奇妙的稀有氣體氬和氪

關(guān)于奇妙的稀有氣體氬和氪

氬的由來

在地球上，人類首先發(fā)現(xiàn)的稀有氣體是氬。早在１７８５年之前就已經(jīng)先發(fā)現(xiàn)氫的英國化學(xué)家卡文迪許在空氣中通入過量的氧氣用放電法使空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)生成一氧化氮然后用堿溶液吸收它剩余的氧再用紅熱的銅除去。但即使把所有的氮?dú)夂脱鯕舛汲チ巳匀淮嬖谥倭康臍堄鄽怏w?？ㄎ牡显S報(bào)導(dǎo)了他觀察到的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果但在當(dāng)時(shí)并沒有引起其他化學(xué)家的注意他本人也沒有再進(jìn)一步研究。其實(shí)在這“殘余氣體”內(nèi)就隱藏著另外一族的化學(xué)元素。如此一來發(fā)現(xiàn)新元素的機(jī)會(huì)就這樣從他身邊溜走了。第2頁,共25頁，2024年2月25日，星期天另外1882年H.F.紐厄爾和W.N.哈特萊從兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)空氣的顏色光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)光譜中存在已知元素光譜無法解釋的譜線，但并沒有意識(shí)到那就是氬氣。由于在自然界中含量很多，氬是目前最早發(fā)現(xiàn)的稀有氣體，它的符號(hào)為Ar。Ramsay在空氣中提取的氬中移除了所有氮，由其和熱的鎂反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，形成固態(tài)的氮化鎂。他之后得到了一種不發(fā)生反應(yīng)的氣體，當(dāng)他檢查其光譜后，他看到了一組新的紅色和綠色的線，從而確認(rèn)了這是一種新的元素。第3頁,共25頁，2024年2月25日，星期天19世紀(jì)末期，英國物理學(xué)家瑞利勛爵發(fā)現(xiàn)利用空氣除雜制得的氮?dú)夂蛷陌敝频玫牡獨(dú)獾拿芏扔写蠹s是千分之一的差別。他在當(dāng)時(shí)很有名望的英國《自然》雜志上發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)，并請(qǐng)大家?guī)退治銎渲械脑颉惗卮髮W(xué)化學(xué)教授萊姆塞推斷空氣中的氮?dú)饫锟赡芎幸环N較重的未知?dú)怏w。他們兩人又各自做了大量的實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了在空氣中還存在一種密度幾乎是氮?dú)饷芏纫槐栋氲奈粗獨(dú)怏w。第4頁,共25頁，2024年2月25日，星期天1894年8月13日，英國科學(xué)協(xié)會(huì)在牛津開會(huì)，瑞利作報(bào)告，根據(jù)馬丹主席的建議，把新的氣體叫做argon（希臘文意思就是“不工作”、“懶惰”）。元素符號(hào)Ar。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的氬，實(shí)際上是氬和其他惰性氣體的混合氣體，正是因?yàn)闅逶诳諝庵写嬖诘亩栊詺怏w的含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所以它作為惰性氣體的代表被發(fā)現(xiàn)。氬的發(fā)現(xiàn)是從千分之一微小的差別開始的，是從小數(shù)點(diǎn)右邊第三位數(shù)字的差別引起的，不少化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)，許多科學(xué)技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造，都是從這種微小的差別開始的。第5頁,共25頁，2024年2月25日，星期天

氬的物理性質(zhì)

氬在由氦、氖、氬、氪和氙組成的稀有氣體家族里，含量最豐富。這些氣體的共同特點(diǎn)是，化學(xué)活性最差。氬是無色，無嗅和無味的氣體。其沸點(diǎn)為一185.87℃

第6頁,共25頁，2024年2月25日，星期天氬通電之后發(fā)出紅紫色的光第7頁,共25頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)性質(zhì)化學(xué)元素周期表零族（類）主族元素，符號(hào)Ar或A，原子序數(shù)18?；瘜W(xué)性質(zhì)極不活躍，一般不生成化合物，但可與水、氫醌等形成籠狀化合物。氬的化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，一般不與其它元素化合。至今僅在極端條件下制得唯一的氬化合物氟氬化氫（HArF）。這個(gè)氟、氫和氬的化合物在-265°C才能保持穩(wěn)定。此外，氬還可以作為客體分子，與水形成包合物。除了以上基態(tài)的物質(zhì)外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含氬的離子和激發(fā)態(tài)配合物（像ArH和ArF），而根據(jù)理論計(jì)算顯示氬應(yīng)該可以形成在室溫下穩(wěn)定的化合物，雖然還沒有發(fā)現(xiàn)它們存在的線索第8頁,共25頁，2024年2月25日，星期天制備方法氬在地球大氣中的含量以體積計(jì)算為0.934%，而以質(zhì)量計(jì)算為1.29%。工業(yè)用的氬大多就直接從空氣中提取。主要是用分餾法提取。而在火星的大氣中，氬-40以體積計(jì)算的話占有1.6%，而氬-36的濃度為5ppm；另外1973年水手號(hào)計(jì)劃的太空探測(cè)器飛過水星時(shí)，發(fā)現(xiàn)它稀薄的大氣中占有70%氬氣，科學(xué)家相信這些氬氣是從水星巖石本身的放射性同位素衰變而成的?？ㄎ髂?惠更斯號(hào)在土星最大的衛(wèi)星，也就是泰坦上，也發(fā)現(xiàn)少量的氬?？蓮目諝夥逐s塔抽出含氬的餾分經(jīng)氬塔制成粗氬，再經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)和物理吸附方法分出純氬第9頁,共25頁，2024年2月25日，星期天主要用途氬氣最主要的用處就是它的惰性，可以保護(hù)一些容易與周圍物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的東西。雖然其他的惰性氣體也有這些特性，但是氬氣在空氣中的含量最多，也是最容易取得，因此相對(duì)就比較便宜，具有經(jīng)濟(jì)效益。另外氬氣便宜的原因還有它是制造液氧和液氮的副產(chǎn)品，而由于它們兩個(gè)都是工業(yè)上重要的原料，生產(chǎn)很多，所以每年都有很多的液氬副產(chǎn)品。氬可用來制所謂氬燈。氬燈里填充的是純氬氣。這種燈光度較弱，耗電量低，比信號(hào)燈便宜第10頁,共25頁，2024年2月25日，星期天氬氣常被注入燈泡內(nèi)，因?yàn)闅寮词乖诟邷叵乱膊粫?huì)與燈絲發(fā)生化學(xué)作用，從而延長燈絲的壽命。在不銹鋼、錳、鋁、鈦和其它特種金屬電弧焊接時(shí)、鋼鐵生產(chǎn)時(shí)，氬也用作保護(hù)氣體。在高溫冶煉純金屬時(shí)，常用氬以防止氧化、氮化氫化等作用。在電弧焊接不銹鋼、鎂鋁等時(shí)用作保護(hù)氣體。由于它不易導(dǎo)熱，也可用于充氣燈泡第11頁,共25頁，2024年2月25日，星期天可用于滅火，用氬氣滅火的好處是幾乎不會(huì)破壞任何火場(chǎng)的物品，通常使在火場(chǎng)有特殊儀器時(shí)才使用，是用于感應(yīng)耦合等離子的氣體之一，保護(hù)成長中的硅晶體和鍺晶體，這晶體主要用于半導(dǎo)體學(xué)。在博物館里，會(huì)在一些重要文物的玻璃專柜里填充氬氣，避免氧化。在釀酒的過程中，啤酒桶里的填充物，它可以把氧氣置換，以避免啤酒桶里的原料被氧化成乙酸。在藥學(xué)里，氬可以用于保護(hù)一些靜脈內(nèi)的治療的藥物，舉個(gè)例子，像是對(duì)乙酰氨基酚。一樣的，這也是防止藥物受到氧氣的破壞。第12頁,共25頁，2024年2月25日，星期天用于冷卻AIM-9響尾蛇導(dǎo)彈的追蹤器，氬當(dāng)時(shí)都是以高壓儲(chǔ)存，然后當(dāng)釋放氣體后就可以帶走一些熱量。為石墨電熔爐中的保護(hù)氣體，以免它被氧化。另外氬氣的低傳熱率也是它的特性之一，像它可以作為隔熱窗戶中兩層玻璃之間的填充物。[19]因?yàn)樗牡蛡鳠崧屎投栊?，氬氣在水肺潛水可以用來作為膨脹潛水衣的氣體。氬氣還可以在水肺中代替氮?dú)猓ㄎ占冄鯇?duì)身體不好，因此水肺中要添加其他氣體），因?yàn)榈獨(dú)庠诟邏合聲?huì)溶進(jìn)血液里而造成氮麻醉，氬氣則可以減輕這種癥狀。第13頁,共25頁，2024年2月25日，星期天使用特定的方法可以使氬氣離子化并且發(fā)光，這種功能可用于等離子燈和粒子物理學(xué)中的能量器。以氬作成的氬雷射會(huì)發(fā)出藍(lán)光，它在醫(yī)學(xué)外科中可用于連接動(dòng)脈、去除腫瘤和治療眼睛的缺陷等。[21]氬氣還可以用于濺鍍。另外氬-39有269年的半衰期，可以用于測(cè)定地下水和冰層的年齡，而鉀-氬年代測(cè)定法適用鉀-40衰變成氬-40的過程來用于測(cè)定火成巖的年齡。第14頁,共25頁，2024年2月25日，星期天氪的由來1898年，英國的拉姆賽和特拉威斯用光譜分析液態(tài)空氣蒸發(fā)氧氣、氮?dú)?、氬后所剩下的殘余氣體時(shí)，發(fā)現(xiàn)了氪。1898年5月24日拉姆賽獲得漢普遜送來的少量液態(tài)空氣。拉姆賽和特拉弗斯讓液態(tài)空氣蒸發(fā)，易揮發(fā)的也就是沸點(diǎn)較低的組分從液態(tài)中先走出來，留下不易揮發(fā)的，也就是沸點(diǎn)較高的組分。他們又用赤熱的銅和鎂將沸點(diǎn)較高的組分中殘留的氧和氮除去，研究了這個(gè)剩余部分蒸氣的光譜，發(fā)現(xiàn)除氬線外，還有兩條明亮的譜線，一條黃的，一條綠的。黃色的線比氦線略帶綠色。這是以前從來沒有見到過的。這表明，在這個(gè)殘留的氣體中，除氬外，還有另一種新的氣體。拉姆賽決定把它叫做氪krypton（Kr），來自希臘文krptos。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，這個(gè)時(shí)間是1898年5月30日。他們測(cè)定了氪的密度約等于41，原子量約等于82，應(yīng)當(dāng)把它放置在元素周期表金屬銣的前面。第15頁,共25頁，2024年2月25日，星期天氪正如其他惰性氣體一樣，不易與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用。但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。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。從氪的沸點(diǎn)看，它比氦、氖、氮、氬和氧的沸點(diǎn)都高，只是低于氙，因而被留在沸點(diǎn)較高的組分中被發(fā)現(xiàn)。第16頁,共25頁，2024年2月25日，星期天元素分布氪的唯一工業(yè)來源是空氣，在礦石和隕石中只發(fā)現(xiàn)了痕量的氪。氪在地球大氣中的含量為0.000.114%（體積），天然氪是6種穩(wěn)定同位素的混合物，由鈾裂變和其他核反應(yīng)產(chǎn)生的氪的放射性同位素約有20種第17頁,共25頁，2024年2月25日，星期天物理性質(zhì)

無色、無嗅、無味。密度3.736克/升（氣），2.155克/厘米3（液：-156.9℃）。熔點(diǎn)-156.6℃，沸點(diǎn)-152.30±0.10℃。氪原子的外殼是電子數(shù)為8的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以它的化學(xué)性質(zhì)極不活潑。液體氪可用作氣泡室，探測(cè)粒子的軌跡。第18頁,共25頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)性質(zhì)由于氪處于全充滿結(jié)構(gòu)，擁有穩(wěn)定的電子構(gòu)型，曾被認(rèn)為沒有反應(yīng)活性。直到20世紀(jì)60年代初才發(fā)現(xiàn)，氪與氟氣同置于一放電管中時(shí)可以化合，生成二氟化氪，KrF2的穩(wěn)定性相對(duì)XeF2較差，在-80℃是較為穩(wěn)定。氪還能形成籠形包合物，氪被包在冰、有機(jī)化合物（對(duì)苯二酚、苯酚、氫醌晶體）或小分子（O2、SO2、H2S、CH3OH）中。在這些包合物中，氪以分子間力結(jié)合，如Kr·6H2O，但并沒有成鍵，當(dāng)這種包合物溶解時(shí)，氪就逃逸出來。第19頁,共25頁，2024年2月25日，星期天鈾經(jīng)過核裂變后會(huì)釋出氪。與氟以外原子成鏈的氪化合物已有發(fā)現(xiàn)。天然氪是6種穩(wěn)定同位素的混合物，它們的體積比為氪-84（57%）、氪-86（17.3%）氪-82（11.6%）、氪-83（11.5%）、氪-80（2.25%）和氪-78（0.35%）。由鈾裂變和其他核反應(yīng)產(chǎn)生的氪的放射性同位素約有20種，氪–85的半衰期為10.73年。氪有約30個(gè)已知的不穩(wěn)定同位素和同質(zhì)異能素。氪81半衰期為230.000年，是大氣反應(yīng)的產(chǎn)物，可以與其他天然氪同位素一同制備。氪在接近地表水時(shí)極易揮發(fā)，但氪81可用于鑒定地下水的年代（可推算5萬至80萬年前）。第20頁,共25頁，2024年2月25日，星期天主要用途有一些使用在填充在白熾燈泡中。機(jī)場(chǎng)跑道的照明也是用氪。廣泛用于電子、電光源工業(yè)，還用于氣體激光器和等離子流中。因其透射率特別高，大量用作礦燈、越野車照射燈。醫(yī)學(xué)上，氪的同位素用作顯蹤劑。液體氪可用作氣泡室，探測(cè)粒子的軌跡。第21頁,共25頁，2024年2月25日，星期天放射性氪可用于密閉容器的檢漏和材料厚度的連續(xù)性測(cè)定，還可以制成不需電能的原子燈。用于材料的“氪化”處理，以作為材料的耐腐蝕、耐磨性能的標(biāo)記。氪用于某些熒光燈和高速攝影用閃光燈中，在高效白熾燈、燈泡和閘流管中用作惰性保護(hù)氣體。放射性氪–85可用于探測(cè)密閉容器的裂縫，逸出的氪原子可利用它們的放射性進(jìn)行檢測(cè)。穩(wěn)定的氪–86發(fā)射出的光中有一橙紅色譜線，由于該譜線極銳，1960～1983年其波長用作長度米的國際標(biāo)準(zhǔn)（1米等于該譜線波長的1.650.763.73倍）。第22頁,共25頁，2024年2月25日，星期天制取方法1.從合成氨尾氣中提取氪合成氨尾氣提氬工藝流程副產(chǎn)氪和氙混合氣，再經(jīng)精餾、洗滌、除氧、吸附、解吸可制得99%氪氣。2.空分法，從空分裝置中提取氪、氙混合氣。經(jīng)提取貧氪、清除碳?xì)浠衔锖投趸?、分離，制得99.99%的純氪。3.從核反應(yīng)堆裂變氣中提取氪綜合利用核反應(yīng)堆的裂解廢氣中放射性的Kr85。

4.工業(yè)上實(shí)現(xiàn)的有氟