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人造空氣為什么要充氦氣？看稀有氣體各顯神通

發(fā)布時(shí)間:

2023-08-07 10:31

人造空氣為什么要充氦氣？看稀有氣體各顯神通

我們都知道稀有氣體包括氦、氖、氬、氪、氙、氡。在常溫下，稀有氣體的單質(zhì)為氣體，且除氬氣外，其余幾種在大氣中含量很少（尤其是氦），故得名“稀有氣體”。

歷史上稀有氣體曾被稱為“惰性氣體”，這是因?yàn)樗鼈兊脑幼钔鈱与娮訕?gòu)型除氦為1s2（上標(biāo)）外，其余均為8電子構(gòu)型（ns2np6，均為上標(biāo)），而這兩種構(gòu)型均為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，稀有氣體的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，所以過去人們曾認(rèn)為他們與其他元素之間不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，稱之為“惰性氣體”。然而正是這種絕對的概念束縛了人們的思想，阻礙了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(xué)家N.Bartlett合成了第一個(gè)稀有氣體化合物Xe[PtF6]（6為下標(biāo)），引起了化學(xué)界的很大興趣和重視。許多化學(xué)家競相開展這方面的工作，先后陸續(xù)合成了多種“稀有氣體化合物”，促進(jìn)了稀有氣體化學(xué)的發(fā)展。而“惰性氣體”一名也不再符合事實(shí)，故改稱稀有氣體。

空氣中約含1％（體積百分）稀有氣體，其中絕大部分是氬。稀有氣體都是無色、無臭、無味的，微溶于水，溶解度隨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(diǎn)和沸點(diǎn)都很低，隨著原子量的增加，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)增大。它們在低溫時(shí)都可以液化。稀有氣體原子的最外層電子結(jié)構(gòu)為ns2np6（氦為 1s2），是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此，在通常條件下不與其他元素作用，長期以來被認(rèn)為是化學(xué)性質(zhì)極不活潑，不能形成化合物的惰性元素。直到1962年，英國化學(xué)家N。巴利特才利用強(qiáng)氧化劑PtF6與氙作用，制得了第一種惰性氣體的化合物Xe[PtF6]，以后又陸續(xù)合成了其他惰性氣體化合物，并將它的名稱改為稀有氣體。

空氣是制取稀有氣體的主要原料，通過液態(tài)空氣分級(jí)蒸餾，可得稀有氣體混合物，再用活性炭低溫選擇吸附法，就可以將稀有氣體分離開來。

01 氦

氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體，可以代替氫氣裝在飛船里，不會(huì)著火和發(fā)生爆炸。液態(tài)氦的沸點(diǎn)為-269℃，利用液態(tài)氦可獲得接近絕對零度（-273。15℃）的超低溫。

氦氣用途廣泛，不僅可以用于超低溫研究，還可以用于氣相分析、焊接、探漏、化學(xué)氣相淀積、晶體生長、等離子干刻、特種混合氣等，用作標(biāo)準(zhǔn)氣、平衡氣、醫(yī)療氣、氣球電子管潛水服等的充氣。

氦氣可用來代替氮?dú)庾魅嗽炜諝猓┨胶撍畣T呼吸，因?yàn)樵趬簭?qiáng)較大的深海里，用普通空氣呼吸，會(huì)有較多的氮?dú)馊芙庠谘豪铩．?dāng)潛水員從深海處上升，體內(nèi)逐漸恢復(fù)常壓時(shí)，溶解在血液里的氮?dú)庖懦鰜硇纬蓺馀荩?/font> 對微血管起阻塞作用，引起“氣塞癥”。氦氣在血液里的溶解度比氮?dú)庑〉枚?，用氦跟氧的混合氣體（人造空氣）代替普通空氣，就不會(huì)發(fā)生上述現(xiàn)象。

02 氖

氖在常溫常壓下為無色無臭無毒氣體，把它放電時(shí)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，為稀有氣體的成員之一。氖元素至今未制得穩(wěn)定化合物，在自然界中全部以單原子分子（氖氣）形式存在。氖可用于霓虹燈、水銀燈、絕緣檢測器、高頻率驗(yàn)電器、等離子體研究、激光器等，用作低溫冷卻劑、標(biāo)準(zhǔn)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，在空氣里透射力很強(qiáng)，可以穿過濃霧。因此，氖燈常用在機(jī)場、港口、水陸交通線的燈標(biāo)上。

03 氬

氬氣在常溫常壓下為無色無臭無毒氣體，它不燃燒，無腐蝕性，微溶于水和有機(jī)溶劑。氬氣經(jīng)高能的宇宙射線照射后會(huì)發(fā)生電離。利用這個(gè)原理，可以在人造地球衛(wèi)星里設(shè)置充有氬氣的計(jì)數(shù)器。當(dāng)人造衛(wèi)星在宇宙空間飛行時(shí)，氬氣受到宇宙射線的照射。照射得越厲害，氬氣發(fā)生電離也越強(qiáng)烈。衛(wèi)星上的無線電機(jī)把這些電離信號(hào)自動(dòng)地送回地球，人們就可根據(jù)信號(hào)的大小來判定空間宇宙輻射帶的位置和強(qiáng)度。

04 氪

氪無色、無臭、無味，正如其他惰性氣體一樣，化學(xué)性質(zhì)極不活潑，不易與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用，把它放電時(shí)呈橙紅色，可通過分餾從液態(tài)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，常用于制作熒光燈。氪能吸收X射線，可用作X射線工作時(shí)的遮光材料。還可以用于白熾燈泡、記數(shù)管、激光用光源、紫外線源、標(biāo)準(zhǔn)氣、特種混合氣等。

05 氙

氙在常溫常壓下為無色無臭無毒的氣體?？諝庵泻s90ppm。不燃燒。作為麻醉劑，氙氣在醫(yī)學(xué)上很受重視。氙能溶于細(xì)胞質(zhì)的油脂里，引起細(xì)胞的麻醉和膨脹，從而使神經(jīng)末梢作用暫時(shí)停止。人們曾試用80%氙氣和20%氧氣組成的混合氣體，作為無副作用的麻醉劑。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療技術(shù)方面。在原子能工業(yè)上，氙可以用來檢驗(yàn)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，氡在作用于人體的同時(shí)會(huì)很快衰變成人體能吸收的氡子體，進(jìn)入人體的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)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后產(chǎn)生一種生物效果，會(huì)對人體內(nèi)的造血器官、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)造成損傷。

然而，氡也有著它的用途，將鈹粉和氡密封在管子內(nèi)，氡衰變時(shí)放出的α粒子與鈹原子核進(jìn)行核反應(yīng)，產(chǎn)生的中子可用作實(shí)驗(yàn)室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑，用于檢測管道泄漏和研究氣體運(yùn)動(dòng)。

稀有氣體通電時(shí)會(huì)發(fā)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(jī)場、港口、水陸交通線的燈標(biāo)上。將燈管里充入氬氣或氦氣，通電時(shí)分別發(fā)出淺藍(lán)色或淡紅色光。有的燈管里充入了氖、氬、氦、水銀蒸氣等四種氣體（也有三種或兩種的）的混合物。由于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，是在燈管里充入少量水銀和氬氣，并在內(nèi)壁涂熒光物質(zhì)（如鹵磷酸鈣）而制成的。通電時(shí)，管內(nèi)因水銀蒸氣放電而產(chǎn)生紫外線，激發(fā)熒光物質(zhì)，使它發(fā)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(dòng)的化學(xué)性質(zhì)，有的生產(chǎn)部門常用它們來作保護(hù)氣。例如，在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬，以及制造半導(dǎo)體晶體管的過程中，常用氬作保護(hù)氣。原子能反應(yīng)堆的核燃料钚，在空氣里也會(huì)迅速氧化，也需要在氬氣保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械加工。電燈泡里充氬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。

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，稀有氣體已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、尖端科學(xué)技術(shù)中，同時(shí)，它們也深入的應(yīng)用到我們的日常生活里，與我們越走越近。

文心化學(xué) 2022-09-12 00:16 發(fā)表于江蘇