元素系列4元素中的贵族下

千姿百态的物质世界不过由多种元素构成。每一种元素都有独特的个性,在化学变化中扮演着不可或缺的角色。前天,我们采访了氢妹妹。今天呢,让我们跟着凯米魔坊进入元素的丛林,继续拜访那些元素中的“贵族”元素-----稀有气体元素。

今天呢,我们就来瞧瞧它们都在我们的生活中扮演了怎么样的角色吧

同样,我们先从氦开始我们的拜访。

氦气是所有气体中最难液化的,沸点仅为4.22K。(开尔文K,以-.15℃为0K。4.22K即为-.93℃)

因为液氦温度如此之低,所以液氦就经常用作超导体的冷却液

欧洲强子对撞机的加速器

上图所示的管道里放着大型超导磁铁,这些超导磁铁会将粒子不断加速。而为了这些超导磁铁能够正常工作,里面注入了大量液氦进行降温。

氦气不仅仅是最难液化的气体,也是唯一一种不能在标准大气压下固化的物质

由于氦气密度小,而且不易燃,因此它可用于填充飞艇、气球、温度计、电子管、潜水服等。而且氦气既有和其他稀有气体一样的基本不与其他物质反应的傲娇性格,又储量丰富,所以经常用作冶炼和焊接时的保护气体。

氦气飞艇

关于氦气有一个比较有趣的实验,那就是吸入氦气可以让自己的声音变得很尖锐。因为同条件下氦气中声速差不多为空气的三倍,这会改变人的声带的共振态,于是使得吸入氦气的人说话的声音的频率变高。与吸入六氟化硫后声音变粗正好相反。这种现象经常被错误地解释为音速的提高直接导致声音频率的增加,或者氦气使得声带振动变快。

但是需要注意的是,如果大量吸入氦气,会造成缺氧,严重的甚至会死亡。(千万不要轻易尝试!)

接下来我们去看看位于第三周期的氖。

氖在稀有气体中是第二轻的,而且它有一个特征,在加上同样的电压或通过同样的电流情况下,氖的放光是最强烈的。同时氖在很小的电流情况下也会被激发,发出橙红色的光芒,所以测电笔灯泡中经常填充氖气。

虽然这张图昨天贴过了.......

日常生活中的霓虹灯主要利用的就是氖气,它在通电时会发出一种流行的橙色光,当然如果加入其他的一些物质,也可以发出其他颜色的光。

霓虹灯

稀有气体不一定是特别稀有。氩气占大气体积的0.93%,是地球大气中含量第三多的气体,含量甚至超过二氧化碳,所以理所当然的成为在大气中含量最多的稀有气体。空气通过液化分馏后,再冷凝可以得到液氮和液氧,而氩是空气液化分离的副产物,综合这两点原因,可以说氩在稀有气体中是最便宜的一种。

在生活中氩也有很多用途,比如作为电灯泡里的填充气体,由于氩气不会与灯芯发生化学反应,同时又能维持气压减缓钨丝升华,延长灯丝使用寿命。

氩气还可以用来保存一些活泼金属,我们常见的钠,钾等可以保存在煤油中,而一些元素收藏者,他们收藏铷,铯这类活泼金属,是要保存在充氩的玻璃管里面的。

充氩保护的玻封铯

氩气还可以用来灭火,用氩气灭火几乎不会破坏任何火场物品,但是通常火场有特殊物品时才使用它。

(毕竟人家好歹也是个“贵族”……)(划掉)

氩气灭火器

氪在空气中的含量比氩少很多,但是它也可通过分馏液态空气生产。

离子化的氪气放电管呈白色,注入氪气的电灯泡是很光亮的白色光源,因此常用作摄影闪光灯。氪气与其他气体混合可用于发光告示牌,会发出光亮的黄绿色光。

摄影用闪光灯

在中国流行着一种关于氪这个字的说法---氪金,它仅仅是根据日语音译而来,指的是给游戏充值,和氪元素本身并没有多大的关系~~~

氙和其他稀有气体一样活性很低,但是氙却有着很多种类的化合物。

氙气可用于闪光灯和弧灯中。

氙气大灯

氙气大灯的工作原理是将大灯中的氙气电离形成电弧放电并使之稳定发光。

除此之外,氙气还可以用于航天器的离子推进器,其工作原理的第一步也是将氙气电离。然后通过电场形成一束离子流,使航天器推动。

在医学上,氙还可以作全身麻醉药,由于氙在人体内的最小肺泡浓度很大,其麻醉效果比氧化亚氮(N2O,俗称笑气,据说可以当毒品用)强44%

由于氡具有放射性,它在人们日常生活中的用途较少。(半衰期只有3.82天,看来是不能像氚一样做戒指了)

讲了那么多性质和用途,现在来唠嗑一下它们的化合物吧。

这些惰性气体它们也只是傲娇,骨子里也是渴望有其他元素陪伴的。

这次我们反着来,从氡开始:

氡化合物

氡可与氟发生反应生成二氟化氡,在固态时会发出黄色光(当然是因为衰变喽)。它的稳定性也是比较高的,需要℃才能够被氢气还原成氡(都赶上铜了)。

刚刚上面谈到的都是一些真正的稀有气体化合物,(what?等等,难道还有“假的”稀有气体化合物?)其实呀,广义上稀有气体化合物还包含稀有气体元素形成的众多包合物,水合物以及富勒烯化合物

富勒烯化合物(灰色框架是富勒烯)

氙化合物

按照元素周期率,氙的活泼性更强,它的化合物种类自然也比较多。

所以氙的化合物也是第一种被人类发现的稀有气体化合物。

年,巴特利特在研究无机氟化物时,发现强氧化性的六氟化铂可将氧气氧化为二氧基正离子。

二氧基正离子

由于氧气到二氧基正离子的所需要的能量(kJ/mol)与氙到氙正离子的所需要的能量相差不大(kJ/mol),因此他尝试用六氟化铂氧化氙。结果反应得到了橙黄色的固体。巴特利特认为它是六氟合铂酸氙。

这是第一个制得的稀有气体化合物。

在成功合成六氟合铂酸氙之后,化学家又尝试用类似的六氟化钌来氧化氙。结果发现除了生成六氟合钌酸氙外,还存在有氙和氟气直接生成二元氙氟化物的副反应。因此克拉森通过让氙和氟在高温下反应,成功合成了四氟化氙。

目前合成的稀有气体化合物绝大多数都是氙的化合物,其中比较重要的包括:

氙氟化物——XeF2、XeF4、XeF6氙的氟氧化物——XeOF2、XeOF4、XeO2F2、XeO3F2、XeO2F4氙氧化物——XeO3、XeO4稀有气体的化合物都需要较难的实验条件才能得到吗?非也!

二氟化氙可由Xe和F2混合气暴露在阳光下制得。但有趣的是,年之前的半个世纪中,却没有人发现仅仅混合这两种气体就有可以发生反应。

二氟化氙结构示意

氪化合物

氪的简单化合物是二氟化氪(KrF2),它是由氪与氟反应得到,而这一反应是目前唯一已知的氟单质参与的吸热反应。这就意味着二氟化氪具有比氟单质更强的氧化性。楼下的邻居就可以被它氧化(氙宝宝哭了)。

氩化合物

氩已知唯一的化合物为氟氩化氢(HArF),由马库·拉萨能领导的芬兰化学家团队发现。

他们将氩气和氟化氢在碘化铯表面冷冻至-°C,使氩气凝华,然后再用大量的紫外线照射氩(固体)和氟化氢的混合物,使之发生反应。经过红外光谱分析后,他们发现氩原子已经和氟原子、氢原子产生化学键,但该化学键非常的弱,只要温度高于-°C它就会再分解为氩和氟化氢。

氟氩化氢是有水溶液的,将它在低温下用液氮溶解,然后再将冰融化就能够得到它的水溶液——氢氟氩酸,这是一种强酸。氢氟氩酸的浓度通常是10%-20%,但它的饱和浓度却始终是一个迷。

氖化合物

氖化合物理论上存在的可能性依然不确定,它在稀有气体之中散发着一股单身贵族的清香。

不过在低温下,化学家还是发现了几种靠分子间作用力形成的“范德华分子”,如Ne-CF4、Ne-CCl4和Ne2-Cl2,它还可以生成一些不稳定的配合物如:Cr(CO)5Ne

氦化合物

氦化钠于年由中国化学家制得,(看到这个有没有为我国科学家感到自豪)XiaoDong团队发现了在高压(GPa,大概是金星表面的一万倍)可以稳定存在的第一个氦的化合物——氦化钠(Na2He),并于年2月将其发表在NatureChemistry上。Na2He的体系为电子盐体系,反应过程中He得到了0.15个电子。此外,该团队在发表Na2He的同时,还预测了Na2HeO在15GPa可能存在。

好了本期的科普就到这儿了,那么看了本期稀有气体篇,大家是否对稀有气体的了解更加深刻呢?

我们的元素系列依然——

编辑:清晨叔叔

审核:清晨叔叔、苯宝宝

看番的同志都知道,ED后十有八九有正片,我们也不例外......

接下来说几个事:

明天会有一个新人物的到来~~根据评论建议,本元素系列不再按周期表顺序进行~~依情况可能会发一些化学学习方法和知识汇总~~春节期间不停更!!!好,就这样。



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