稀有气体知识点

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1、稀有气体知识点名称“noble gases ”在十九世纪被化学家发现以来，由于深入理解其性质而多次改 名。原本它们被称为 稀有气体（rare gases），因为化学家认为它们是很罕见的。 不过，这种说法只适用其中部分元素， 并非所有都很少见。 例如氩气（Ar, argon） 在地球 大气层 的含量占 0.9%，胜过二氧化碳；而氦气（He, helium ）在地球大 气层的含量确实很少，但在宇宙却是相当充沛，它占有25% ，仅次于氢。所以化 学家又改称为 惰性气体 （又称 钝气，inert gases），表示它们的反应性很低， 不曾在自然中出现化合物过。对于那些早期需借由化合物来寻找元素的科学家

2、， 这些元素是比较难以寻找的。 不过，最近的研究指出他们是可以和其他元素结合 成化合物（此即 稀有气体化合物 ），只是需要借助人工合成的方式。故最后改称 为贵重气体 （又称贵族气体、贵气体或高贵气体，noble gases ），这个称呼是 源自德语的 Edelgas 所翻译来的，是由雨果埃德曼于1898年所定名。“noble ” 与黄金等的“贵金属”类似， 表示它们不易发生 化学反应 ，但并非不能产生任何 化合物。在中文译名方面，各有各不同的称呼。中国大陆全国自然科学 名词 审定委员会于 1991 年公布的化学名词中正式规定“noble gases”称为稀有 气体一词。香港教育局的中学化学科常

3、用英汉词汇 称“noble gases”为（高） 贵气体，而一般社会仍有使用惰性气体的称呼。而台湾方面， 由国立编译馆的国 家教育研究院建议常称“ noble gases ”为惰性气体，比较少用钝气、稀有气体 等，也有被称为高贵气体。 稀有气体的得名 稀有气体的 单质在常温下为气体， 且除氩气外，其余几种在大气中含量很少 （尤 其是氦），故得名“稀有气体”，历史上稀有气体曾被称为“惰性气体”，这是 因为它们的原子最外层 电子构型 除氦为 1s 外，其余均为 8 电子构型（ ns2np6， 均为上标），而这两种构型均为稳定的结构。因此，稀有气体的化学性质 很不活 泼，所以过去人们曾认为他们与其他

4、元素之间不会发生化学反应 ，称之为“惰性 气体”。然而正是这种绝对的概念束缚了人们的思想，阻碍了对 稀有气体化合物 的研究。 1962年，在加拿大工作的26岁的英国青年化学家N.Bartlett合成了 第一个稀有气体化合物XePtF6 ，引起了化学界的很大兴趣和重视。许多化学 家竞相开展这方面的工作， 先后陆续合成了多种“ 稀有气体化合物 ”，促进了稀 有气体化学的发展。而“惰性气体”一名也不再符合事实，故改称稀有气体。通电的稀有气体放电管发现史1868年，天文学家在太阳的光谱中发现一条特殊的黄色谱线D3 ，这和早已知道 的钠元素的 D1和 D2两条黄色谱线不同， 由此预言在太阳中可能有一种未

5、知元素 存在。后来将这种元素命名为“氦”，意为“太阳元素”1。 20 多年后，拉姆赛证实了地球上也存在氦元素。1895 年，美国地质学家希尔布 兰德观察到钇铀矿放在硫酸中加热会产生一种不能自燃、也不能助燃的气体。 他 认为这种气体可能是氮气或氩气，但没有继续研究。 拉姆赛知道这一实验后， 用 钇铀矿重复了这一实验， 得到少量气体。 在用光谱分析法检验该气体时，原以为 能看到氩的谱线， 却意外地发现一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。拉姆赛 把它与已知的谱线对照，没有一种同它相似。经过苦苦思索，终于想起27 年前 发现的太阳上的氦。 氦的光谱正是黄线， 如果这两条黄线能够重合， 那么钇铀矿 中放

6、出的气体应是太阳元素氦了。拉姆赛十分谨慎， 请当时英国最著名的光谱专 家克鲁克斯帮助检验， 证实拉姆赛所得的未知气体即为“太阳元素”气体。1895 年 3 月，拉姆赛在化学新闻上首先发表了在地球上发现氦的简报，同年在英 国化学年会上正式宣布这一发现。后来，人们在大气中、水中、天然气中、石油 气中以及铀和外的矿石中，甚至在陨石中也发现了氦。1902年，德米特里门 捷列夫 接受了氦和氩元素的发现， 并这些稀有气体纳入他的元素排列之内，分类 为第 0 族，而元素周期表即从该排列演变而来2。 拉姆齐继续使用分馏法把液态空气分离成不同的成分以寻找其他的稀有气体。他 于 1898 年发现了三种新元素：氪、

7、氖和氙。“氪”源自希腊语 “(krupt s) ”， 意为“隐藏”； “氖”源自希腊语“ (nos)”， 意为“新”；“氙”源自希腊语“(x nos)”，意为“陌生人”。氡气于 1898年由弗里德里希厄恩斯特当发现，最初取名为镭放射物，但当时并未 列为稀有气体3。直到 1904年才发现它的特性与其他稀有气体相似。1904 年， 瑞利和拉姆齐分别获得 诺贝尔物理学奖 和化学奖，以表彰他们在稀有气体领域的 发现4。瑞典皇家科学院 主席西德布洛姆致词说：“即使前人未能确认该族中任 何一个元素， 却依然能发现一个新的元素族，这是在化学历史上独一无二的，对 科学发展有本质上的特殊意义。4” 稀有气体的发

8、现有助于对原子结构一般理解的发展。在1895 年，法国化学家 亨 利莫瓦桑 尝试进行氟（电负性最高的元素）与氩（稀有气体）之间的反应，但 没有成功。直到 20 世纪末，科学家仍无法制备出氩的化合物，但这些尝试有助 于发展新的原子结构理论。 由这些实验结果， 丹麦物理学家 尼尔斯玻尔 在 1913 年提出，在原子中的电子以电子层形式围绕原子核排列，除了氦气以外的所有稀 有气体元素的最外层的电子层总是包含8 个电子。1916年，吉尔伯特牛顿路 易斯制定了八隅体规则，指出最外电子层上有8 个电子是任何原子最稳定的排 布；此电子排布使它们不会与其他元素发生反应，因为它们不需要更多的电子以 填满其最外层

9、电子层。 但到了 1962 年，尼尔巴特利特发现了首个稀有气体化合物六氟合铂酸氙。其 他稀有气体化合物随后陆续被发现：在1962 年发现了氡的化合物二氟化氡；并 于 1963 年发现氪的化合物二氟化氪。2000 年，第一种稳定的氩化合物氟氩化氢 （HArF ）在 40K（- 233.2）下成功制备。51998年 12月， 俄罗斯杜布纳 的联合核研究所的科学家以钙原子轰击钚来产生114 号元素 的单一原子，后来被命名为Fl 。初步化学实验已显示该元素可能是第一 种超重元素，尽管它位于元素周期表的第14 族，却有着的稀有气体特性。2006年 10 月，联合核研究所与美国 劳伦斯 利福摩尔国家实验室

10、的科学家成功地以钙 原子轰击锎的方法，人工合成了Uuo ，它是 18 族的第七个元素6。化合物芬兰赫尔辛基大学 的科学家在 24 日出版的英国自然杂志上报告说，他们首 次合成了惰性气体元素氩的稳定化合物氟氩化氢 ，分子式为 HArF。 这样，6 种惰性气体元素氦、氖、氩、氪、氙和氡中，就只有原子量最小的氦和 氖尚未被合成稳定化合物了。 惰性气体可广泛应用于工业、医疗、光学应用等领 域， 合成惰性气体稳定化合物有助于科学家进一步研究惰性气体的化学性质及其 应用技术。 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

11、学反应，因此这些元 素被称为“惰性气体元素”。 在原子量较大、 电子数较多的惰性气体原子中，最外层的电子离原子核较远，所 受的束缚相对较弱。如果遇到吸引电子强的其他原子， 这些最外层电子就会失去， 从而发生化学反应。 1962年，加拿大化学家首次合成了氙和氟的化合物。此后， 氡和氪各自的化合物也出现了。 原子越小，电子所受约束越强，元素的“惰性”也越强，因此合成氦、氖和氩的 化合物更加困难。 赫尔辛基大学的科学家使用一种新技术，使氩与氟化氢在特定 条件下发生反应， 形成了氟氩化氢。 它在低温下是一种固态稳定物质，遇热又会 分解成氩和氟化氢。 科学家认为， 使用这种新技术， 也可望分别制取出氦和

12、氖的 稳定化合物。 自 19 世纪末以来，稀有气体元素不能生成热力学稳定化合物的结论给科学家人 为地划定了一个禁区， 致使绝大多数化学家不愿再涉猎这一被认为是荒凉贫瘠的 不毛之地， 关于稀有气体化学性质的研究被忽略了。尽管如此， 仍有少数化学家 试图合成稀有气体化合物。1932年，前苏联 的阿因托波夫（ AR Antropoff ） 曾报道，他在液体空气冷却器内，用放电法使氪与氯、溴反应，制得了较氯易挥 发的暗红色物质， 并认为是氪的卤化物。 但当有人采用他的方法重复实验时却未 获成功。阿因托波夫就此否定了自己的报道，认为所谓氪的卤化物实际上是氧化 氮和卤化氢，并非氪的卤化物。1933年，美国

13、著名化学家 鲍林（LPauling ） 通过对离子半径的计算， 曾预言可以制得六氟化氙 （XeF6 ）、六氟化氪（KrF6）、 氙酸及其盐。扬斯特（ DM Younst）受阿因托波夫的第一个报道和鲍林预言的 启发，用紫外线照射和放电法试图合成氟化氙和氯化氙，均未成功。 他在放电法 合成氟化氙的实验中将氟和氙按一定比例混合后，在铜电极间施以 30000 伏的电 压，进行火花放电， 但未能检验出氟化氙的生成。扬斯特由于对传统观念心有余 悸，没有坚持继续进行实验，使一个极有希望的方法半途而废。一系列的失败， 致使在以后的 30 多年中很少有人再涉足这一领域。令人遗憾的是，到了1961 年，鲍林也否定

14、了自己原来的预言，认为“氙在化学上是完全不反应的，它无论 如何都不能生成通常含有共价键或离子键化合物的能力”。 历史的发展颇具戏剧性， 就在鲍林否定其预言的第二年，第一个稀有气体化合物 六氟合铂酸氙 （XePtF6）竟奇迹般地出现了， 并以它独特的经历和风姿震惊 了整个化学界， 标志着稀有气体化学的建立， 开创了稀有气体化学研究的崭新领 域。在加拿大工作的英国年轻化学家巴特列特（NBartlett）一直从事无机氟化学 的研究。自 1960 年以来，文献上报道了数种新的铂族金属氟化物，它们都是强 氧化剂，其中高价铂的氟化物六氟化铂（PtF6）的氧化性甚至比氟还要强。巴特 列特首先用 PtF6 与

15、等摩尔氧气在室温条件下混合反应， 得到了一种深红色固体， 经 X射线衍射分析 和其他实验确认此化合物的化学式为 O2PtF6 ，其反应方程式 为： O2+PtF6 O2PtF6 这是人类第一次制得O+2的盐，证明 PtF6 是能够氧化氧分子的强氧化剂。巴特 列特头脑机敏， 善于联想类比和推理。 他考虑到 O2的第一电离能 是 1175.7 千焦 / 摩尔，氙的第一电离能是1175.5 千焦/ 摩尔，比氧分子的第一电离能还略低， 既然 O2可以被 PtF6 氧化，那么氙也应能被 PtF6 氧化。他同时还计算了晶格能， 若生成 XePtF6，其晶格能只比 O2PtF6小 41.84 千焦/ 摩尔。

16、这说明 XePtF6一旦 生成，也应能稳定存在。 于是巴特列特根据以上推论，仿照合成 O2PtF6的方法， 将 PtF6 的蒸气与等摩尔的氙混合，在室温下竟然轻而易举地得到了一种橙黄色 固体 XePtF6： Xe+PtF6XePtF6 该化合物在室温下稳定， 其蒸气压很低。 它不溶于非极性溶剂四氯化碳，这说明 它可能是离子型化合物。 它在真空中加热可以升华， 遇水则迅速水解， 并逸出气 体： 2XePtF6+6H2O 2Xe +O2 +2PtO2+12HF 这样，具有历史意义的第一个含有化学键的“惰性”气体化合物诞生了，从而很 好地证明了巴特列特的正确设想。 1962年 6 月，巴特列特在英国 Proccedings of the Chemical Society杂志上发表了一篇重要短文，正式向化学界公布了自己 的实验报告，一下震动了整个化学界。持续70 年之久的关于稀有气体在化学上 完全惰性的传统说法， 首先从实践上被推翻了。 化学家们开始改变了原来的观念，