“佛系”的惰性氣體

曲建翹 吳萍

在元素周期表中，惰性氣體屬于0族元素。包括氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），氡（Rn），由于在大氣的化學(xué)組分中含量很少，故稱為稀有氣體。在日常生活中，這些稀有氣體為人類帶來了極大的方便。那么這些稀有氣體的用途你了解多少呢？你知道它們是如何被發(fā)現(xiàn)的嗎？讓我們走近惰性氣體的世界，挖掘它們的故事吧！

空氣中那些“冷漠的面孔”

空氣是指大氣層中的氣體混合，因此空氣屬于混合物。正常的空氣成分按體積分?jǐn)?shù)計算是：氮氣約占78%，氧氣約占21%，稀有氣體約占0.939%，二氧化碳約占0.03%，還有其他氣體和雜質(zhì)約占0.03%，如臭氧、二氧化氮、一氧化氮、水蒸氣等。

在惰性氣體中，除氬氣含量略高外（在100升空氣中，就有1升氬氣），其他氣體含量極少。它們在空氣中體積占比分別是氦0.0005%、氖0.0018%、氪0.00011%、氙0.000009%，科學(xué)家實驗證明，當(dāng)我們每吸一口氣，會把5立方厘米左右（半湯匙）的氬吸入肺中，而同時吸入的氖氣只有氬氣的1/500，氦氣只有氬氣的1/2000，氪氣只有氬氣的1/10000，氙氣只有氬氣的1/100000。這些氣體將會經(jīng)過我們的肺部，但并不會對肺產(chǎn)生作用。因為這些氣體全都是一副“冷漠的面孔”幾乎不參加任何化學(xué)反應(yīng)。

?英國化學(xué)家威廉·拉姆塞（圖片來源/維基百科）

惰性氣體的偉大發(fā)現(xiàn)

惰性氣體含量這么少，它們是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？

惰性氣體6種元素是在1894-1900年間陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，主要要歸功于英國化學(xué)家威廉·拉姆塞（1852-1916）。1894年拉姆塞和英國物理學(xué)家瑞利（1842-1919）合作實驗，從空氣中提取氮，每升重1.2572克，從氨氣里提取的氮每升卻重1.2560克，比前數(shù)輕千分之一。拉姆塞推斷空氣中的氮可能含有一種未知氣體。他們經(jīng)過多次實驗，進(jìn)一步分離，終于得到第一個惰性氣體——氬，這個重大發(fā)現(xiàn)被稱為“第三位小數(shù)的勝利”。

1895年，拉姆塞將釔鈾礦置于硫酸加熱，得到一種新的惰性氣體——氦，從而第一次在地球上找到所謂的“太陽元素”。

拉姆塞研究了氦和氬的性質(zhì)，指出它們在周期表中屬于新的一族，并預(yù)言這一族中存在著其他元素。1898年，他在分餾液態(tài)空氣時，發(fā)現(xiàn)了3種新的稀有氣體，命名為氖、氪、氙。

?充有氬氮混合氣體的白熾燈可保護(hù)鎢絲的使用壽命

1899年，英國物理學(xué)家歐文斯和盧瑟福在研究釷的放射性時發(fā)現(xiàn)了釷射氣，即氡-220;1900年德國的道恩在研究鐳的放射性時發(fā)現(xiàn)鐳射氣，即氡-222;1902年德國化學(xué)家吉賽爾在錒的化合物中發(fā)現(xiàn)錒射氣即氡-219;后來英國化學(xué)家拉姆塞確定鐳射氣是一種新元素和發(fā)現(xiàn)的其他稀有氣體一樣是一種化學(xué)惰性稀有元素。其他兩種射氣是它的同位素，拉姆塞和W·格雷測定氡的原子量，并確定了氡在周期表的位置。1904年，杰出的英國化學(xué)家威廉·拉姆塞因為發(fā)現(xiàn)空氣的惰性氣體元素，并確定它們在元素周期表中的位置，被授予諾貝爾化學(xué)獎。

點亮生活，為人類提供優(yōu)質(zhì)的照明服務(wù)

人們白天利用太陽的光芒照亮大地，夜晚人造光源給城市、農(nóng)村帶來光明?？茖W(xué)家們發(fā)明了電燈、日光燈、霓虹燈等。但是這些燈具的制造過程離不開惰性氣體。

白熾燈是最早發(fā)明的光源之一，至今已有一百多年的歷史，燈絲是燈泡的發(fā)光體，是由耐高溫的鎢（W）絲制成，鎢絲的熔點可高達(dá)3410℃。但鎢絲和其他金屬一樣，在高溫下很快會發(fā)生強(qiáng)烈的氧化而燒斷，所以燈絲必須工作在高度真空與不起氧化作用的惰性氣體（氬、氮）或氬氮混合氣體中，以保護(hù)鎢絲的使用壽命。

還有一種氖氣提示燈泡，它是一種輝發(fā)電燈泡，其結(jié)構(gòu)由兩電級構(gòu)成，玻璃殼內(nèi)充以氖氣為主的混合氣體。當(dāng)兩極加上額定電壓時，管內(nèi)氣體發(fā)生輝光放電，發(fā)出橙紅色的光。其體積小，耗電少（僅0.1瓦左右），發(fā)熱量低。其次，由于沒有燈絲，所以耐震性能好。氖燈泡的光線能穿透濃霧，常用作航空、航海和鐵路交通指揮燈。

稀有氣體在低壓放電時，會發(fā)出多種顏色的光，可以制成五顏六色的“霓虹燈”把現(xiàn)代化都市的夜晚裝扮得繁花似錦。

稀有氣體在低壓放電時會發(fā)出多種顏色的光

除此之外，氪氣也可充填高級電子管和實驗室用的可連續(xù)照射的紫外燈。它還能制成不需要電源的原子燈，適用于沒有電源的地方使用，氪燈泡比同功率的氬氣燈泡省電20%～25%，壽命可延長2～3倍，被稱為“長壽燈”。氪燈的透射率很高，因而可用于夜戰(zhàn)中越野戰(zhàn)車上的照射燈，特殊照明的結(jié)點光源，以及閃光燈、頻閃檢測器等。

各個行業(yè)的掌中寶

氦的沸點是所有已知物質(zhì)中最低的，液氦常用作超低溫研究中的制冷劑，氦在原子反應(yīng)堆中也可以用作制冷劑，氦又用于填充氣體、溫度計、電子管等。另外，氦和氧氣混合制造的人造空氣，可用于醫(yī)學(xué)治療。

氦可用于超導(dǎo)技術(shù)，因為在液氦的溫度環(huán)境下，導(dǎo)體失去電阻，電流通過不發(fā)熱、不損失，永久流動形成“超導(dǎo)電性”，如鐵、硅等的冶煉以及高熔點與厚的高級合金的弧焊、切割等都需要氦。

用氦制作的激光器，可測量月球與地球之間的距離，精度在15厘米內(nèi)。另外，氦具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性，因此，氦氣是壓力容器和真空系統(tǒng)最好的檢漏指示劑。氦還可應(yīng)用于食品保護(hù)，填充飛船及等離子，雷達(dá)探測和高空攝影等方面。

在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行的實驗效果更準(zhǔn)確

據(jù)日本《朝日新聞》2019年12月21日報道，日本氦氣完全依靠進(jìn)口。2020年短缺問題加劇，一大原因在于氦氣出口國美國的氦氣儲存量大幅減少。另外，美國近年加大了頁巖氣開發(fā)力度，而頁巖開發(fā)過程中，氦氣容易逃逸至大氣中，難以大量收集。

氦氣短缺問題波及了日本多個行業(yè)。例如東京迪士尼樂園已有數(shù)周不出售氦氣氣球，多家醫(yī)院優(yōu)先接受醫(yī)用氦氣供應(yīng)，導(dǎo)致部分科研項目受阻。日本物理學(xué)會和日本化學(xué)會曾聯(lián)合發(fā)布聲明，呼吁政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作，加大氦氣回收力度，建造大型氦氣儲存裝置。由此可見，人們的生活、工業(yè)、醫(yī)療和航空等領(lǐng)域中一刻也離不開稀有氣體。

與人類“相愛相殺”

氡氣是一種具有天然放射性的稀有氣體，是一種僅次于香煙、能導(dǎo)致肺癌的有害氣體，是世界衛(wèi)生組織（WHO）國際癌癥研究中心（IARC）公布的19種主要致癌物之一?？梢婋睂θ祟惖摹拔：Α敝?。

盡管放射性氡會對人類帶來危害，但事物都有兩面性，氡也在人類社會發(fā)展過程中起到了不可磨滅的作用：讓我們看一看氡的應(yīng)用。

一是在環(huán)境科學(xué)方面，一些科學(xué)家利用地下水中氡的濃度變化來預(yù)報地震;

二是醫(yī)療上的應(yīng)用，氡主要靠放射出來的各種射線起作用，一般有浴療、飲療和吸收法并用。氡進(jìn)入人體后，刺激人體功能促使皮膚血管收縮和擴(kuò)張，調(diào)整心血管功能。因此可以治療高血壓及某些心血管疾病等。

簡而言之，惰性氣體為人類提供了優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，讓人們生活更加美好。未來如果大家對惰性氣體元素有了更深入的了解，相信它們能給我們的生活帶來更大的便利。