[科普中国]-惰性气体元素

惰性气体元素是指元素周期表上的18族元素（IUPAC新规定，即原来的0族）。在常温常压下，它们都是无色无味的单原子气体，很难进行化学反应。天然存在的稀有气体有六种，即氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和具放射性的氡（Rn）。而Og是以人工合成的稀有气体，原子核非常不稳定，半衰期很短（5毫秒）。根据元素周期律，估计Og比氡更活泼。

基本特点在惰性气体元素的原子中，电子在各个电子层中的排列，刚好达到稳定数目。因此原子不容易失去或得到电子，也就很难与其它物质发生化学反应。很难与其它物质发生化学反应，也就是这些元素的 “惰性”所在。

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。六种惰性气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。发现惰性气体的主要功绩应归于英国化学家莱姆赛（Ramsay W,1852-1916）。下面我们按元素发现的先后顺序，分别简介这六种元素的发现经过1。

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八2。

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,1932~)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"3。

物理化学性质物理性质由于稀有气体无极性且相对分子质量较小，因而它们的分子间作用力非常弱，所以熔点和沸点非常低。它们在标准状况下都是单原子气体，甚至比一般固体元素原子量更大的氙、氡等也是这样。氦与其它稀有气体元素相比，具有一些独特的性质：它的沸点和熔点低于其它任何已知的物质；它是唯一的一种表现出超流性的元素；它是唯一不能在标准状况下冷却凝固的元素-必须在0.95K（−272.200℃）的温度施加25个大气压（2,500kPa）的压力，才能使它凝固。到氙为止的稀有气体都有多个稳定的同位素，氡则没有稳定同位素。它寿命最长的同位素222Rn的半衰期也只有3.8天，氡会衰变为氦和钋，最终衰变产物则是铅。

稀有气体原子像大部分族中的原子一样，由于电子层数的增加，原子半径随着周期的增加而增加。原子的大小与影响物质的许多性质。例如，电离能随着半径的增加而减少，因为较重的稀有气体中的价电子离核较远，因此更容易脱离原子核的束缚。稀有气体的电离能是每一个周期中最大的，这反映了它们的电子排布的稳定性，也导致了它们的化学性质不活泼。然而，有些较重的稀有气体的电离能较小，足以与其它元素和分子相比。巴特利特正是看到了氙的第一电离能与氧分子相似，而尝试用六氟化铂来把氙氧化，因为六氟化铂的氧化性非常强，足以把氧气氧化。稀有气体不能得到一个电子，而形成稳定的阴离子；也就是说，它们的电子亲合能是负值

稀有气体的宏观物理性质主要来自原子之间的弱范德华力。原子之间的吸引力随着原子大小的增加而增加，由于极化性的增加以及电离能的减少。这就是在第18族从上到下，原子半径和原子间力增加，导致熔点、沸点、汽化热和溶解度增加的原因。密度的增加则是由于原子序数的增加。

稀有气体在标准状况下几乎是理想气体，但它们与理想气体状态方程的偏差提供了分子间作用力的研究的重要线索。兰纳-琼斯势，通常用来模拟分子间的作用，由约翰·兰纳-琼斯根据氩的实验数据提出，那时量子力学还没有发展到可以作为从第一性原理（即量子化学从头计算）理解分子间作用力的工具。这些作用的理论分析变得易于处理，因为稀有气体是单原子，且原子是球形，这意味着原子之间的作用与方向无关（各向同性）。

化学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。

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应用情况随着工业生产和科学技术的发展，稀有气体越来越广泛地应用在工业、医学、尖端科学技术以至日常生活里。

利用稀有气体极不活动的化学性质，有的生产部门常用它们来作保护气。例如，在焊接精密零件或镁、铝等活泼金属，以及制造半导体晶体管的过程中， 常用氩作保护气。原子能反应堆的核燃料钚，在空气里也会迅速氧化，也需要在氩气保护下进行机械加工。电灯泡里充氩气可以减少钨丝的气化和防止钨丝氧化，以延长灯泡的使用寿命。氦是气相色谱法中的载色剂、温度计的填充气，并用于盖革计数器和气泡室等辐射测量设备中。氦和氩都用作焊接电弧的保护气和贱金属的焊接及切割的惰性保护气。它们在其他冶金过程和半导体工业中硅的生产中同样有着广泛应用。

稀有气体通电时会发光。世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的（霓虹灯的英文原意是“氖灯”）。氖灯射出的红光，在空气里透射力很强，可以穿过浓雾。因此，氖灯常用在机场、港口、水陆交通线的灯标上。灯管里充入氩气或氦气，通电时分别发出浅蓝色或淡红色光。有的灯管里充入了氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体（也有三种或两种的）的混合物。由于各种气体的相对含量不伺，便制得五光十色的各种霓虹灯。人们常用的荧光灯，是在灯管里充入少量水银和氩气，并 在内壁涂荧光物质（如卤磷酸钙）而制成的。通电时，管内因水银蒸气放电而产生紫外线，激发荧光物质，使它发出近似日光的可见光，所以又叫做日光灯。氪可降低灯丝的蒸发率而常用于色温和效率更高性能白炽灯，特别在卤素灯中可将氪与少量碘或溴的化合物混合充入。氙通常用于氙弧灯，因为它们的近连续光谱与日光相似。这种灯可用于电影放映机和汽车前灯等。

利用稀有气体可以制成多种混合气体激光器。氦-氖激光器就是其中之一。氦氖混合气体被密封在一个特制的石英管中，在外界高频振荡器的激励下，混合气体的原子间发生非弹性碰撞，被激发的原子之间发生能量传递，进而产生电子跃迁，并发出与跃迁相对应的受激辐射波，近红外光。氦-氖激光器可应用于测量和通讯。稀有气体可用于准分子激光器，这是因为它们可形成短暂存在的电子激发态受激子（英语：excimer）。这些用于激光器的受激子可能是稀有气体二聚体，例如Ar2、Kr2或Xe2，更有可能是与卤素结合的受激子，例如ArF、KrF、XeF或XeCl。[11]这些激光器产生波长较短的紫外线，其中ArF产生的紫外线波长为193纳米，而KrF为248纳米。这种高频率的激光使高精密成像成为现实。准分子激光有诸多工业、医药和科学用途。集成电路制造过程中的显微光刻法和微制造必须用到准分子激光。激光手术，例如血管再成形术和眼部手术也需用到准分子激光。

氦气是除了氢气以外最轻的气体，可以代替氢气装在飞艇里，不会着火和发生爆炸。液态氦的沸点为-269℃，是所有气体中最难液化的，利用液态氦可获得接近绝对零度（-273.15℃）的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气，供探海潜水员呼吸，因为在压强较大的深海里，用普通空气呼吸，会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升，体内逐渐恢复常压时，溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡， 对微血管起阻塞作用，引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多，用氦跟氧的混合气体（人造空气）代替普通空气，就不会发生上述现象。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。

氩气经高能的宇宙射线照射后会发生电离。利用这个原理，可以在人造地球卫星里设置充有氩气的计数器。当人造卫星在宇宙空间飞行时，氩气受到宇宙射线的照射。照射得越厉害，氩气发生电离也越强烈。卫星上的无线电机把这些电离信号自动地送回地球，人们就可根据信号的大小来判定空间宇宙辐射带的位置和 强度。

氪能吸收X射线，可用作X射线工作时的遮光材料。

氙灯还具有高度的紫外光辐射，可用于医疗技术方面。氙能溶于细胞质的油脂里，引起细胞的麻醉和膨胀，从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体，作为无副作用的麻醉剂。在原子能工业上，氙可以用来检验高速粒子、粒子、介子等的存在。

氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。

氡是自然界唯一的天然放射性气体，氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的氡子体，进入人体的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。一般在劣质装修材料中的钍杂质会衰变释放氡气体，从而对人体造成伤害。体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一种生物效果，会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤。然而，氡也有着它的用途，将铍粉和氡密封在管子内，氡衰变时放出的α粒子与铍原子核进行核反应，产生的中子可用作实验室的中子源。氡还可用作气体示踪剂，用于检测管道泄漏和研究气体运动4。

本词条内容贡献者为:

郝庆菊 - 副教授 - 西南大学