惰性元素

因为它们在宏观上都以气体的形式存在，所以又叫“惰性气体元素”。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。

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。六种稀有气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。发现稀有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。

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。

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。

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。

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"。

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）。

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。

稀有气体广泛应用到光学、冶金和医学等领域中。例如：氦氖激光器、氩离子激光器等在国防和科研上有着广泛的用途。氖在放电管内放射出美丽的红光，加入一些汞蒸气后又发射出蓝光，所以，氖被广泛用来制造霓虹灯。氙在电场的激发下能放出强烈的白光，高压长弧氙灯经常用于电影摄影、舞台照明等。在冶金工业中，氩和氦的最大用途是为熔焊不锈钢等提供惰性气氛。氪、氙和氡还能用于医疗上，氙灯能放出紫外线，氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。氦还被用来代替氢充填气象气球和飞船，由于它不燃烧，比氢安全得多。由于氦的沸点低，还被用于超低温技术。