量的紫外線照射這氬冰和氟化氫的混合物，這使得氬和氟化氫反應(yīng)產(chǎn)生氬氟化氫。經(jīng)過紅外光譜術(shù)分析后，他們發(fā)現(xiàn)氬原子已經(jīng)和氟原子、氫原子產(chǎn)生化學(xué)鍵，但該化學(xué)鍵非常的弱，只要溫度高于-256C它就會再分解為氬和氟化氫。氪化合物 1962年首次合成出氙的化合物后，二氟化氪（KrF2）也在1963年成功合成。同年，格羅澤等人宣布合成出四氟化氪（KrF4），但后來證實(shí)為鑒定錯(cuò)誤，實(shí)際上是二氟化氪。另外有未經(jīng)證實(shí)的報(bào)告指出發(fā)現(xiàn)氪含氧酸的鋇鹽。已有研究發(fā)現(xiàn)多原子離子ArKr和KrH，也有KrXe或KrXe存

8、在的證據(jù)。氙化合物 氙在稀有氣體元素中是化合物最多的?，F(xiàn)在合成的稀有氣體化合物絕大多數(shù)都是氙的化合物。 1962年，巴特利特在研究無機(jī)氟化物時(shí)，制得一個(gè)新化合物O2+PtF6-,說明已經(jīng)達(dá)到8個(gè)電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的氧分子居然能失去一個(gè)電子形成陽離子，而氧分子的第一電離能比氙的第一電離能還略大些。因此他嘗試用PtF6氧化Xe，結(jié)果反應(yīng)得到了橙黃色的固體，巴特利特認(rèn)為它是六氟合鉑酸氙（XePtF6）。這是第一個(gè)制得的稀有氣體化合物。 其它比較重要的氙化合物包括： 氙氟化物XeF2、XeF4、XeF6 氙的氟氧化物XeOF2、XeOF4、XeO2F2、XeO3F2、XeO2F4 氙氧化物XeO3、XeO4

9、 氡化合物 氡可與氟反應(yīng)生成二氟化氡，在固態(tài)時(shí)會發(fā)出黃色光。它與氙的相應(yīng)化合物類似，但更穩(wěn)定，更不易揮發(fā)。其它稀有氣體化合物：包合物 配位化合物 水合物 內(nèi)嵌富勒烯型化合物包合物 稀有氣體包合物在近幾十年曾被廣泛研究過，它們由于有可能用于儲存稀有氣體而引起了人們的興趣。在這些包合物中，稀有氣體原子基本上都是被包容在籠狀的主體分子中，即主體分子構(gòu)成籠狀晶格，將稀有氣體包藏在籠中。能否形成包合物主要決定于主體分子和客體分子間的幾何因素是否合適。例如，氬、氪和氙可以與-氫醌形成包合物，氦和氖卻因?yàn)轶w積太小而無法包合在內(nèi)。 稀有氣體包合物中，研究較多的主體分子是水、氫醌、苯酚和氟代苯酚。 包合物可以用

10、來從稀有氣體中分離出He和Ne，及運(yùn)輸Ar、Kr和Xe。此類化合物亦可用作放射源，Kr的包合物是粒子的安全來源，Xe的包合物則是射線的來源。配位化合物 曾經(jīng)一度認(rèn)為諸如ArBF3之類的配位化合物可在低溫下存在，但始終未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并且，有報(bào)道稱化合物WHe2和HgHe2可由電子轟擊制得。然而最近的研究表明，它們并不是真正的化合物，He很有可能只是被金屬表面吸附。水合物 水合物可由將稀有氣體壓入水中制得。有理論認(rèn)為，強(qiáng)極性的水分子使稀有氣體原子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，產(chǎn)生偶極-偶極作用力。因此原子序數(shù)較大的稀有氣體所形成的水合物，如Xe6H2O，比原子序數(shù)小的稀有氣體元素形成的要更加穩(wěn)定。但2010年來對

11、于這些化合物是否存在產(chǎn)生了疑問。內(nèi)嵌富勒烯型化合物 稀有氣體原子可以被包覆在富勒烯分子中，形成多種多樣的內(nèi)嵌富勒烯型化合物。它們首先在1993年合成。用C60與He或Ne在3bar（1bar=100,000Pa）壓力下反應(yīng)，得到的大約650000個(gè)富勒烯分子中，只有一個(gè)可以與稀有氣體原子形成包合物HeC60或NeC60；壓力增大至3000bar時(shí)，產(chǎn)率增至0.1%。五、應(yīng) 用用作保護(hù)氣 氬在化學(xué)合成時(shí)常用于保護(hù)對氮?dú)饷舾械幕衔?。在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬，以及制造半導(dǎo)體晶體管的過程中， 常用氬作保護(hù)氣。原子能反應(yīng)堆的核燃料钚，在空氣里也會迅速氧化，也需要在氬氣保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械加工。電燈泡

12、里充氬氣可以減少鎢絲的氣化和防止鎢絲氧化，以延長燈泡的使用壽命。 固態(tài)氬也用于研究反應(yīng)中間體等非常不穩(wěn)定的化合物，方法是在超低溫下將其隔離在固態(tài)氬構(gòu)成的基質(zhì)中。 氦是氣相色譜法中的載色劑、溫度計(jì)的填充氣，并用于蓋革計(jì)數(shù)器和氣泡室等輻射測量設(shè)備中。照明 稀有氣體通電時(shí)會發(fā)光。世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣制成的。氖燈射出的紅光，在空氣里透射力很強(qiáng)，可以穿過濃霧。因此，氖燈常用在機(jī)場、港口、水陸交通線的燈標(biāo)上。燈管里充入氬氣或氦氣，通電時(shí)分別發(fā)出淺藍(lán)色或淡紅色光。有的燈管里充入了氖、氬、氦、水銀蒸氣等四種氣體（也有三種或兩種的）的混合物，便制得五光十色的各種霓虹燈。 氙通常用于氙弧燈，因?yàn)樗鼈兊慕B

13、續(xù)光譜與日光相似。這種燈可用于電影放映機(jī)和汽車前燈等。 人們常用的熒光燈，是在燈管里充入少量水銀和氬氣，并 在內(nèi)壁涂熒光物質(zhì)（如鹵磷酸鈣）而制成的。通電時(shí)，管內(nèi)因水銀蒸氣放電而產(chǎn)生紫外線，激發(fā)熒光物質(zhì)，使它發(fā)出近似日光的可見光，所以又叫做日光燈。制激光器 氦-氖激光器，可應(yīng)用于測量和通訊。氦氖混合氣體被密封在一個(gè)特制的石英管中，在外界高頻振蕩器的激勵下，混合氣體的原子間發(fā)生非彈性碰撞，被激發(fā)的原子之間發(fā)生能量傳遞，進(jìn)而產(chǎn)生電子躍遷，并發(fā)出與躍遷相對應(yīng)的受激輻射波，近紅外光。 準(zhǔn)分子激光器，稀有氣體可形成短暫存在的電子激發(fā)態(tài)受激子，這些受激子可能是稀有氣體二聚體，例如Ar2、Kr2或Xe2，更有

14、可能是與鹵素結(jié)合的受激子，例如ArF、KrF、XeF或XeCl。這種激光器在諸多工業(yè)、醫(yī)藥和科學(xué)方面有應(yīng)用。集成電路制造過程中的顯微光刻法和微制造必須用到準(zhǔn)分子激光。激光手術(shù)，例如血管再成形術(shù)和眼部手術(shù)也需用到準(zhǔn)分子激光。 氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體，可以代替氫氣用于飛船或廣告氣球中的充入氣體，不會著火和發(fā)生爆炸。 氦氣還用來代替氮?dú)庾魅嗽炜諝猓┨胶撍畣T呼吸。因?yàn)樵趬簭?qiáng)較大的深海里，用普通空氣呼吸，會有較多的氮?dú)馊芙庠谘豪铩．?dāng)潛水員從深海處上升，體內(nèi)逐漸恢復(fù)常壓時(shí)，溶解在血液里的氮?dú)庖懦鰜硇纬蓺馀荩?對微血管起阻塞作用，引起“氣塞癥”。氦氣在血液里的溶解度比氮?dú)庑〉枚?，用氦跟氧的混?/p>

15、氣體（人造空氣）代替普通空氣，就不會發(fā)生上述現(xiàn)象。替代其它氣體氬氣的計(jì)數(shù)器 氬氣經(jīng)高能的宇宙射線照射后會發(fā)生電離。利用這個(gè)原理，可以在人造地球衛(wèi)星里設(shè)置充有氬氣的計(jì)數(shù)器。當(dāng)人造衛(wèi)星在宇宙空間飛行時(shí)，氬氣受到宇宙射線的照射。照射得越厲害，氬氣發(fā)生電離也越強(qiáng)烈。衛(wèi)星上的無線電機(jī)把這些電離信號自動地送回地球，人們就可根據(jù)信號的大小來判定空間宇宙輻射帶的位置和 強(qiáng)度。直接的醫(yī)學(xué)用途 氦有時(shí)用于改善哮喘患者的呼吸；氪能吸收X射線，可用作X射線工作時(shí)的遮光材料。氙則因?yàn)樵谥|(zhì)中的高溶解度成為一種麻醉劑，比常用的一氧化二氮更為有效，且容易從體內(nèi)排出而麻醉后蘇醒也較快。氙在超極化核磁共振成像中用于拍攝肺的醫(yī)學(xué)

16、影像。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療技術(shù)方面。氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。具有強(qiáng)輻射性的氡只能微量制取，可用于放射線療法。在原子能工業(yè)上，氙可以用來檢驗(yàn)高速粒子、粒子、介子等的存在。氡是自然界唯一的天然放射性氣體，氡在作用于人體的同時(shí)會很快衰變成人體能吸收的氡子體，進(jìn)入人體的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)肺癌。一般在劣質(zhì)裝修材料中的釷雜質(zhì)會衰變釋放氡氣體，從而對人體造成傷害。體外輻射主要是指天然石材中的輻射體直接照射人體后產(chǎn)生一種生物效果，會對人體內(nèi)的造血器官、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)造成損傷。 然而，氡也有著它的用途，將鈹粉和氡密封在管子內(nèi)，氡衰變時(shí)放出的粒子與鈹原子核進(jìn)行核反應(yīng)，產(chǎn)生的中子可用作實(shí)驗(yàn)室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑，用于檢測管道泄漏和研究氣體運(yùn)動