惰性元素

因為它們在宏觀上都以氣體的形式存在，所以又叫“惰性氣體元素”。在惰性氣體元素的原子中，電子在各個電子層中的排列，剛好達到穩定數目。因此原子不容易失去或得到電子，也就很難與其它物質發生化學反應。很難與其它物質發生化學反應，也就是這些元素的 “惰性”所在。

週期表中零族元素有氦、氖、氬、氪、氙和氡一共六種，它們都是氣體。六種稀有氣體元素是在1894-1900年間陸續被發現的。發現稀有氣體的主要功績應歸於英國化學家萊姆賽（Ramsay W,1852-1916）。下面我們按元素髮現的先後順序，分別簡介這六種元素的發現經過。

早在1785年，英國著名科學家卡文迪什（Cavendish H,1731-1810）在研究空氣組成時，發現一個奇怪的現象。當時人們已經知道空氣中含有氮、氧、二氧化碳等，卡文迪什把空氣中的這些成分除盡後，發現還殘留少量氣體，這個現象當時並沒有引起化學家們應有的重視。誰也沒有想到，就在這少量氣體裏竟藏着一個化學元素家族。

100多年後，英國物理學家瑞利（Rayleigh J W S,1842-1919）在研究氮氣時發現從氮的化合物中分離出來的氮氣每升重1.2508g，而從空氣中分離出來的氮氣在相同情況下每升重1.2572g，這0.0064g的微小差別引起了瑞利的注意。他與化學家萊姆賽合作，把空氣中的氮氣和氧氣除去，用光譜分析鑑定剩餘氣體，終於在1894年發現了氬。由於氬和許多試劑都不發生反應，極不活潑，故被命名為Argon，即“不活潑”之意。中譯名為氬，化學符號為Ar ^[2]  。

早在1868年，法國天文學家簡森(Janssen P J C,1824-1907)在觀察日全蝕時，就曾在太陽光譜上觀察到一條黃線D，這和早已知道的鈉光譜的D1和D2兩條線不相同。同時，英國天文學家洛克耶爾(Lockyer J N,1836-1920)也觀測到這條黃線D。當時天文學家認為這條線只有太陽才有，並且還認為是一種金屬元素。所以洛克耶爾把這個元素取名為Helium，這是由兩個字拼起來的，helio是希臘文太陽神的意思，後綴-ium是指金屬元素而言。中譯名為氦。

1895年，萊姆賽和另一位英國化學家特拉弗斯(Travers M W,1872-1961)合作，在用硫酸處理瀝青鈾礦時，產生一種不活潑的氣體，用光譜鑑定為氦，證實了氦元素也是一種稀有氣體，這種元素地球上也有，並且是非金屬元素 ^[2]  。

氪Kr、氖Ne、氙Xe

由於氦和氬的性質非常相近，而且它們與週期系中已被發現的其它元素在性質上有很大差異，萊姆賽根據週期系的規律性，推測出氦和氬可能是另一族元素，在它們之間一定有一個性質和氦、氬相近的家族。果然，在1898年5月30日萊姆賽和特拉弗斯在大量液態空氣蒸發後的殘餘物中，用光譜分析首先發現了比氬重的氪，他們把它命名為Krypton，即隱藏之意。隱藏於空氣中多年才被發現。

1898年6月，萊姆賽和特拉弗斯在蒸發液態氬時收集了最先逸出的氣體，用光譜分析發現了比氬輕的氖。他們把它命名為neon，源自希臘詞neos，意為新，即從空氣中發現的新氣體。中譯名為氖。也就是氖燈裏的氣體

1898年7月12日，萊姆賽和特拉弗斯在分餾液態空氣，製得了氪和氖後，又把氪反覆地分次萃取，從其中又分出一種質量比氪更重的新氣體，他們把它命名為Xenon，源自希臘文xenos，意為陌生人，即為人們所生疏的氣體，因為它在空氣中的含量極少，僅佔總體積的一億分之八 ^[2]  。

氡是一種具有天然放射性的稀有氣體，它是鐳、釷和錒這些放射性元素在蜕變過程中的產物，因此，只有這些元素髮現後才有可能發現氡。

1899年，英國物理學家歐文斯(Owens R B)和盧瑟福(Rutherford E,1871-1937)在研究釷的放射性時發現釷射氣，即氡-220。1900年，德國人道恩(Dorn F E)在研究鐳的放射性時發現鐳射氣，即氡-222。1902年，德國人吉賽爾(Giesel F O,1852-1927)在錒的化合物中發現錒射氣，即氡-219。直到1908年，萊姆賽確定鐳射氣是一種新元素，和已發現的其它稀有氣體一樣，是一種化學惰性的稀有氣體元素。其它兩種射氣，是它的同位素。1923年國際化學會議上命名這種新元素為radon，中文音譯成氡，化學符號為Rn。

至此，氦、氖、氬、氪、氙、氡六種稀有氣體作為一個家族全被發現了，它們佔據了元素週期表零族的位置。這個位置相當特殊，在它前面是電負性最強的非金屬元素，在它後面是電負性最小的金屬活潑性最強的金屬元素。由於這六種氣體元素的化學惰性，很久以來，它們被稱為"惰性氣體"。

人類的認識是永無止境的，經過實踐的檢驗，理論的相對真理性會得到發展和完善。1962年，在加拿大工作的英國青年化學家巴特列特(Bartlett N,1932~)首先合成出第一個惰性氣體的化合物──六氟合鉑酸氙Xe[PtF6]，動搖了長期禁錮人們思想。"惰性氣體"也隨之改名"稀有氣體"。

由於稀有氣體無極性且相對分子質量較小，因而它們的分子間作用力非常弱，所以熔點和沸點非常低。它們在標準狀況下都是單原子氣體，甚至比一般固體元素原子量更大的氙、氡等也是這樣。氦與其它稀有氣體元素相比，具有一些獨特的性質：它的沸點和熔點低於其它任何已知的物質；它是唯一的一種表現出超流性的元素；它是唯一不能在標準狀況下冷卻凝固的元素-必須在0.95K（−272.200℃）的温度施加25個大氣壓（2,500kPa）的壓力，才能使它凝固。到氙為止的稀有氣體都有多個穩定的同位素，氡則沒有穩定同位素。它壽命最長的同位素222Rn的半衰期也只有3.8天，氡會衰變為氦和釙，最終衰變產物則是鉛。

稀有氣體原子像大部分族中的原子一樣，由於電子層數的增加，原子半徑隨着週期的增加而增加。原子的大小與影響物質的許多性質。例如，電離能隨着半徑的增加而減少，因為較重的稀有氣體中的價電子離核較遠，因此更容易脱離原子核的束縛。稀有氣體的電離能是每一個週期中最大的，這反映了它們的電子排布的穩定性，也導致了它們的化學性質不活潑。然而，有些較重的稀有氣體的電離能較小，足以與其它元素和分子相比。巴特利特正是看到了氙的第一電離能與氧分子相似，而嘗試用六氟化鉑來把氙氧化，因為六氟化鉑的氧化性非常強，足以把氧氣氧化。稀有氣體不能得到一個電子，而形成穩定的陰離子；也就是説，它們的電子親合能是負值

稀有氣體的宏觀物理性質主要來自原子之間的弱範德華力。原子之間的吸引力隨着原子大小的增加而增加，由於極化性的增加以及電離能的減少。這就是在第18族從上到下，原子半徑和原子間力增加，導致熔點、沸點、汽化熱和溶解度增加的原因。密度的增加則是由於原子序數的增加。

稀有氣體在標準狀況下幾乎是理想氣體，但它們與理想氣體狀態方程的偏差提供了分子間作用力的研究的重要線索。蘭納-瓊斯勢，通常用來模擬分子間的作用，由約翰·蘭納-瓊斯根據氬的實驗數據提出，那時量子力學還沒有發展到可以作為從第一性原理（即量子化學從頭計算）理解分子間作用力的工具。這些作用的理論分析變得易於處理，因為稀有氣體是單原子，且原子是球形，這意味着原子之間的作用與方向無關（各向同性）。

稀有氣體的化學性質是由它的原子結構所決定的。

除氦以外，稀有氣體原子的最外電子層都是由充滿的ns和np軌道組成的，它們都具有穩定的8電子構型。稀有氣體的電子親合勢都接近於零，與其它元素相比較，它們都有很高的電離勢。因此，稀有氣體原子在一般條件下不容易得到或失去電子而形成化學鍵。表現出化學性質很不活潑，不僅很難與其它元素化合，而且自身也是以單原子分子的形式存在，原子之間僅存在着微弱的範德華力（主要是色散力）。

稀有氣體的熔、沸點都很低，氦的沸點是所有單質中最低的。它們的蒸發熱和在水中的溶解度都很小，這些性質隨着原子序數的增加而逐漸升高。

稀有氣體的原子半徑都很大，在族中自上而下遞增。應該注意的是，這些半徑都是未成鍵的半徑，應該僅把它們與其它元素的範德華半徑進行對比，不能與共價或成鍵半徑進行對比。

氦是所有氣體中最難液化的，温度在2.2K以上的液氦是一種正常液態，具有一般液體的通性。温度在2.2K以下的液氦則是一種超流體，具有許多反常的性質。例如具有超導性、低粘滯性等。它的粘度變得為氫氣粘度的百分之一，並且這種液氦能沿着容器的內壁向上流動，再沿着容器的外壁往下慢慢流下來。這種現象對於研究和驗證量子理論很有意義。

稀有氣體廣泛應用到光學、冶金和醫學等領域中。例如：氦氖激光器、氬離子激光器等在國防和科研上有着廣泛的用途。氖在放電管內放射出美麗的紅光，加入一些汞蒸氣後又發射出藍光，所以，氖被廣泛用來製造霓虹燈。氙在電場的激發下能放出強烈的白光，高壓長弧氙燈經常用於電影攝影、舞台照明等。在冶金工業中，氬和氦的最大用途是為熔焊不鏽鋼等提供惰性氣氛。氪、氙和氡還能用於醫療上，氙燈能放出紫外線，氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。氦還被用來代替氫充填氣象氣球和飛船，由於它不燃燒，比氫安全得多。由於氦的沸點低，還被用於超低温技術 ^[2]  。

1962年，在加拿大工作的26歲的英國青年化學家N.Bartlett合成了第一個稀有氣體化合物Xe[PtF6]，引起了化學界的很大興趣和重視。許多化學家競相開展這方面的工作，先後陸續合成了多種“稀有氣體化合物”，促進了稀有氣體化學的發展。而“惰性氣體”一名也不再符合事實，故改稱了稀有氣體。