稀有气体

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族 →   18
↓ 周期
1 2
He
2 10
Ne
3 18
Ar
4 36
Kr
5 54
Xe
6 86
Rn
7 118
Uuo
圖例
稀有氣體
氣體
原生元素
衰變產物
人工合成

稀有氣體，又稱作惰性气体、貴重氣體、貴族氣體、貴氣體、高貴氣體或鈍氣，是指元素周期表上的第18（8A）族元素（IUPAC新规定，即原来的0族），在常溫常壓下，它們是全都是无气味，无色，单原子气体，及其反應性非常低。天然存在的貴气体有六種：氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、和具放射性的氡（Rn）。而Uuo是以人工合成的貴氣體，非常不穩定，半衰期很短。根據週期表的趨勢，Uuo估計比氡更活躍一些。然而，理論計算顯示，它可能會非常活躍，並不一定能被稱為惰性氣體。[1]

貴气体的特性可以用現代的原子結構理論來解释：它們的最外電子層的電子已「滿」（即已達成八隅體狀態），所以它們非常穩定，極少進行化学反应，至今只有幾百種惰性气体化合物能被成功備製。每種貴气体的熔点和沸点十分接近，溫度少於10°C（18°F）的差距，因此它們僅在很小的温度范围內以液態存在。

經氣體液化和分馏方法可從空氣中獲得氖、氬、氪和氙；氦氣通常從天然气提取出來；氡氣則通常由鐳化合物經放射性衰变後分離出來。貴气体在工業方面主要應用在照明設備、銲接和太空探索。氦也會應用在深海潛水。如潛水深度大於180英尺（55公尺），潛水員所用的壓縮空氣瓶內的氮要被氦代替，以避免氧中毒及氮麻醉的徵狀。另一方面，由於氫氣非常不穩定容易燃燒和爆炸，現今的飛艇及氣球都採用氦氣替代氫氣。

目录

[编辑] 歷史

「貴重气体」（英文名字「noble gases」）是從德國名詞「Edelgas」翻譯過來，最先在1898年由雨果·埃德曼（Hugo Erdmann）[2]所用，以顯示它們極低的反應性。此名稱的含意與黃金等的「贵金属」類似，有財富、高貴及低反應性的意思。貴气体也會稱為「惰性气体」，源於本來的英文名字「inert gases」，意指這些氣體基本沒有活性，在一般情況下極不容易與其它元素反應。但這個名詞已較少使用，因現今已發現很多惰性气体化合物[3]，所以這些氣體不再是「懶惰」，而是極選擇性地作化學反應。「稀有气体」是另一個會使用的名稱[4]。在1991年，全国自然科学名词审定员会公佈的《化学名词》中正式规定，把惰性气体改称为稀有气体[5]。但是這名稱也有不精確之處，因為這些氣體約佔地球大气組成的0.94%，其中氬氣佔了0.9%。[6]

科學家最先在太陽的發射光譜上發現氦氣獨特的譜綫。

皮埃爾·讓森（Pierre Janssen）和約瑟夫·諾曼底·洛克伊爾（Joseph Norman Lockyer）最先在1868年8月18日，在觀看太陽的色球層時發現了一種放出黃色譜線的物質，他們把此物質命名為「氦」（法文為hélium，英文為helium），源自希臘語「ήλιος」，意為「太陽」[7]。在他們之前，英國化學及物理學家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）在1784年已在空氣中發現一種微量的物質，其反應性比氮氣還低[8]。一個世紀之後，於1895年瑞利勛爵發現比較空氣中的氮氣樣本與從化学反應所產生的氮氣，它們的密度是有所不同。瑞利勛爵與倫敦大學學院的科學家威廉·拉姆齊一起合作，推論從空氣提取的氮氣與其實與另一氣體混合。他們其後進行實驗順利地分離一種新的元素：氬，此名稱源自希臘語「αργός」，意思為「不活躍」[8]。由此發現，他們理解到元素週期表上欠缺了一整類的氣體。 在尋找氬氣期間，拉姆齊重複了美國地質學家希爾布蘭德（William Hillebrand）的實驗，把釔鈾礦（cleveite）放在硫酸中加熱，成功分離出氦氣。在1902年，季米特里·門捷列夫（Dmitri Mendeleev）接受氦和氬元素的證據，把這些貴氣體納入他的元素排列之內，分類為第0族，此排列其後演變成元素週期表。[9]

拉姆齊继续使用分馏法把液態空氣分離成不同的成分以尋找這些貴氣體。在1898年，他發現了元素氪、氖和氙。「氪」源自希臘語「κρυπτός」，意為「隱藏」；「氖」源自希臘語「νέος」，意為「新」；「氙」源自希臘語「ξένος」，意為「陌生人」。氡氣在1898由弗里德里希·厄恩斯特·當（Friedrich Ernst Dorn）所發現[10]，最初取命為鐳放射物，但當時並未列為貴氣體，直到1904年才發現它的特性與其他貴氣體相似[11]。在1904年，瑞利和拉姆齊分別獲得諾貝爾物理學獎和化學獎，以表揚他們在貴氣體上的發現[12][13]。瑞典皇家科學院主席西德布洛姆（J.E. Cederblom）致詞說：「一族全新元素的發現，而當中沒有一個成員曾經被確實發現。這是在化學歷史上完全獨特的事情，其本質上對科學發展有特殊意義。」[13]

貴氣體的發現有助原子結構一般理解的發展。在1895年，法國化學家亨利·莫瓦桑（Henri Moissan）嘗試進行氟（最電負性的元素）與氬（貴氣體）之間的反應，但沒有成功。直到20世紀末為止，科學家仍無法備製氬的化合物，但這些嘗試有助於發展新的原子結構理論。由這些實驗結果的資料，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾在1913年提出，在原子中的電子以電子殼形式圍繞原子核排列，而且除氦氣以外的所有貴氣體，最外層的電子殼總是包含8粒電子[11]。在1916年，吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）制定了八隅體規則，指出最外電子殼上有八粒電子是任何原子最穩定的排佈；此電子排佈使它們不會與其他元素發生反應，因為它們不需要更多的電子以填滿其最外電子殼。[14]

但直到1962年，尼爾·巴特萊特（Neil Bartlett）才發現了首個貴氣體化合物六氟合鉑酸氙（hexafluoroplatinate）[15]。其他貴氣體化合物隨後陸續被發現：在1962年發現了氡的化合物（二氟化氡RnF2)[16]；並於1963年發現氪的化合物（二氟化氪KrF2）[17]。於2000年，第一個穩定的氬化合物，氟氬化氫（HArF）於開氏40K（−233.2℃；−387.7℉）被成功備製。[18]

1998年12月在俄羅斯杜布納的聯合核研究所（Joint Institute for Nuclear Research），科學家以鈣（Ca）原子衝擊鈽（Pu）來產生元素114的單一原子[19]，並命名為「flerovium」（Fl）[20]。初步化學實驗已顯示這種元素可能是第一種超重元素，有異常的貴氣體特性，即使它是屬於元素周期表上第14族的成員[21]。2006年10月聯合核研究所與勞倫斯利福摩爾國家實驗室的科學家成功地以鈣（Ca）原子衝擊鐦（Cf）[22]，人工產生了ununoctium（Uuo），即18族的第七個元素。[23]

[编辑] 物理和原子性质

性质[11][24] 氦 氖 氩 氪 氙 氡
密度（g/dm³） 0.1786 0.9002 1.7818 3.708 5.851 9.97
沸点（K） 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5
熔点（K） 0.95[25] 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2
汽化热（kJ/mol） 0.08 1.74 6.52 9.05 12.65 18.1
20 °C时在水中的溶解度（cm3/kg） 8.61 10.5 33.6 59.4 108.1 230
原子序数 2 10 18 36 54 86
原子半径（pm） 130 160 192 198 218  –
电离能（kJ/mol） 2372 2080 1520 1351 1170 1037
电负性 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 -
关于更多数据，参见稀有气体 (数据页)。

稀有气体的原子间力非常弱，因此熔点和沸点非常低。它们在标准状况下都是单原子气体，包括比正常的固体元素的原子量更大的元素。[11]氦与其它元素相比，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；它是唯一的一个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0.95 K（−272.200 °C；−457.960 °F）的温度施加25 atm（2,500 kPa；370 psi）的压力，才能使它凝固。[26]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；它的寿命最长的同位素222Rn，半衰期也只有3.8 天，衰变为氦和钋，最终衰变为铅。[11]

这是一个电离能对原子序数的图。图中所标示的稀有气体是每一个周期里面电离能最大的。

稀有气体原子，像大部份族中的原子一样，原子半径随着周期的增加而增加，由于电子数目的增加。原子的大小与许多性质有关。例如，电离能随着半径的增加而减少，因为较大的稀有气体中的价电子离核较远，因此更容易脱离原子的束缚。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，也与它们的化学性质不活泼有关。[24]然而，有些较重的稀有气体的电离能则较小，足以与其它元素和分子相比。巴特莱特是看到了氙的电离能与氧分子相似，而尝试用六氟化铂来把氙氧化，六氟化铂的氧化性非常强，足以把氧气氧化。[15]稀有气体不能接受一个电子，而形成稳定的阴离子；也就是说，它们的电子亲合能是负数。[27]

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。这就是为什么：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。密度的增加是由于原子序数的增加。[24]

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理解分子间作用力的工具。[28]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）。

[编辑] 化学性质

氖，像所与稀有气体一样，价电子层已满。稀有气体的最外层都有八个电子，除了氦以外，氦的最外层有两个电子。

稀有气体组成了元素周期表中的第 18族。已经确认的元素是氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。[29]这些元素在标准状况下都是无色、无气味、无味道、不可燃的气体。曾经有一段时间，它们被称为元素周期表中的第 0族，因为大家相信它们的化合价为零，也就是说，它们的原子不能与其它元素结合，形成化合物。然而，后来发现有些稀有气体确实可以形成化合物，这样“第 0族”的名称便再没有人使用了。[11]目前对第 18族的最新元素Uuo了解非常少。[30]

稀有气体的价电子层已满。价电子是最外层的电子，通常只有这些电子参与化学键。价电子层已满的原子是非常稳定的，因此很难形成化学键，也极难得到或失去电子。[31]然而，在较重的稀有气体中（例如氡），最外层的电子与原子核之间的电磁力要小于较轻的稀有气体（例如氦），因此较重的稀有气体较容易失去最外层电子。

由于价电子层已满，因此稀有气体可以与电子排布记法结合起来，形成稀有气体记法。这种记法是先写出元素之前的最近的稀有气体，然后再写出从那里开始的电子排布。例如，碳的电子排布是1s²2s²2p²，稀有气体记法则是[He]2s²2p²。使用这种记法更容易识别元素，也比完整的原子轨道记法要简短。[32]

[编辑] 化合物

主条目：稀有气体化合物
XeF4的结构，一个最初发现的稀有气体化合物

稀有气体的化学反应活性极低；因此，目前只制备出了数百个稀有气体化合物。氦和氖参与化学键的中性化合物目前还没有成功制备（虽然理论上少数氦的化合物是可以存在的），氡、氙、氪和氩也只表现出极少的活性。[33]反应活性的顺序为Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn。

1933年，莱纳斯·鲍林预言较重的稀有气体可以与氟和氧反应，生成化合物。他预言了六氟化氪（KrF6）和六氟化氙（XeF6）的存在，推测XeF8可能存在但不稳定，也预测了氙酸可以转化成氙酸盐。[34][35]目前已经证明了这些预言基本上是准确的，只有XeF8已知不但热力学不稳定，动力学也不稳定。[36]

氙的化合物是稀有气体化合物中数量最繁多的。[37]在大部分这些化合物中，氙原子的氧化态都是+2、+4、+6或+8，与电负性很高的原子如氟或氧键合，例如二氟化氙（XeF2）、四氟化氙（XeF4）、六氟化氙（XeF6）、四氧化氙（XeO4），以及高氙酸钠（Na4XeO6）。其中有些化合物可以在化学合成中作为氧化剂；特别是XeF2，可以作为氟化剂。[38]到2007年为止，已经制备出了大约五百种氙与其它元素键合的化合物，包括有机氙化合物（氙与碳原子键合），以及氙与氮、氯、金、汞和氙本身键合的化合物。[33][39]氙与硼、氢、溴、碘、铍、硫、钛、铜和银键合的化合物也已制得，但只能在低温的稀有气体基质中，或在超音速稀有气体射流中。[33]

理论上，氡比氙要更活泼，因此应该比氙更容易与其它原子键合。然而，由于氡的同位素的高度放射性和极短的半衰期，实际上只制备出了少数氡的氟化物和氧化物。[40]

氪没有氙活泼，但仍然制备出了一些氪的化合物，其中氪的氧化态为+2。[33]二氟化氪是最重要和最容易制备的氪化合物。氪与氮和氧键合的化合物也已制得，[41]但分别只在−60 °C（−76.0 °F）和−90 °C（−130.0 °F）以下稳定。[33]

氪原子与其它非金属（氢、氯和碳）以及一些过渡金属（铜、银、金）键合的化合物也已制得，但只能在低温的稀有气体基质中，或在超音速稀有气体射流中。[33]2000年用类似的条件制备了最初几个氩化合物，例如氟氩化氢（HArF），以及一些氩与过渡金属铜、银、金键合的化合物。[33]到2007年为止，还没有成功制备出含有氦或氖的共价键的化合物。[33]

稀有气体（包括氦）可以在气相中形成稳定的多原子离子。最简单的1925年发现的氦合氢离子（HeH+）。[42]因为它含有宇宙中最丰富的两种元素：氢和氦，因此被认为存在于自然的星际物质中。[43]除此以外，还有许多已知的稀有气体准分子。这些化合物比如ArF和KrF只能在激发态稳定存在，其中一些被应用于准分子激光器。

[编辑] 参见

[编辑] 參考資料

[编辑] 注释

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[编辑] 参考書目

左方一族： 稀有气体
第18族（0）		 右方一族：
卤素 碱金属
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