人造空氣爲什麽要充氦氣？看稀有氣體各顯神通

我們都知道稀有氣體包括氦、氖、氩、氪、氙、氡。在常溫下，稀有氣體的單質爲氣體，且除氩氣外，其餘幾種在大氣中含量很少（尤其是氦），故得名“稀有氣體”。

 

曆史上稀有氣體曾被稱爲“惰性氣體”，這是因爲它們的原子最外層電子構型除氦爲1s2（上标）外，其餘均爲8電子構型（ns2np6，均爲上标），而這兩種構型均爲穩定的結構。因此，稀有氣體的化學性質很不活潑，所以過去人們曾認爲他們與其他元素之間不會發生化學反應，稱之爲“惰性氣體”。然而正是這種絕對的概念束縛瞭人們的思想，阻礙瞭對稀有氣體化合物的研究。

 

1962年，在加拿大工作的26歲的英國青年化學家N.Bartlett合成瞭第一個稀有氣體化合物Xe[PtF6]（6爲下标），引起瞭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
，先後陸續合成瞭多種“稀有氣體化合物”，促進瞭稀有氣體化學的發展。而“惰性氣體”一名也不再符合事實，故改稱稀有氣體。

 

空氣中約含1％（體積百分）稀有氣體，其中絕大部分是氩。稀有氣體都是無色
、無臭、無味的，微溶於水，溶解度随分子量的增加而增大。稀有氣體的分子都是由單原子組成的，它們的熔點和沸點都很低，随著原子量的增加，熔點和沸點增大。它們在低溫時都可以液化。稀有氣體原子的最外層電子結構爲ns2np6（氦爲 1s2），是最穩定的結構，因此
，在通常條件下不與其他元素作用
，長期以來被認爲是化學性質極不活潑，不能形成化合物的惰性元素。直到1962年，英國化學家N。巴利特才利用強氧化劑PtF6與氙作用，制得瞭第一種惰性氣體的化合物Xe[PtF6]，以後又陸續合成瞭其他惰性氣體化合物，並将它的名稱改爲稀有氣體。

 

空氣是制取稀有氣體的主要原料，通過液态空氣分級蒸餾，可得稀有氣體混合物，再用活性炭低溫選擇吸附法，就可以将稀有氣體分離開來。

 

 

01  氦

氦氣是除瞭氫氣以外最輕的氣體
，可以代替氫氣裝在飛船裏，不會著火和發生爆炸。液态氦的沸點爲-269℃，利用液态氦可獲得接近絕對零度（-273。15℃）的超低溫。

氦氣用途廣泛
，不僅可以用於超低溫研究，還可以用於氣相分析、焊接、探漏、化學氣相澱積、晶體生長、等離子幹刻、特種混合氣等，用作标準氣、平衡氣、醫療氣、氣球電子管潛水服等的充氣。

氦氣可用來代替氮氣作人造空氣，供探海潛水員呼吸，因爲在壓強較大的深海裏，用普通空氣呼吸，會有較多的氮氣溶解在血液裏。當潛水員從深海處上升，體内逐漸恢複常壓時，溶解在血液裏的氮氣要放出來形成氣泡， 對微血管起阻塞作用，引起“氣塞症”。氦氣在血液裏的溶解度比氮氣小得多，用氦跟氧的混合氣體（人造空氣）代替普通空氣，就不會發生上述現象。

 

02  氖

氖在常溫常壓下爲無色無臭無毒氣體，把它放電時呈橙紅色
。氖最常用在霓紅燈之中。空氣中含氖約18ppm。不燃。屬零族元素，爲稀有氣體的成員之一。氖元素至今未制得穩定化合物，在自然界中全部以單原子分子（氖氣）形式存在。氖可用於霓虹燈、水銀燈、絕緣檢測器、高頻率驗電器、等離子體研究、激光器等，用作低溫冷卻劑、标準氣、特種混合氣等。

 

世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣制成的（霓虹燈的英文原意是“氖燈”）。氖燈射出的紅光，在空氣裏透射力很強，可以穿過濃霧。因此，氖燈常用在機場、港口、水陸交通線的燈标上。

 

03  氩

 

氩氣在常溫常壓下爲無色無臭無毒氣體，它不燃燒，無腐蝕性，微溶於水和有機溶劑。氩氣經高能的宇宙射線照射後會發生電離。利用這個原理
，可以在人造地球衛星裏設置充有氩氣的計數器。當人造衛星在宇宙空間飛行時，氩氣受到宇宙射線的照射。照射得越厲害，氩氣發生電離也越強烈。衛星上的無線電機把這些電離信号自動地送回地球，人們就可根據信号的大小來判定空間宇宙輻射帶的位置和強度。

04  氪

氪無色、無臭、無味，正如其他惰性氣體一樣
，化學性質極不活潑，不易與其他物質産生化學作用，把它放電時呈橙紅色，可通過分餾從液态空氣中分離
，氪的多條譜線使離子化的氪氣放電管呈白色，注入氪氣的電燈泡是很光亮的白色光源，常用於制作熒光燈。氪能吸收X射線，可用作X射線工作時的遮光材料。還可以用於白熾燈泡、記數管、激光用光源、紫外線源、标準氣、特種混合氣等。

05  氙

氙在常溫常壓下爲無色無臭無毒的氣體。空氣中含氙約90ppm。不燃燒。作爲麻醉劑，氙氣在醫學上很受重視。氙能溶於細胞質的油脂裏，引起細胞的麻醉和膨脹，從而使神經末梢作用暫時停止。人們曾試用80%氙氣和20%氧氣組成的混合氣體，作爲無副作用的麻醉劑。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用於醫療技術方面。在原子能工業上，氙可以用來檢驗高速粒子、粒子、介子等的存在。

06  氡

氡是自然界唯一的天然放射性氣體，氡在作用於人體的同時會很快衰變成人體能吸收的氡子體，進入人體的呼吸系統造成輻射損傷，誘發肺癌。體外輻射主要是指天然石材中的輻射體直接照射人體後産生一種生物效果，會對人體内的造血器官、神經系統、生殖系統和消化系統造成損傷。

然而，氡也有著它的用途，将铍粉和氡密封在管子内，氡衰變時放出的α粒子與铍原子核進行核反應，産生的中子可用作實驗室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑，用於檢測管道洩漏和研究氣體運動。

稀有氣體通電時會發光。世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣制成的（霓虹燈的英文原意是“氖燈”）。氖燈常用在機場、港口、水陸交通線的燈标上。将燈管裏充入氩氣或氦氣，通電時分别發出淺藍色或淡紅色光。有的燈管裏充入瞭氖、氩、氦、水銀蒸氣等四種氣體（也有三種或兩種的）的混合物。由於各種氣體的相對含量不伺，便制得五光十色的各種霓虹燈。人們常用的熒光燈，是在燈管裏充入少量水銀和氩氣，並在内壁塗熒光物質（如鹵磷酸鈣）而制成的。通電時，管内因水銀蒸氣放電而産生紫外線，激發熒光物質，使它發出近似日光的可見光，所以又叫做日光燈。

 

利用稀有氣體極不活動的化學性質，有的生産部門常用它們來作保護氣。例如，在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬，以及制造半導體晶體管的過程中，常用氩作保護氣。原子能反應堆的核燃料钚，在空氣裏也會迅速氧化，也需要在氩氣保護下進行機械加工。電燈泡裏充氩氣可以減少鎢絲的氣化和防止鎢絲氧化，以延長燈泡的使用壽命。

随著工業生産和科學技術的發展，稀有氣體已經廣泛地應用在工業、醫學、尖端科學技術中，同時，它們也深入的應用到我們的日常生活裏，與我們越走越近。

 

 

 

 

 

文心化學 2022-09-12 00:16 發表於江蘇