李啟翔

一聲春雷，喚醒了沉睡的大地。雷電，是一種大氣放電現(xiàn)象，在閃電釋放的極短瞬間，其內(nèi)部溫度可能達(dá)到上萬(wàn)攝氏度，并且放出大約10 億焦耳的能量，換算成電能相當(dāng)于280 度電，足夠一個(gè)普通家庭使用一個(gè)月。

大家還記得我們?nèi)ツ杲榻B過(guò)的氦元素嗎？那時(shí)候我們說(shuō)，氦氣既是一種惰性氣體，也是一種稀有氣體。而在元素周期表中，與氦同屬一族的元素還有6個(gè)，今天它們就要一起登場(chǎng)了！

化學(xué)啟蒙

高中化學(xué)第一冊(cè)“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”

元素周期表揭示了元素間的內(nèi)在聯(lián)系，使元素構(gòu)成了一個(gè)較為系統(tǒng)的體系。

難以定義的一族

這個(gè)元素家族，是來(lái)自元素周期表中最后一列的氦、氖、氬、氪、氙、氡、 。從這七個(gè)元素的名稱就能看出，它們一定與氣體有關(guān)。

這是一些地球上含量不多，但又非常常見(jiàn)的元素；這是一些獨(dú)立性強(qiáng)，但又渴望與朋友接觸的元素；這是一些身份看似尊貴，但又平易近人的元素。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，找不到一個(gè)名詞來(lái)概括它們，無(wú)論是稀有氣體，還是惰性氣體，又或者是高貴氣體，都無(wú)法完美貼合這一元素家族的特色。這是為什么呢？

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第118 號(hào)元素“氣奧?”是一種放射性極強(qiáng)、極為不穩(wěn)定的超重元素。 不存在于自然界中，只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以粒子加速器人工合成。

空氣中的一絲偏差

英國(guó)化學(xué)家瑞利男爵有一句名言：“一切科學(xué)上的最偉大的發(fā)現(xiàn)，幾乎都來(lái)自精確的量度?！彼囊簧卜钚辛诉@個(gè)觀點(diǎn)，花費(fèi)了大量精力從事精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，通過(guò)嚴(yán)格的定量研究探究空氣中的成分。如果沒(méi)有他對(duì)數(shù)據(jù)的苛求，也許稀有氣體元素的發(fā)現(xiàn)史將被推遲數(shù)十年。

18 世紀(jì)，科學(xué)家們對(duì)于空氣的分析和測(cè)定已經(jīng)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次，認(rèn)為對(duì)于其中的成分已經(jīng)了如指掌，無(wú)須繼續(xù)探索。當(dāng)時(shí)空氣中公認(rèn)的成分是氧氣、氮?dú)狻⒍趸己臀⒘康乃魵狻?/p>

1895 年，瑞利采用了幾種不同方式來(lái)獲得氮?dú)?。首先是排除法，他先后去除了空氣中的氧氣、二氧化碳和水蒸氣，這樣得到的理論上就是“純凈”的氮?dú)?。?jīng)過(guò)測(cè)量，剩余氣體的密度是1.2572克/ 立方厘米。

其次是制取法，瑞利通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，利用氨氣制得了一種純凈的氮?dú)?，?jīng)過(guò)測(cè)量，這種氣體的密度是1.2505 克/ 立方厘米，與之前測(cè)得的數(shù)據(jù)有一些差異。

接著，瑞利又用相似的方法，陸續(xù)從尿素、笑氣和一氧化氮等含氮化合物中制取純凈的氮?dú)?，發(fā)現(xiàn)密度都和從氨氣中得到的氮?dú)饷芏纫恢?，只有從空氣中得到的氮?dú)?，無(wú)論怎樣處理都更重一些。

于是，瑞利想辦法去除了重一些的氣體中的氮?dú)猓罱K留下了0.5 立方厘米的未知?dú)怏w。

瑞利與他的好友化學(xué)家拉姆塞發(fā)現(xiàn)，這種未知?dú)怏w通電的光譜，與之前任何一種已知元素的譜線都不同，毫無(wú)疑問(wèn)，一種新元素被他們發(fā)現(xiàn)了。

他們還發(fā)現(xiàn)，這種新元素的氣體單質(zhì)，無(wú)論是加熱、加壓、通電還是使用催化劑，都無(wú)法與已知元素發(fā)生反應(yīng)，于是將它命名為氬元素，意思是“不活躍”。

后來(lái)，拉姆塞又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了氦、氪、氖和氙，幾乎將稀有氣體一網(wǎng)打盡。只有氡是由德國(guó)物理學(xué)家道恩發(fā)現(xiàn)的。

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1902 年，門(mén)捷列夫?qū)⑦@些稀有氣體元素列入他的元素周期表，分列為第0 族。1904 年，瑞利和拉姆塞分別獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰兩位科學(xué)家在稀有氣體元素領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)。

難以定義的一族

為什么這個(gè)族群有“稀有氣體”的稱呼呢？因?yàn)樗鼈冎械母鱾€(gè)成員在空氣中的自然含量很低，普遍不到萬(wàn)分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上氧氣和氮?dú)庠诳諝庵械拇嬖诟?，且提取它們十分困難，使得科學(xué)家在探索空氣成分時(shí)長(zhǎng)期忽略了它們的存在。

不過(guò)也有例外，氬氣是地球大氣中含量第三豐富的天然氣體，達(dá)到0.934％，是我們熟悉的二氧化碳的20 多倍，堪稱最不稀有的稀有氣體。同時(shí)它也是地殼中最豐富的稀有氣體元素，從絕對(duì)數(shù)量上來(lái)看并不少。

而其他的稀有氣體元素放到宇宙的尺度中也算不上稀少。比如，氦元素是僅次于氫的，宇宙中含量第二豐富的元素；氖元素是宇宙中含量第五豐富的化學(xué)元素。

惰性氣體，也能交朋友

稀有氣體最初也被稱為惰性氣體，與它們穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。除氦（最外層是2 個(gè)電子）外，其他稀有氣體元素的原子最外層都有8 個(gè)電子。此時(shí)，核外每層的電子都已“滿員”，既不會(huì)從外界搶來(lái)電子補(bǔ)充空缺，也不容易失去電子，因此處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。

正由于其穩(wěn)定性，這些氣體在發(fā)現(xiàn)伊始，被認(rèn)為在任何條件下都無(wú)法和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，才有了“惰性氣體”的名稱。不過(guò)， 1962 年，首種惰性氣體元素的化合物——六氟合鉑酸氙被發(fā)現(xiàn)，后來(lái)，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)或合成了其他幾種惰性氣體元素的化合物。

時(shí)至今日，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)不斷嘗試，除了氖元素暫時(shí)還無(wú)法制得化合物外，其他惰性氣體元素已能形成數(shù)百種化合物，理論上還能產(chǎn)生更多的化合物。

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盡管不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但氡元素本身具有放射性。氡通常存在于大理石等石材中，因此在裝修房屋時(shí)要慎選石材，避免對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。

貴族氣體，綻放色彩

由于稀有氣體在地表十分稀少，人們提取它們的成本非常高，因此一度它們也有了“貴族氣體”或“貴氣體”的名稱。

1902 年，一個(gè)叫喬治·克勞德的法國(guó)人經(jīng)營(yíng)了一家液化氣體公司，將空氣進(jìn)行液化后，能夠分離出氫氣、氧氣、氮?dú)獾?，在這個(gè)過(guò)程中，也可以分離出氖氣這個(gè)副產(chǎn)品，就這樣，氖氣的成本就被“打”了下來(lái)，民用成為可能。

那時(shí)候人們發(fā)現(xiàn)， 將氖氣放進(jìn)燈管里，能發(fā)出絢麗的紅光。喬治·克勞德靠著改進(jìn)后的氖氣燈管成了百萬(wàn)富翁。這種燈被稱為氖燈（Neonlamp），音譯過(guò)來(lái)就是我們熟知的“霓虹燈”。

除了氖氣，其他的稀有氣體也可以激發(fā)出不同顏色的光——氦氣發(fā)深黃色光，氬氣發(fā)藍(lán)紫色光，氪氣發(fā)黃綠色光，氙氣發(fā)白色光，霓虹燈也變得更加五彩繽紛。