稀有气体的应用

稀有气体的应用

氦（He）氖（Ne）氩（Ar）氪（Kr）氙（Xe）氡（Rn）稀有气体，是由“零”族元素He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn六种元素组成的。稀有气体都是无色无臭的，并由单原子分子组成。由于稀有气体分子间的范德华引力很微弱，所以他们的熔点、沸点以及临界温度都很低，并随着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。在0℃时，100个体积的水中溶解一个体积的He，6个体积的Ar，50个体积的Rn。从稀有气体的原子结构来看，在它们的价电子层上都有2个或8个电子，为“稳定结构”。因而在化学性质上是极不活泼的，在一般的情况下不能彼此相化合，也不与其他元素相化合（但这并不是绝对的，见后面稀有元素化合物）。

将稀有气体的一些物理常数列表于下页：

由于稀有气体有着许多优良而宝贵的性质，所以它们在工农业生产中，国防建设中，科研事业中以及人们的日常生活中有着许多种的实际用途。

氦气He——氦很轻，是除氢以外最轻的元素。它的重量只有同体积空气的1/7。由于氦不象氢那样会燃烧，使用非常安全。因此人们便用氦气来代替氢气填充气球或飞艇的气囊。用氦气填装的飞艇的上升能力，大约等于同体积用氢气填装的飞艇的93%。氦最近还被人们混在塑料、人造丝、合成纤维中，制成非常轻盈的泡沫塑料、泡沫纤维。

氦又是极难溶于水的气体，100个体积的水在0℃时大约只能溶解1个体积的氦。在医学上，便利用氦的这一特性来防止“潜水病”。过去当潜水员潜入海底时，由于深海压力很大，吸进体内的空气中的氮气随着压力的增加大量溶解在血液中，而当潜水员出海时压力猛然下降，原先溶在血液中的氮气便纷纷跑了出来，以致使血管阻塞而造成死亡，这种病叫作“潜水病”，现在人们利用氦气与氧气混合，制成“人造空气”（79%的氦气，21%的氧气）来供给潜水员呼吸，由于氦在血液中溶解很少，因此，潜水员即使潜入海中100米以下，也不会再得“潜水病”。这种“人造空气”也常用来医治支气管气喘和窒息等病。因为它的密度只有空气的1/3，因此呼吸时要比吸空气轻松的多，可以减少病人的呼吸困难。

氦是最难液化的气体，曾被认为是“永久气体”，直到1908年才终于被液化。一方面它在-250℃节流膨胀时才自身开始冷却，另一方面它的临界温度最低，只有先用液氢预冷后才可以被液化。氦在-267.9℃以下才能变成液体，在-272.2℃以下才会变成“氦冰”。现在，在低温工业上，液氦常被用作冷却剂。

由于氦的性质与理想气体接近（绝对零度为-273.16℃），所以是精密气体温度计理想的填充材料。

氦具有极高的激发电势，在电子管工业上，常用氦作填充气体。也可用来作辉光灯、验极器，高压指示器等。

氦由于化学性质极不活泼，几乎不与别的元素相化合。在工业上焊接金属Mg、Al、T_i和不锈钢时作为保护气体，隔绝空气以防金属在焊接时被氧化。

氦在大气中的含量很少，按体积计算仅占百万分之五，但在天然气中含量较多，达2～6％。现在工业上大都是从天然气中来制取氦。

氖Ne——氖的导电性比空气大75倍。在放电管内，在电场的激发下，氖能射出红色的光，霓虹灯便是利用氖的这一特性制成的。在霓虹灯的两端，装着两个用Fe、Cu、Al或Ni制成的电极，灯管里装着氖气，一通电氖气受到电场的激发，放出红色的光。这种红光在空气中的透射性能很强，可以穿过浓雾，因此氖灯还常用在港口、机场、水陆交通线的标灯上。

氖在空气中的含量极少，1m³的空气中只含氖气18cm³。现在人们用分馏液态空气的方法制取氖。

氩Ar——氩也是无色气体，但比较重，在一个大气压和0℃时，1L氩重1.7837g，几乎比空气重50%。在电场的激发下，氩会发出浅蓝色的光，因此它被用来填充在霓虹灯管里。除了装氖和氩以外，还有的霓虹灯管里充进氦气，射出浅红色的光，有的充入水银蒸气射出绿紫色的光，也有的是装着He、Ne、Ar、Hg蒸气等四种气体（或者其中两种或三种）的混合物。由于各种气体的比例不同，便能得到五光十色的各种霓虹灯。

由于氩是空气中含量最多的一种稀有气体，比较易得，而氩的分子运动速率较小，导热性小，用含有15%的氩气充填电灯泡，耗费同样的电能而能发出更多的光，从而大大的延长灯泡的寿命和增加亮度。

在焊接金属时，常用氩作保护剂。特别是焊接一些活泼金属Mg、Al等，这样可以防止这些金属在高温时氧化。原子反应堆的核燃料钚，在空气中也可迅速氧化。同样需要在氩气保护下进行机械加工。现在我国许多工厂都已采用氩弧焊接技术。

工业上采用分馏液态空气得到氩气，在低温下使用铝酸钠作“分子筛”吸附氧而得纯度为99.996%的氩气。

氪Kr——氪气用来填充电离室以测量宇宙射线。

氙Xe——氙气在电场的激发下，能射出类似于太阳光的连续光谱，高压长弧氙灯就是利用这一特性制成的。氙灯是60年代才发展起来的新光源之一，这种灯的灯管是耐高温、耐高压的石英做成的。两端各装入一个钨电极，管内充入高压氙气，压强可达到几十个大气压。通电后，氙气受激发，射出强烈的白光，一盏六万W的氙灯的亮度，相当于九百只100支光的普通灯泡。高压长弧氙灯可用于电影摄影、舞台照明、放映、纺织和油漆工业的照光以及广场、运动场的照明用。一盏氙灯一般可照明1000多个h，氙灯能放出紫外线，因此在医疗上也得到应用。

氙也大量被用来填充光电管，利用在真空技术上，用氙制造的照相闪光灯，可以连续使用几千次。而普通的镁光灯只能使用一次。

在原子能工业上，氙可以用来检验高速粒子、γ粒子、介子等的存在，氙的同位素还可以代替X射线来探测金属内部的伤痕。

氙还具有一定的麻醉作用，它能溶于细胞汁的油脂中而引起细胞的膨胀和麻醉，从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾使用80%氙和20%的氧组成混合气体，作为无副作用的麻醉剂。

虽然氙是一种稀有气体，但在1962年首次人工合成了第一个具有化学键的化合物六氟铂酸氙XePtF₆以后，又先后合成了许多氙的化合物。1972年人们又合成了第一个氙与金属形成的新型化合物，为氙的使用开辟了新的途径。

氡Rn——氡是地壳中放射性元素铀和镭蜕变的产物，是气体元素中比重最大的一个元素，具有放射性。地壳中含有放射性元素的岩石总是不断地向四周扩散出它里面所形成的一部分氡气，因此地下水中总是多多少少含有一定量的氡气。强烈地震前，地应力活动加强，氡气不仅运移增强，含量也会异常变化。如果地下含水层在地应力的作用下发生形变，就会加速地下水的运动，增强氡气的扩散作用，引起氡气含量的增加。由于氡气有上述的特点，所以预报地震的效果较好。

为什么利用地下水中的含氡气的含量的变化可以预报地震呢？

1.氡气来自地下，来源单一，能真实反应地下的变化情况。

2.氡气不参与任何化学反应，能反应出它在水中溶解的真实含量。

3.氡气受到压力的影响时，由压力大的地方向压力小的地方迁移。

基于以上原因，所以测定地下水中氡气的含量有预报地震的较好效果。

稀有气体元素的化合物：

尽管稀有气体元素的原子具有特别稳定的结构，可是化学键的生成是多种多样的，这些原子的最外层电子并不能认为绝对没有构成化学键的可能。换句话说：辩证地从理论上来看，稀有气体元素决非绝对没有活动性。有人曾试用量子化学理论推测，稀有气体元素有生成化合物的可能，重要的问题是要找到适当的外因条件。

近二十多年来，人们曾系统地研究了稀有气体元素与别的物质的作用。1950年曾报导，苯二酚在40个大气压的氩、氪、氙中结晶，获得含有相应气态元素的晶体；在-130℃时氩可以与氟化硼相结合；氙可以生成水合物Xe.6H₂O等。但这都不是具有真正化学键的化合物，而仅仅是稀有气体借以分子间的范德华力相互作用被包结在晶体孔穴之中的“笼型物”。

1962年6月加拿大的英国年轻科学家制成了具有历史意义的第一个具有化学键的稀有气体元素的化合物。XePtF₆六氟铂酸氙，此物为黄色晶体Xe⁺[PtF₆]^-。在这之后又相继合成了许多种“真正的”稀有气体元素的化合物。到了1972年人工合成了第一个氙与金属形成的新型化合物。目前发现的稀有气体元素化合物的类型可分为五种：

1.XeMF₆型化合物[M=Pt.Ru.Rh]

2.氟化物：XeF₄、XeF₂、XeF₆、KrF₄

氟化氡（组成尚未确定，可能是RnF₂）

3.氧化物：XeO₃

4.氟氧化物：XeOF₃、XeOF₄

5.金属氙化物

以上稀有气体元素的化合物，他们的化学键基本上是属于共价键的性质，键长与键角的计算值与实验值相符合。例如XeF₂是直线型的；XeF₄的分子由4个氟原子以平面四方形连接在氙原子上。

选自《教学问题解答》

稀有气体的应用之一

　　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。

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。

稀有气体的应用之二

　　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伺，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。

氦是除氢以外最轻的气体，可以代替氢气装在飞船或气球里，不会着火和发生爆炸。

氦气还用来代替氮气作人造空气，供探海潜水员呼吸。探海潜水员不能用普通的空气呼吸，因为压强加大，气体的溶解度也加大，所以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。当潜水员上升体内逐渐恢复常压的时候，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”。氦在血液里的溶解度比氮小得多，用氦跟氧的混合气体（人造空气）代替普通的空气，就不会发生以上的现象。

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。

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。