惰性气体

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December 4, 2021

稀有气体是第 VIII 族(元素周期表的 IUPAC 第 18 族)中的元素。氦 (He)、氖 (Ne)、氩 (Ar)、氪 (Kr)、氙 (Xe) 和氡 (Rn) 都属于这一组。根据一些假设,由于第七期的相对论效应,碳族镨表现出第八期稀有气体的特性。而不是主要组oganeszon。稀有气体具有许多相似的特性。在标准温度和压力下为无色、无味、单原子气体。它们具有化学惰性,只能在极端条件下发生反应。现代原子结构理论可以很好地解释稀有气体的特性:根据这些理论,稀有气体的最外层电子层是饱和的(氦气为 1s2,对于其他稀有气体 ns2np6) 和由此形成的稳定电子构型是它们非常低的反应性的原因。在我的气体原子中,只有微弱的范德华力起作用,所以它们的沸点是所有元素中最低的。它们的熔点和沸点之间只有几度的差异,因此它们仅在狭窄的温度范围内以液体形式存在。氖气、氩气、隐酮和氙气在液化后通过分馏从空气中回收。氦气是通过低温分离技术从天然气中提取的,在某些地方,氦气含量高达 7%,氡通常是从溶解的镭、钍或铀化合物的放射性衰变中分离出来的。由于它们的冷漠,它们可以用于许多需要避免化学反应的领域。例如,白炽灯通常会充满隐酮气体以防止钨纤维氧化,深海潜水员在呼吸器中使用氦气与氧气混合,以减少在高压下使用正常空气进行氮气麻醉时氧气中毒的机会。以前氦气代替易燃氢气用于填充飞艇,今天它的用途并不大,但它仍然用于填充气象气球。氮气麻醉(由高氮气分压引起的欣快状态)、剖腹产和使用正常空气的氧气中毒的风险。以前氦气代替易燃氢气用于填充飞艇,今天它的用途并不大,但它仍然用于填充气象气球。氮气麻醉(由高氮气分压引起的欣快状态)、剖腹产和使用正常空气的氧气中毒的风险。以前氦气代替易燃氢气用于填充飞艇,今天它的用途并不大,但它仍然用于填充气象气球。

历史

惰性气体一词来自德语单词 Edelgas 的镜像翻译,由 Hugo Erdmann 于 1898 年首次使用,指的是元素的极低反应性。该名称类似于术语贵金属,它也指元素的低反应性。 1784 年,英国物理学家和化学家亨利·卡文迪什在研究空气成分时观察到,在空气样本中过量空气中产生的重复放电未能使部分气体发生反应,这确定它不超过 1 /空气的120。在 1868 年 8 月 18 日的日食期间,皮埃尔·詹森和约瑟夫·诺曼·洛克耶在太阳染色体的光谱中在钠的 D 线旁边观察到一条黄线,这表明存在一种新元素。该元素以太阳的希腊名字(ήλιος,Helios)命名为氦。后来 Luigi Palmieri 在 1881 年维苏威火山喷发的火山气体中观察到了相同的谱线,然后威廉拉姆齐在研究大气气体时最终证实了他在地球上的存在。 1895 年,约翰·威廉·斯特拉特 (John William Strutt) 发现,通过去除氧气、二氧化碳和水蒸气从空气中获得的氮的密度大于由氨化学产生的氮的密度。他与拉姆齐一起假设从空气中提取的氮气与其他一些气体混合,因此在一次实验中,他加热了氮气中的镁,留下了少量单原子气体,在希腊词 αργός (argos) 之后被命名为氩气。懒惰的)。通过这一发现,他们意识到元素周期表中缺少一整组。拉姆齐是第一个在氩气研究中通过加热三叶草矿物来生产氦气的人。 1902 年,门捷列夫接受了氦气和氩气的证据,将惰性气体作为 0 组添加到他的表格中,后来成为元素周期表。他称之为氪(κρυπτός - 隐匿物,隐藏)、氖(νέος - 新的)和氙(ξένος - 异形外星人,奇怪)。氡在 1898 年由弗里德里希·恩斯特·多恩 (Friedrich Ernst Dorn) 首次发现并称为镭放射,但直到 1904 年才被认为是一种惰性气体,当时它被发现具有与其他惰性气体相似的特性。斯特拉特和拉姆齐因发现稀有气体而于 1904 年获得诺贝尔物理和化学奖,稀有气体的发现极大地促进了对核结构的全面了解。 1895 年,法国化学家亨利·莫伊桑 (Henri Moissan) 尝试将氩与电负性最强的元素氟反应,但没有成功。直到 20 世纪末,科学家们都未能成功地生产氩化合物,但这些实验促成了有关原子结构的新理论的诞生。基于这些实验,1913 年尼尔斯·玻尔发表了原子结构模型,根据该模型,原子核周围的电子被组织成壳层,而惰性气体的外层电子壳层总是包含除氦外的 8 个电子。 1916 年 Gilbert N. Lewis 制定了所谓的八位字节规则,也就是说,在外层电子壳上形成的电子八位组是任何原子最稳定的排列,每个元素都倾向于形成它。这解释了惰性气体的低反应性,因为它们不需要拾取或释放电子来形成电子八位组。1962 年,Neil Bartlett 发现了第一个惰性气体化合物,六氟铂酸氙。紧随其后的是其他稀有气体化合物的发现:1962 年的二氟化氡和 1963 年的二氟化氪。第一个稳定的氩化合物是在 2000 年报道的,当时在 40 K 下生产了氟化氢化氩。 1998 年,迪拜联合核研究所的科学家用钙轰击钚,产生了 114 号元素钚。初步化学实验表明尽管它是元素周期表中碳族的成员,但它可能是第一个表现出类似惰性气体特性的超重元素。 2006 年 10 月,联合核研究所和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家人工制造了 VIII。主族的第七种元素,ununoctium,通过用钙轰击加利福尼亚。

物理和原子特性

惰性气体的原子只有微弱的二级结合力,这就是它们的熔点和沸点极低的原因。在标准温度和压力下,它们都是单原子气体,包括那些原子质量高于其他正常固体元素的气体。该组中的熔点和沸点向下增加。氦与其他元素相比有许多特殊的性质:它的沸点和熔点是所有元素中最低的,唯一具有超流体性质的元素,唯一不能在标准压力下冷却凝固的元素 - 25个大气压0, 在 95 K 的温度下。稀有气体有几种稳定同位素,直至氙气。另一方面,氡没有稳定同位素,其寿命最长的同位素,半衰期为 222Rn 3,8 天,通过 α 衰变转化为钋,进一步分解为铅。原子大小与许多其他属性有关。例如,稀有气体中的电离能随着车牌的增加而呈下降趋势,因为较大的电子离原子核越远,对它们没有那么大的吸引力,因此它们可以更容易地与原子分离。较重的稀有气体的电离能可能低于某些第二周期元素,如氟和氧,这反映在它们的反应性上。稀有气体的电离能在各时期最高,这也表明电子构型的稳定性并且与元素的低反应性有关。稀有气体不能通过吸收电子形成稳定的阴离子,因此它们的电子亲合势为正值,稀有气体的宏观物理性质是由原子间弱的范德华力决定的。吸引效应随着原子尺寸的增加而增加(即随着极化率的增加和电离能的减少)。结果,甚至可以观察到组内的变化:随着车牌的增加,熔点、沸点、蒸发热和溶解度增加。密度的增加是由原子质量的增加引起的,稀有气体几乎是理想气体,但它们与理想气体定律的微小偏差是研究分子相互作用、分子轨道的关键。Lennard-Jones 势常用于模拟粒子间相互作用,由 John Lennard-Jones 于 1924 年从氩的实验数据中推导出来,之后量子力学提供的工具使理解分子力成为可能。惰性气体(尤其是氦气)的一个实用特性是它们能够通过实验室中使用的各种材料进行扩散。示例是橡胶和 PVC,但氦气也会通过大多数玻璃扩散。惰性气体(尤其是氦气)的一个实用特性是它们能够通过实验室中使用的各种材料进行扩散。示例是橡胶和 PVC,但氦气也会通过大多数玻璃扩散。惰性气体(尤其是氦气)的一个实用特性是它们能够通过实验室中使用的各种材料进行扩散。示例是橡胶和 PVC,但氦气也会通过大多数玻璃扩散。

化合物

非共价化合物

1962年以前,稀有气体化合物中只能分离出包合物,而其他化合物,如配位化合物,只能通过光谱手段进行观察。包合物是其中惰性气体原子被困在晶格或有机和无机化合物形成的空腔中的化合物。客体惰性气体和主体分子之间只有微弱的范德华力,因此包合物不是化学计量的。形成包合物的一个重要条件是我的惰性气体具有合适的大小并适合主体分子形成的空腔。例如,氩气、氪气和氙气能够与结晶 β-氢醌形成包合物,但氦气和氖气太小或不能充分极化以适应。形成的化合物相对稳定,但在溶解或熔化时,会释放出气体。如果水在高压气体存在下冻结,也可以形成稀有气体水合物。它们具有理想的 G8 (H2O) 46 组成,并由氩气、氪气和氙气形成。其中最稳定的是 Xe·5.75 H2O,熔点 24°C。还生产了这种水合物的氘代版本。稀有气体可以与富勒烯形成内嵌化合物,其中我的稀有气体被困在富勒烯分子内。 1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。如果水在高压气体存在下结冰。它们具有理想的 G8 (H2O) 46 组成,并由氩气、氪气和氙气形成。其中最稳定的是 Xe·5.75 H2O,熔点 24°C。还生产了这种水合物的氘代版本。稀有气体可以与富勒烯形成内嵌化合物,其中我的稀有气体被困在富勒烯分子内。 1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。如果水在高压气体存在下结冰。它们具有理想的 G8 (H2O) 46 组成,并由氩气、氪气和氙气形成。其中最稳定的是 Xe·5.75 H2O,熔点 24°C。还生产了这种水合物的氘代版本。稀有气体可以与富勒烯形成内嵌化合物,其中我的稀有气体被困在富勒烯分子内。 1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。其中最稳定的是 Xe·5.75 H2O,熔点 24°C。还生产了这种水合物的氘代版本。稀有气体可以与富勒烯形成内嵌化合物,其中我的稀有气体被困在富勒烯分子内。 1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。其中最稳定的是 Xe·5.75 H2O,熔点 24°C。还生产了这种水合物的氘代版本。稀有气体可以与富勒烯形成内嵌化合物,其中我的稀有气体被困在富勒烯分子内。 1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。1993年,发现C60富勒烯与氦气或氖一起承受高压时,可形成He@C60等特定化合物(@表示氦原子位于C60内部)。此后,还产生了这种氩、氪、氙的化合物。

共价化合物

氙的化合物

在惰性气体中,氙化合物表现出最大的多样性。氙在其化合物中的氧化态可以是 +2、+4、+6 和 +8,并与强电负性原子(例如氟或氧)相连。此类化合物包括二氟化氙 (XeF2)、四氟化氙 (XeF4)、六氟化氙 (XeF6)、四氧化氙 (XeO4) 和过氧化钠 (Na4XeO6)。 1962 年 6 月,Neil Bartlett 报告了第一种氙化合物,他观察到强氧化剂六氟化铂能够将 O2 氧化为 O2+。鉴于 O2 氧化为 O2 + 的电离能 (1165 kJ mol - 1) 与氙的电离能 (1170 kJ mol - 1) 几乎相同,Bartlett 也尝试与氙进行反应。这导致橙色结晶材料,他提出了公式 Xe + [PtF6] - 来表示这一点。后来发现该化合物更复杂,同时含有XeFPtF5和XeFPt2F11,三种不同的氙氟化物可以通过元素直接反应按以下方程式制备: Xe + F2 → XeF2 Xe + 2F2 → XeF4 Xe + 3F2 → XeF6A 严格遵守条件对于纯生产很重要。通过在镍容器中加热到 400°C 或通过阳光照射,可以在氟氙气过量的情况下生产 XeF2。 XeF4需要氙气和氟气的1:5混合物在6个大气压下加热到400℃,而XeF6需要氙气氟的1:20混合物在250-300℃下连续加热50-60℃ . 在大气压下保存在镍容器中。所有三种氟化物都是固体结晶材料,强氧化剂和氟化剂,特别是 XeF2 被广泛使用。 XeF2易溶于水,可制成浓度为25g/dm3的溶液,但在有碱存在时立即分解:2XeF2+2H2O→2Xe+4HF+O2A XeF4和XeF6立即剧烈水解在水里。除了氙的氟化物外,还生产了其氟氧化物(XeOF2、XeOF4、XeO2F2、XeO3F2、XeO2F4)及其氧化物(XeO2、XeO3和XeO4)。这些化合物不稳定并且经常爆炸。氙与氮、氯和碳的化合物也是已知的。在特殊条件下,还可与金、汞等金属形成络合物。2XeF2 + 2 H2O → 2 Xe + 4 HF + O2A XeF4 和 XeF6 在水中会立即剧烈水解。除了氙的氟化物外,还生产了其氟氧化物(XeOF2、XeOF4、XeO2F2、XeO3F2、XeO2F4)及其氧化物(XeO2、XeO3和XeO4)。这些化合物不稳定并且经常爆炸。氙与氮、氯和碳的化合物也是已知的。在特殊条件下,还可与金、汞等金属形成络合物。2XeF2 + 2 H2O → 2 Xe + 4 HF + O2A XeF4 和 XeF6 在水中会立即剧烈水解。除了氙的氟化物外,还生产了其氟氧化物(XeOF2、XeOF4、XeO2F2、XeO3F2、XeO2F4)及其氧化物(XeO2、XeO3和XeO4)。这些化合物不稳定并且经常爆炸。氙与氮、氯和碳的化合物也是已知的。在特殊条件下,还可与金、汞等金属形成络合物。例如,可以制备与金或汞的配合物。例如,可以制备与金或汞的配合物。

其他稀有气体的化合物

理论上,氡比氙更具反应性,因此它应该比氙更容易形成键。然而,由于其高放射性和短半衰期同位素,在实践中仅产生了少数氟化物和氧化物。氪的反应性低于氙,但已经报道了几种氧化态为 +2 的化合物。其中,二氟化氪是最重要和最容易表征的。 KrF2 是一种无色、挥发性的固体,在 -196°C 左右的温度下通过放电或高能电子或 X 射线在氪-氟气体混合物中形成: Kr + F2 → KrF2A KrF2 分解热不稳定并在室内温度。由于其稳定性低于二氟化氙,因此它是一种更强的氟化剂,即使在水中不加碱也能迅速分解。也有人制备了含有氪氮键和氪氧键的化合物,但分别只在-60℃和-90℃以下稳定。对于其他非金属(氢、氯、碳)和过渡金属(铜、银、金)相关的含隐酮化合物也被观察到,但仅在惰性气体基质或超音速惰性气体射流中的低温下观察到。 2000 年,使用类似的条件制备了最初的几种氩化合物,包括氟化氢 (HArF) 和铜、银和金的化合物。氦或氖的稳定、中性、共价化合物尚未发现,稀有气体在气相中可形成稳定的络离子。最简单的例子是 1925 年发现的氦氢阴离子 (HeH +)。从事实出发,离子是由宇宙中最常见的两种元素组成的假设被认为是在星际空间中发现的,但尚未被检测到。除了这些离子之外,还有许多稀有气体的准分子是已知的,ArF 或 KrF 等化合物仅在激发态下稳定。这些化合物用于准分子激光器。

发生和产生

宇宙中稀有气体的频率通常随着群体的下降而减少。氦是宇宙中仅次于氢的最常见元素,约占重量的 24%。宇宙中发现的大部分氦气是由大爆炸期间的核合成形成的,但从那时起,由于恒星中的氢聚变(以及较小程度的高质量元素的 α 衰变),其数量一直在稳步增加。它们在地球上的丰度遵循其他趋势,例如,氦只是大气中第三大最常见的惰性气体。这是因为大气中没有原始的氦,因为它的原子质量低,地球的引力无法容纳它。地球上的氦是由地壳中的重元素(例如铀和钍)的 α 衰变形成的,并且倾向于在天然气源中积累。相比之下,由于地壳中存在的40K的β分解,氩气的量高于预期。 40K 分解的产物是 40Ar,这是迄今为止地球上最常见的氩同位素,尽管在太阳系中相对稀少。这个过程是钾-氩测年的基础,氙在大气中的浓度低得惊人,这也被称为缺氙问题。根据一种理论,失踪的氙气可能被困在地壳内的矿物质中。二氧化氙被发现后,研究表明氙气可以代替石英中的硅,镭在镭的α衰变过程中在岩石圈中形成氡。它能够通过建筑物地基的裂缝渗入建筑物并在通风不良的区域积聚。由于其高放射性,它构成了健康风险:仅在美国,氡已被证明每年导致 21,000 例肺癌死亡。氖、氩、氪和氙的主要来源是大气,它们是在空气液化后通过分馏获得的。所有氩气也在生产合成氨的工厂中生产,因为它在含氢和氮的合成气中作为污染物富集。 1975 年世界氩的产量为 700,000 吨,到 1993 年显着增加,当时仅美国就生产了 716,000 吨。氦气虽然是大气中氪气量的 5 倍和氙气量的 6 倍,但它是由天然气分馏产生的,在某些地方,氦气含量可高达 7%。氡是从镭化合物的放射性衰变中获得的。惰性气体的价格与它们的自然存在量成正比,因此氩气最便宜,氙气最贵。

稀有气体的极低熔点和沸点使其可用作低温制冷剂。特别是,液氦(熔点为 4.2 K)用于冷却磁共振成像和核磁共振设备中​​的超导磁体。一些核反应堆使用氦气作为制冷剂。液氖也用于低温用途,因为虽然它不能像液氦那样冷却到低温,但其单位体积的蒸发热是液氦的 40 倍,是液氢的 3 倍以上。 - 主要存在于脂质中- 由于其溶解度低。在高压下,例如深海潜水,气体会溶解在血液中,并引起称为氮麻醉的欣快状态。可以通过向呼吸器填充人造空气来减少麻醉作用,其中氮气被氦气代替,如三混合气或氦气。使用这种气体混合物还可以降低因减压而导致减压病的风险,因为随着压力下降,溶解在血液中的气体减少,形成的气泡也会减少。这也意味着浮力降低了 8.6%。稀有气体被用于许多提供惰性气氛的地方。氩气用于合成对空气和氮敏感的化合物。固态氩气是一种非常不稳定的化合物,例如,它还用于通过在极低温度下将化合物捕获在惰性基质中来研究反应性中间体。氦气在气相色谱中用作载气,用于填充温度计和辐射测量设备,如盖革-米勒计数器和气泡室。氦气和氩气通常用作弧焊和其他冶金工艺中的保护气体,以及半导体工业中硅生产中的保护气体。惰性气体的主要用途之一是用于照明。氩气与氮气混合,用于为白炽灯充电。氪用于高功率、更高颜色和更高效的灯泡,因为氪比氩更好地减少灯丝蒸发。卤素灯通常填充有cryptone,加入少量碘或溴化合物。惰性气体也用于放电管,例如“氖管”。气体放电管发出的光的颜色取决于所用气体的成分。稀有气体也用于为荧光灯充电,但灯的颜色不取决于气体,而是取决于施加到管壁的荧光层的质量。氙气通常用于氙弧灯。这些灯几乎连续的光谱让人联想到太阳光,用于电影放映机或汽车前灯。准分子激光器也使用惰性气体。它们的操作基于仅在激发态结合的短寿命准分子。激光器中使用的准分子可能是惰性气体二聚体,例如 Ar2、Kr2 或 Xe2,但更常见的是我的惰性气体与卤素相连,例如 ArF、KrF、XeF 或 XeCl。这些激光器发射紫外线,由于其波长较短(ArF 为 193 nm,KrF 为 248 nm),因此适用于高空间分辨率成像。准分子激光器有许多工业、医疗和科学应用。它们用于微光刻和微制造工艺,这对制造集成电路至关重要,也用于激光手术,包括血管成形术和眼科手术。一些惰性气体也可以直接用于医学。氦气有时用于帮助哮喘患者呼吸。氙被用作麻醉剂,因为它在脂质中的良好溶解性使其比普通的一氧化二氮更有效,并且更容易从体内排出。允许更快的觉醒。超极化氙气也可用于磁共振成像。氡在放射治疗中用于治疗癌症,并制造用于控制金属铸件质量的放射源。

笔记

笔记

来源

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翻译

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