稀有气体的发现和用途

二百多年前，人们已经知道，空气里除了少量的水蒸气、二氧化碳外，其余的就是氧气和氮气。 1785年，英国科学家卡文迪许②通过实验发现，把不含水蒸气、二氧化碳的空气除去氧气和氮气后，仍有很少量的残余气体存在。这种现象在当时并没有引起化学家的重视。一百多年后，英国物理学家雷利③测定氮气的密度时，发现从空气里分离出来的氮气每升质量是1.2572克，而从含氮物质制得的氮气每升质量是1.2505克。经多次测定，两者质量相差仍然是几毫克。可贵的是雷利没有忽视这种微小的差异，他怀疑从空气分离出来的氮气里含有没被发现的较重的气体。于是，他查阅了卡文迪许过去写的资料，并重新做了实验。1894年，他在除掉空气里的氧气和氮气以后，得到了很少量的极不活泼的气体。与此同时，雷利的朋友、英国化学家拉姆塞①用其它方法从空气里也得到了这样的气体。经过分析，判断该气体是一种新物质②。由于这气体极不活泼，所以命名为氩（拉丁文原意是“懒惰”）。 以后几年里，拉姆塞等人又陆续从空气里发现了氦气、氖气、氪气和氙气。 氦、氖、氩、氪、氙等气体总称稀有气体，这些气体都是没有颜色，没有气味的。过去，人们认为这些气体不跟其它物质发生化学反应，曾把它们叫做惰性气体。但随着科学技术的发展，已经发现，在一定的条件下，有些稀有气体也能跟某些物质发生化学反应，生成其它物质。 由于稀有气体的特殊性质，它在生产和科学研究中有广泛的应用。 人们利用稀有气体一般不跟其它物质发生化学反应的这种性质，在一些工业生产中，常常把它们用作保护气。例如，用电弧焊接火箭、飞机、轮船、导弹等用的不锈钢、铝或铝合金等时，可以用氩气来隔绝空气，防止金属在高温下跟其它物质起反应。还可以把氩气和氮气混合充入灯泡里，使灯泡经久耐用。 稀有气体在通电时会发出有色的光。因此，它们在电光源中有特殊的应用。灯管里充入氩气，通电时会发出紫蓝色光；充入氦气，通电时会发出粉红色光；充入氖气，通电时会发出红光，这种光能穿透浓雾，所以氖灯可用作航空、航海的指示灯。五光十色的霓虹灯就是利用稀有气体的这种性质制成的。在石英玻璃管里充入氙气的氙灯，通电时能发出比荧光灯强几万倍的强光，因此叫做“人造小太阳”。这种灯可用于广场、体育场、飞机场等的照明。 氖气、氪气、氙气还可用于激光技术等方面。氦气在原子反应堆技术中可用作冷却剂。作为麻醉剂，氙气在医学上也很受重视。

稀有气体的发现之一

 

1785年凯文迪西在空气中通入过量的氧气后用放电法使氮气变为氮的氧化物(NO2)，然后用碱吸收，剩余的氧气用红热的铜除去，即使全部的氮和氧除尽仍有少量的残余气体存在。英国物理学家雷莱在1892年发现从氮的化合物制得的氮气每L重1.2505g，而从空气中分离出来的氮气在相同条件下每L的质量为1.2572g，虽然两者之差只有几毫克，但已超出了实验的误差范围。他怀疑大气中的氮气中含有尚未发现的较重气体。雷莱使用凯文迪西的放电方法经多方面的试验才断定该气体为一种新元素。因为它极不活泼故命名为氩，原文是不活泼的意思。 

在此以前，1868年天文学家间孙研究光谱的实验中断定太阳上有一种在地球上尚未被发现的新元素，并命名为氦，氦的原文意义就是太阳。以后在1888~1890年间美国化学家赫列布莱得用硫酸处理一种铀矿时，获得一种不活泼的气体。在1895年用光谱实验证明了这种气体正好与太阳上的氦光谱相同。雷姆文应用了已发现的元素性质的变化规律预料在它们之间还有一种尚未发现的元素，他在几天之内在大量液态空气蒸发后的残余物中，首先发现了比氩重的氪（原字是隐藏的意思），然后分离出氖（原字是新的意思）。最后在分馏液体氩时又发现了氙（原字是陌生意思）。道纳在1900年在含镭的矿物中发现了氡（原字是射线的意思）。氦、氖、氩、氪、氙、氡由于它们在自然界中含量很稀少，故又称它们为稀有气体。

氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)六种稀有气体都是单原子分子组成，它们分子之间的作用力很微弱，所以它们的熔点、沸点以及临界温度都很低，并随着它们的相对相对原子质量的增加而增高。它们在水中的溶解度随着从氦到氡的顺序而迅速增加。这六种元素的原子，除氦（原子核外最外层上有2个电子）外，其它原子的核外最外电子层上电子数都是8个，这种结构又称为稳定结构。因此，在一般的情况下都不能彼此化合，也不与其他元素相化合（但这并不是绝对的）。

稀有气体的应用

　　随着工业生产和科学技术的发展，稀有气体越来越广泛地应用在工业、医学、尖端科学技术以至日常生活里。

　　利用稀有气体极不活动的化学性质，有的生产部门常用它们来作保护气。例如，在焊接精密零件或镁、铝等活泼金属，以及制造半导体晶体管的过程中，常用氩作保护气。原子能反应堆的核燃料钚，在空气里也会迅速氧化，也需要在氩气保护下进行机械加工。电灯泡里充氩气可以减少钨丝的气化和防止钨丝氧化，以延长灯泡的使用寿命。

　　稀有气体通电时会发光。世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的（霓虹灯的英文原意是“氖灯”）。氖灯射出的红光，在空气里透射力很强，可以穿过浓雾。因此，氖灯常用在机场、港口、水陆交通线的灯标上。灯管里充入氩气或氦气，通电时分别发出浅蓝色或淡红色光。有的灯管里充入了氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体（也有三种或两种的）的混合物。由于各种气体的相对含量不同，便制得五光十色的各种霓虹灯。人们常用的荧光灯，是在灯管里充入少量水银和氩气，并在内壁涂荧光物质（如卤磷酸钙）而制成的。通电时，管内因水银蒸气放电而产生紫外线，激发荧光物质，使它发出近似日光的可见光，所以又叫做日光灯。

　　利用稀有气体可以制成多种混合气体激光器。氦-氖激光器就是其中之一。氦氖混合气体被密封在一个特制的石英管中，在外界高频振荡器的激励下，混合气体的原子间发生非弹性碰撞，被激发的原子之间发生能量传递，进而产生电子跃迁，并发出与跃迁相对应的受激辐射波，近红外光。氦-氖激光器可应用于测量和通讯。

　　作为麻醉剂，氙气在医学上很受重视。氙能溶于细胞质的油脂里，引起细胞的麻醉和膨胀，从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙气和20%氧气组成的混合气体，作为无副作用的麻醉剂。

　　氙灯还具有高度的紫外光辐射，可用于医疗技术方面。氙能溶于细胞质的油脂里，引起细胞的麻醉和膨胀，从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体，作为无副作用的麻醉剂。在原子能工业上，氙可以用来检验高速粒子、粒子、介子等的存在。

　　氦气是除了氢气以外最轻的气体，可以代替氢气装在飞船里，不会着火和发生爆炸。液态氦的沸点为-269℃，利用液态氦可获得接近绝对零度(-273.15℃)的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气，供探海潜水员呼吸，因为在压强较大的深海里，用普通空气呼吸，会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升，体内逐渐恢复常压时，溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡，对微血管起阻塞作用，引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多，用氦跟氧的混合气体（人造空气）代替普通空气，就不会发生上述现象。　 

　　利用液态氦可获得接近绝对零度(-273.15℃)的低温。

　　氩气经高能的宇宙射线照射后会发生电离。利用这个原理，可以在人造地球卫星里设置充有氩气的计数器。当人造卫星在宇宙空间飞行时，氩气受到宇宙射线的照射。照射得越厉害，氩气发生电离也越强烈。卫星上的无线电机把这些电离信号自动地送回地球，人们就可根据信号的大小来判定空间宇宙辐射带的位置和强度。

　　氪能吸收X射线，可用作X射线工作时的遮光材料。

为什么把惰性气体改称稀有气体？它们有哪些应用？
1991年，全国自然科学名词审定员会公布的《化学名词》中正式规定，把惰性气体改称为稀有气体。其理由在于惰性气体的“惰性”是相对的。这里的“惰性”指的是惰性气体都是由最外层有八个电子（氦最外层两个电子已排满）的稳定结构的单原子构成。因此，长期以来人们一直认为惰性气体不可能与其它物质反应生成化合物。但事实并非如此，1962年英国化学家巴特利特（Bartlett）通过实验，得到了惰性气体的第一个化合物六氟铂酸氙（XePtF6）。以后人们又陆续制得了二氟化氙、四氟化氙、二氟化氪等等。但到现在为止，还没有制得氩、氖、氦的化合物，人们对稀有气体的研究还在继续进行。
尽管稀有气体很不活泼，但是，它们依然在工业、医学、尖端科学及日常生活中发挥着它们的特长：
1．利用稀有气体极不活泼的化学性质，在生产中做保护气。例如，在电灯泡内充入氮氩混合气体可减少钨丝的损坏，延长灯泡的使用寿命。除此以外，在半导体工业、原子反应堆的机械加工中以及制造飞机、火箭等工艺中都需用稀有气体做保护气。
2．利用稀有气体在通电时会发出有色光的性质，在电光源中有特殊的应用。例如，五光十色的霓红灯就是充入了不同比例的氖气、氩气、氦气的缘故。氖灯透雾性强，用于做码头、机场的灯标；氙灯发光强度高，被誉为“人造小太阳”。
3．氦气代替氢气填充气球或飞艇不会发生爆炸。
4．用稀有气体制成多种混合气体激光器，应用于测量和通讯。
5．用氦气代替氮气跟氧气混合成“人造空气”供潜水员呼吸，不会发生“气塞症”。
6．医学上应用氙气做麻醉剂。
稀有气体的应用十分广泛，人们还在不断研究探索，相信稀有气体还会发挥出更大作用。

辉光放电是低气压下的气体放电。放电管中的残余正离子在极间电场的作用下被加速，于是得到足够的动能撞击阴极而产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使得气体导电。因此放电管两极间所需电压较高，一般都在10千伏以上，但辉光放电的电流很小，温度不高。

玻璃管的两端封入两只电极，一只做成圆片形，使用时接至电源的阴极，另一端为柱状电极，接电源的阳极。用抽气机不断抽出管内空气，使气压分别下降到如图中所示（自上而下）；当管内气压为40和6毫米汞柱时，管内放电为蓝色和紫色带状光柱；当管内气压为3毫米汞柱时，气体放电的辉光变为淡桃红色，并出现特有的暗区和亮区；气压再低到0．14毫米汞柱时，阳极辉柱辉光减弱，并出现明暗相间的辉纹；最后，气压为0．03毫米汞柱时，辉光已很弱而玻璃壁上出现荧光。可见辉光随气压条件的变化有所不同。辉光放电的主要应用是利用其发光效应，如霓虹灯（管内充以不同气体）、日光灯等。

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。


氩Ar


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。


氦He


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。


氪Kr、氖Ne、氙Xe


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。也就是现在氖灯里的气体。


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Rn


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"。

稀有气体的性质


 


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。


稀有气体的用途


 


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。

 

       1．空气

       是混合物，组成：N₂  78%，O₂  21%，稀有气体  0.94%，CO₂  0.03%，水蒸气和灰尘  0.03%。

       平均相对分子质量：29；密度：1.29 g / L。

       性质：无色、无味气体，加压、降温可转变成淡蓝色液体，还可变成淡蓝色雪花状固体。

 

       2．稀有气体

       位置：0族。

       结构：He为2电子结构，其余为8电子结构。单原子分子，属于分子晶体。其原子半径在短周期中比碱金属大，在长周期中比碱金属小。

       性质：无色、无味气体，难溶于水，熔、沸点低。化学性质一般不活泼。

       用途：① 作保护气(Ar用于电弧焊，Ar、He混合气充入灯泡)；② 作电光源(发有色光和强光)；③He和O2混合制人造空气，潜水用；He充气球、气艇，原子反应堆中作冷却剂；④Ne、Kr、Xe用于激光，Xe作麻醉剂。

 

       3．水

       组成：H₂O。氢氧的物质的量之比为2∶1，质量比为1∶8。

       结构：极性键，极性分子，键角：104.5°。

       性质；稳定。

       水化、水合、水解。

       水作催化剂。在许多反应中，水可催化剂，如在非常干燥的情况下，氯气和金属不能化合；氟化氢不能腐蚀玻璃；爆呜气在加热到1000℃时还不爆炸。平常这些反应都能迅速进行，这是微量水蒸气存在的缘故；又如滴水生紫烟：2Al＋3I₂ 2AlI₃＋Q。

       水作氧化剂、作还原剂，既作氧化剂又作还原剂，既不作氧化剂又不作还原剂。

       水是极弱的电解质，在常温下，1 L (55.6 mol) 水中有1×10^－7 mol水分子发生电离，电离度为1.8×10^－7%，水的离子积为1×10^－14，100℃时，水的离子积为1×10^－12。

       4℃时，水的密度最小，为1 g / cm³。

       水的净化和水的软化：水的净化是指除去水中混有的杂质，如用过滤除去泥沙，用净水剂明矾使水中的胶体颗粒凝聚而除去。这是物理法。(除悬浮杂质)水的软化是用化学方法除去水中的Ca²⁺、Mg²⁺，是水净化的深入。二者都是提高水质的重要手段。

    例1．取适量干燥的锌粉和碘粉，小心地混和后未观察到明显的现象，当滴加少量水后，则有紫色气体出现，由此可得出结论__________________。（1991年西安市竞赛题）

    答案：水是催化剂。

例2．取2 g干燥铝粉和3 g碘粉小心混匀，分为四堆，往堆上分别各加0.5 g水，1 g明矾，1 g胆矾，1 g无水CuSO₄。加水那堆首先冒火花，发生剧烈反应，其次发生反应的是加明矾的那一堆；再次是加胆矾的发生反应，而加无水CuSO₄的那一堆最难发生反应。

    ① 铝和碘反应的化学方程式为________________________________，

    ② 铝和碘反应还可以看到____________________________________，

    ③ 四堆混和物发生反应的先后顺序说明________________________。

          （1987年全国竞赛题）

答案：⑴ 2Al＋3I₂ 2AlI₃

⑵ 紫色蒸气

    ⑶ 水是催化剂，明矾比蓝矾易失水

例3．非金属卤化物能剧烈地发生水解反应，如：PBr₃＋3H₂O ＝H₃PO₃＋3HBr↑。有人利用此反应原理制备少量的碘化氢。制备时直接把水逐滴地滴在磷和碘的混合物上即可连续地产生HI。试写出此反应的化学方程式：_______________________________________。

答案：2P＋3I₂＋6H₂O ＝2H₃PO₃＋6HI↑

 

       4．氢气  H₂

       (1)天然氢元素中，²H占0.015%，¹H占99.985%。一吨海水中就有30 g氘。1 kg氘和氚发生聚变反应时放出的能量，比相同重量的铀的裂变能高8倍以上。地球上的海水有1.37×10¹⁸ t，其中含氘约30万亿吨，顶得上三万亿亿吨优质煤，即便是以后全世界的能源消耗比现在高一百倍，那也够人类享用几亿年。

(2)物理性质：无色无嗅气体，密度最小(0.899 g / L)，沸点很低，难溶于水。

       (3)化学性质：

可燃性：2H₂＋O₂ 2H₂O(氢、氧混合点火会爆炸，在空气中混入4—7.2%体积的氢，      是爆炸极限。两体积氢和一体积氧的混合气体叫“爆呜气”。)

还原性：加热时表现还原性，可作还原剂。

    3H＋WO₃ W＋3H₂O      H₂＋CuO Cu＋H₂O

与非金属形成气态氢化物：

    2H₂＋Br₂ 2HBr

       氢气与非金属单质反应：即使在温度低到-250℃时，H₂也能同液态F₂或固体单质F₂反应。在低温下，H₂与其它单质卤素或O₂不发生反应。在暗处，H₂和Br₂的混合物要在高于400℃才会发生爆炸性化合反应；H₂和I₂要在500℃以上才发生反应。H₂与S或Se在250℃时直接化合。H₂与N₂仅在有催化剂存在时才发生反应。引发电弧时，石墨电极与H₂可直接生成烃类。

       非金属气态氢化物极性共价化合物，一般具有还原性；在周期表中ⅥA—ⅦA除水外，其余的水溶液为酸。

       非金属气态氢化物的稳定性

       HF、H₂O加热到2000℃也不分解，HCl加热到2000℃时也只有0.8%分解，600K时HCl有1.5×10^-6 %分解，HBr有10^-3 %分解，HI有19%分解。

 

                     在1000℃时分解百分率                  分解温度

       HF          不分解                  H₂O   1000℃很难分解

       HCl         0.014%                  H₂S      300℃

       HBr         0.5%                    H₂Se     250℃

       HI          33%                     H₂Te      0℃

       氢气与金属氧化物反应

       Mn和活泼性顺序中Mn以后的金属氧化物，都可以在加热下被H₂还原，由高价氧化物还原成低价氧化物，最后还原成金属。例如：

       3Fe₂O₃＋H₂ 2Fe₃O₄＋H₂O             ＜325℃

       Fe₂O₃＋3H₂ 2Fe＋3H₂O               ＞325℃

       Fe₃O₄＋4H₂ 3Fe＋4H₂O               ＞325℃

       上述反应证明H₂比CO或CO＋Ｈ₂是Fe₂O₃更有效的还原剂。

       金属固态氢化物是离子化合物，氢为－1价。能与水反应产生氢气，如CaH₂是野外制氢的好材料。CaH₂＋2H₂O＝Ca(OH)₂＋H₂­。

    例1．对于反应H^－＋NH₃ ＝H₂＋ 的正确说法是                      (  BD )

    A. 属于置换反应                    B. H^－是还原剂

    C. NH₃是还原剂                    D. 氧化产物和还原产物都是H^－

       (4)氢的特殊性：

       氢原子核外只有1个电子，只有一个电子层。

       普通氢原子核内无中子。

       氢离子没有电子，相当于裸露的质子。

氢原子半径最小的。

       氢最轻的元素，氢气的密度最小，是最轻的气体。

       氢负离子是唯一一个带负电荷的氦型离子。

       (5)氢气的制取

       实验室里制取氢气，采用不纯的锌粒与稀硫酸或稀盐酸反应来制取。

Zn＋2HCl＝ZnCl₂＋H₂­

Zn＋H₂SO₄＝ZnSO₄＋H₂­

       如果用铝跟氢氧化钠溶液反应制得较纯的氢气。

       2Al＋2NaOH＋2H₂O＝2NaAlO₂＋3H₂↑

       在野外还可以用金属氢化物与水反应来快速生氢。

       CaH₂＋2H₂O＝Ca(OH)₂＋2H₂↑

       可用启普发生器制取氢气，用排水法或向下排空气法收集氢气。

　　俗称惰性气体，包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)，故又称氦族气体。无色、无臭、无味，微溶于水，在地壳和大气层中含量很少，除氡外都可作为工业气体由空气分离而制得。通常具有化学惰性，但近年来已能制得氙、氪、氡的一些具有一定稳定性的化合物。
　　生产方法 　稀有气体的制取按原料来源不同分为五种。①用深度冷冻法，由空气分离装置中制取。氩是由双级精馏塔上塔中部抽出的富氩馏分，氦、氖可由冷凝蒸发器上部抽出的不凝性气体，氪、氙在上塔底部提馏塔提出馏分，再经精馏分离而得。②由天然气提取氦。利用液态甲烷、液态氮提供低温，采用冷凝法在氦精馏塔获得粗氦（见天然气深冷分离）。③由合成氨弛放气提取。除去氨净化后的尾气，经精馏和吸收，分离氢、氮、甲烷，然后可进一步分离获得氩、氦、氖、氪、氙。④由核反应堆的裂变气中提取氪和氙。先除去氮氧化物，使混合气通过氟利昂溶剂提取氪和氙。⑤从镭盐中提取氡。将镭盐溶于水后，其逸出的气体中含有氡，经冷凝并抽去杂质而获得。
　　用途 　稀有气体用途广泛：①灯泡充气，各种惰性气体充入霓虹灯管中，放电时可呈现不同的颜色。氩气具有高密度、低热导率及化学惰性，可填充普通灯泡和日光灯泡。氩-氦混合气可充入白炽灯内，以增加灯泡亮度和使用寿命。电子管、辐射计数器、测量宇宙辐射的电离室中也需充入氩气或氖气，充有低压氖气的二极辉光放电管常用于电子电路中。氙气具有极高的发光强度，在照明中用作充气光电管、闪光灯、高压灯。氙高压灯具有高强度紫外光辐射，可用于医疗。②金属焊接和切割，镁、铝、锆、钛等金属和合金钢等在焊接时，以氩气或氦气形成气体屏蔽，使其不受氧化或氢化，达到优良的焊接效果。氩-氢弧能达到近10000°C的高温，可用于切割高镍钢等金属材料。③用作保护气，在锆、钛等金属冶炼和硅等半导体精炼时，用氦气或氩气作保护气体。不锈钢常用氧-氩脱碳法生产，氩气既是控制温度的稀释剂，又是清除气体的脱气剂。氦气、氩气也可用作原子核反应堆和加速器的保护气体。④用于航天器，氦气是在液氢燃料火箭中唯一不会被液化的气体，可用于液体推进剂的加压气体。⑤制备呼吸气，氦-氧混合气用于潜水作业，可避免潜水病。⑥氦气用于灌装气艇、气球，提供浮力，具有安全性。⑦用于气体激光器，如氦-氖激光发生器，能量由氦传递给激光气。⑧用于色谱分析，氩气、氦气常用作载气。⑨用作低温源，液氦是最冷的物质，使其蒸发后温度达1～1.2K，可在低温物理中应用。液氦提供的低温使超导介质得以实际应用（见彩图）。⑩ 氩-氢混合气作等离子体，温度可达5000～20000°C，可用于磁流体发电。(11)吸收X射线，氪可作X射线的遮光材料。



　　目前，氩气、氦气、氖气及氪气从少量的副产品成为专门生产的工业气体。高压惰性气体一般装入钢瓶运送，量大时也可用绝热槽车装运。 

1-1氢的存在与物理性质　

　氢是太阳大气的主要成分，原子百分数计氢占81.75％。氢是太阳发生热核反应的主要原料。氢在地壳（包括大气、水、岩石圈）中的含量，以原子百分数计占17％；以质量百分数计则约占1％。氢分布十分广泛。自然界中，氢主要以化合态存在，只在天然气等少数物质中有少量单质氢存在。

　　质量是1.007825amu、2.014102amu及3.01605amu。这三种同位素质量间的差别比其它元素的同位素间差别都要大，因而导致了氢的单质（H₂、D₂）间在某些物理性质方面（如相变热、蒸气压等）有明显的区别。在化学性质方面因核外都是一个电子，所以基本相同，不过在反应速度和化学平衡上会有些差别。

　　
　　　　　　　　　　　　
　　
　

1-2氢的化学性质与氢化物

一.成键特征：价电子层构型为1S⁴，电负性2.2。

1.失去价电子：

2.获得一个电子：当氢原子同电负性很小的活泼金属原子化合时，它将获取一个电子变成1s²电子构型，即氢成为氢负离子（H^-）。这个负离子有较大的离子半径（208pm），因而仅能存在于离子型氢化物的晶体中，而不能形成水合离子。

3.形成一个电子对键：当氢原子同电负性不太大的非金属元素的原子化合时，将共用电子对形成共价单键。

4.独特的键型：

（1）氢原子可以镶嵌到许多过渡金属的晶格空隙之中，形成一类非整比化合物，一般称为金属型或过渡型氢化物如LaH2.87。

（2）氢桥键，例如在缺电子化合物B₂H₆和某些过渡金属配合物中均存在着氢桥键。

（3）氢键：在含有强极性键的共价氢化物中，具有强正电场的氢原子可以吸引邻近的电负性较大、半径较小的原子上的孤对电子，形成分子间或分子内氢键（氢键内容已在第三章“化学键和分子结构”中做过详细介绍）。

二. 氢的化学性质：氢分子由于H—H键能较高（432kJ/mol），不易发生解离，因此常温下，氢气表现出较大的化学稳定性，但加热时氢能参加许多化学反应。

1.原子氢除易于互相结合成分子以外，还容易和其它原子相互结合，呈现出比分子氢强的还原性。如原子氢能直接同Ge、Sn、As、Sb、S等直接化合生成氢化物。

As+3H=AsH₃

CuCl₂+2H=Cu+2HCl

BaSO₄+8H=BaS+4H₂O

2.氢可以和Ⅰ_A族Ⅱ_A族（除Be，Mg）活泼金属相互反应，生成离子型氢化物。在离子型氢化物中，氢接受电子生成负一价氢离子，显示氢的氧化性。

3.加合反应：在适当温度及催化剂的条件下，氢可以和一氧化碳合成一系列有机化合物（如生成甲醇、烃类等）。氢也可以使不饱和碳氢化合物加氢，转变成饱和碳氢化合物。

2H₂+CO=CH₃OH

CH≡CH + H₂→CH₂=CH₂

4.氢与某些金属生成金属型氢化物：氢气可以与某些金属反应生成一类外观似金属的金属型氢化物，这类氢化物中，氢与金属的比值有的是整数比：如BeH₂、MgH₂、CoH₂、CrH3、UH₃、CuH。有的是非整数比，如VH_0.56、TaH_0.76、ZrH_1.92、LaH_2.87等。

5.H₂的检验：PdCl₂(aq) + H₂ --- Pd(s) + 2HCl(aq)

三. 氢化物：　除稀有气体以外，其它元素几乎都能同氢形成氢化物。根据与氢相化合的元素电负性不同，生成氢化物的类型可划分如表所示。

四、氢能源简介(自学阅读)

　

 

 

[课题二] 第二节稀有气体

[教学目的]

1．了解稀有气体的发现史，从而启迪科学研究的作风。

2．了解稀有气体的性质、用途、存在和从空气中分离出它们的方法。

3．掌握用VSEPR理论判断稀有气体化合物的结构。

 [重点和难点]

用VSEPR理论判断稀有气体化合物的结构。

[课时安排]1学时

[教学方法与媒体]讲解与多媒体展示相结合

[教学过程]

[板书]13-2 稀有气体

2-1 稀有气体的发现（自学阅读）

2-2 稀有气体的性质和用途

一.稀有气体元素的基本性质列于表

Δ指范德华半径。在通常条件下，稀有气体元素的化学性质是很不活泼的，乃致长期被称为“惰性”气体。

　　

稀有气体的某些物理性质。

　由于色散力很弱，所以它们的熔、沸点等都很低。稀有气体都较难液化，但一经液化后，再稍加冷却就将固化，常压下，只要低于它们的沸点3～6K(氦气除外)，就都能凝固。氦的沸点(4.25K)是已知物质中最低的。

　　液态氦很奇怪，低于2.182K的液态称为He－Ⅱ；高于2.182K的液态称为He－Ⅰ。两种液态性质迥然不同：He－Ⅰ具有普通液体性质，He－Ⅱ的许多性质就特殊了，如粘度几乎为零，热传导性比金属铜大800倍；成为一种超导体(电阻几乎为零)，张力、压缩性也都反常，这种液体还能沿着容器的器壁向上流动。　　　

2-3稀有气体的分离

　　空气是获取稀有气体的原料，除氦外的氖、氩、氪、氙主要都来自空气。利用液态空气中各成分沸点不同和活性炭在低温的选择性吸附，可以分离出稀有气体。液态空气主要是氮(沸点75K)、氩(沸点87.5K)和氧(沸点90K)的混合物，控温分级蒸馏可得到以氮气为主的低沸点和以氩气为主的中沸点馏份，留下的液态主要成分是氧。将氩气为主的馏份分别用氢氧化钠、赤热的铜丝和灼热的镁屑处理，除去其中所含的氧气、氮气等，剩余的气体即为较纯的氩气；将以氮气为主的馏份(含有沸点为27.3K的氖)，除再次液化蒸馏外，将蒸馏出来的气体再低温液化，最后用活性炭可将氖气吸附出来；在液氧中，含有高沸点的氪和氙，仍用蒸馏法除去大部分氧气，然后用活性炭在不同的低温下选择性吸附出氪和氙，从而达到分离的目的。

2-4稀有气体的化合物

　　1962年，在加拿大工作的英国年青化学家巴特列(Bartlett，N．)，当他用氧化性很强的六氟化铂(PtF₆)与氧分子反应成功地得到一种新的ol和氙分子的第一电离势(Xe——e→Xe⁺)1170kJ/mol几乎相同的事实，就把PtF₆和Xe在室温下等体积混合，结果看到它们立即反应，生成一种橙黄色的晶体，经X射线分析证明该晶体是Xe[PtF₆]。这是稀有气体的第一个真正以化学键结合的化合物，同年六月巴特列发表了制成六氟合铂酸氙的简报，震惊了全世界化学界。

一. 稀有气体主要化合物

1.氙的主要化合物

　

　　

它们都和水发生水解反应：

　　2XeF₂+2H₂O==2Xe+O₂+4HF

　　6XeF₄+12H₂O==4Xe+2XeO₃+3O₂+24HF

　　XeF₆+H₂O==XeOF₄+2HF(部分水解)

　　XeF₆+3H₂O==XeO₃+6HF(大量水，完全水解)

2．氙的含氧化合物：氙的含氧化合物包括氧化物、含氧酸及其盐，并有Xe(Ⅵ)和Xe(Ⅷ)的不同。

(1)XeO₃和XeO₄这两种氧化物的制法是：

　　6XeF₄+12H₂O==2XeO₃+4Xe+3O₂+24HF

　　Na₄XeO₆+2H₂SO₄(浓)==XeO₄+2Na₂SO₄+2H₂O

XeO₃在水中以分子形式存在，稳定、不导电，是强氧化剂。　

　 　XeO₃+2NH₃==Xe+N₂+3H₂O　　

固态XeO₃经摩擦、挤压都将发生爆炸性分解：

2XeO₃==2Xe+3O₂

　　因此，使用XeO₃时，应特别小心。

　　XeO₄不稳定。固态甚至在233K时发生爆炸性分解：

XeO₄==Xe+2O₂

二.稀有气体化合物的结构：价层电子对互斥理论(VSEPR)：用电子对互斥理论来预测稀有气体化合物的结构是很成功的，特别是当多种结构出现时，哪一种是稳定结构，这个理论的回答与事实基本符合。

　　

　　

 

稀有气体在分离塔中的分布：

氖、氦、氪、氙和氧、氮的沸点不同，它在液体空气中的数量也不同，因此在精馏塔中它们汇集在不同的部位中。氖、氦气的沸点较氮低得多（氖-245.9 ℃，氦-268.9 ℃），当液体空气进入下塔在精馏过程中，大部分氖、氦和氮混合进入冷凝蒸发器管内，氮气冷凝后沿着管壁流下，但氖、氦气不能冷凝，因而汇集在冷凝器的顶部，从液体空气中提取氖、氦气从这里引出。氪、氙的沸点高（氪-151.7 ℃，氙-109.1 ℃），当液体空气进入下塔以后，氪、氙均冷凝在底部的液空中，经节流后送入上塔，汇集在液氧中和氧气中，从空分塔取氪、氙混合物，一般从氧气中取得。

氩在液体空气中含量为0.932%，由于氩的沸点介于氧、氮之间，在上塔中，氩气对于氧是易蒸发的组分，对于氮是不易蒸发的组分，因此在上塔中部地区的氩富集区，可抽气（含氩8～9%）进行提纯。

氩的物理性质及用途：

氩气也是目前工业上一种重要的工业气体，它在工业、科学研究和国防工业上得到广泛的应用。

氩是稀有气体，无色，不活泼，不能燃烧，也不支持燃烧。

由于氩气具有惰性、光通量大、导热性小等性质，所以广泛地在灯泡照明及电子工业中得到应用。

氩气在飞机制造、造船、原子能工业和机械制造工业方面应用也很普遍，特别是用作铝、镁、铬、镍等合金焊接的保护气。

现代工业的发展，对氩气的需要量大大增长，氩气最大消耗是用在金属冶炼上，用氩气作为单晶硅、钛、钨等稀有金属及特种钢材的冶炼保护气体。最近发展可以用氩来炼钢。

氩气的主要来源有空气、天然气和合成氨尾气。氩在空气中的含量为0.932%，从空气液化分离的副产品中提取氩，是当前生产氩的主要方法之一。为了大量而又经济地提取氩气，现在也有从氩含量7～8%的合成氨尾气中来提取氩。

氦的物理性质：

氦是一种重要工业气体，它在工业、科学研究和国防工业上有着重要的用途。

由于氦的沸点很低（-268.9℃），是低温工程中最理想的致冷剂，在负压液氦的温度下，绝热退磁可达接近绝对零度的低温，随着科学技术的发展，氦除在色谱分析中作为载气外，还用于等离子工业、气体激光器、超导雷达探测及摄影等尖端技术方面。

利用氦具有很强的扩散性，氦可用为压力容器和真空系统的检漏指示剂。另外，将氦气和氧气配成混合气，可供深海潜水人员的呼吸，避免昏眩及智力丧失，以保证潜水人员在深海中的正常工作。

另外，利用氦的惰性和良好的导热性，氦可作为高级合金的焊接、切割和冶炼钛、铑、硅等时的保护气体，同时在气冷或原子能反应堆中可用氦作为载热体，在火箭和导弹中作为燃料的压送剂。

氦元素是在1868年日全蚀时在太阳的日珥上偶然发现的，因此以前把氦称为“太阳物质”。氦在希腊文里就是“太阳”的意思。过了27年（1895年）才在地球上从钇铀矿里找到了氦。直到1908年才第一次成功地将氦液化。

一般说氦的来源有：空气、天然气、含放射性元素矿石及某些矿泉水中。目前工业规模的提氦来源有两个：一是从空气中；二是从含氦的天然气中。但是由于液体空气中含氦很少（5ppm左右），只能作为空气液化分离的副产品，要大量提取氦，目前几乎全部是用含有氦的天然气进行分离的。1 m³氦气仅占有1 ppm

普通氦气在常压下的密度是0.1785 kg/m³（0 ℃），其液体是一种容易流动的无色液体。

氖的物理性质：

氖是低沸点的稀有气体，在液体空气中的含量只占0.0018%（体积），同体积液体蒸发时，从液氖获得的冷量比从液氢所获得的冷量多2.3倍，用将液氖上部抽空的方法，很易使液氖变成固态，因为三相点温度比标准沸点只低2.7 ℃，利用熔化潜热可使氖有效产冷量增20%。

氖的最大优点是具有惰性，因而氖的液化和在冷却系统中应用都十分安全。通常用氖作为低温试验室的安全冷却剂（-245.89℃）。氖的另一方面用途是作指示灯的光源，纯氖在真空下通电能发红光，这是与别的稀有气体所不同的。而红光透视力较强，因此用作港口、机场和水陆交通线的灯标，把氖和氩混合充进霓虹灯管能产生美丽的蓝光。氖还用于充填萤光灯、水银灯、钠蒸气灯及电压保护装置的灯泡等。

近年来，氖还被用于研究基本粒子轨迹的火花室中作充填介质。

氪的物理性质：氪气和氙气是空气中最稀有而贵重的气体，它们在空气中的含量分别为：0.0001139%和0.0000086%，含量极稀，提取困难，售价昂贵，曾被称为“黄金气体”。氪氙混合气充填电子管和灯泡，比相同功率的氩气灯泡省电20～25%，寿命可延长2～3倍，发光率可以提高，而体积可大大缩小。

氪气可充填高级电子管，实验室用的连续紫外光灯。测量宇宙辐射时用氪来充填游离室，还可以用于制成不需要电能的原子灯。氪灯的透射率特别高，因而可用于夜战中越野战车上的灯光。

氙的物理性质：氙气是空气中五种稀有气体里含量最少的一种。其含量仅为0.0000086%。但它的相对原子质量和发光强度，在五种稀有气体中却为最大，因而氙比氪更为重要。氙的发光强度能超过太阳光的发光强度。一只300W的长弧氙灯，其亮度就像一个“小太阳”。

利用氙气的极高的发光强度可用于充填闪光管、闪光电灯以及有雾航空的导航灯。高压氙灯还具有高度的紫外光辐射，可用于医疗杀菌消毒。将氙与20%的氧气混合使用，可作无副作用的深度麻醉剂；氙在激光器装置中做重要的受激光源等。

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稀有气体的发现和用途
二百多年前，人们已经知道，空气里除了少量的水蒸气、二氧化碳外，其余的就是氧气和氮气。
1785年，英国科学家卡文迪许②通过实验发现，把不含水蒸气、二氧化碳的空气除去氧气和氮气...
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