稀有气体

稀有气体（英语：Noble gases），又称惰性气体，在自然界中的含量极少。常温下均为无色无味的气体，在水中的溶解度极低。又因为除氦以外，稀有气体原子的最外电子层都是由充满的ns和np轨道组成的，所以都具有稳定的8电子构型，因此化学性质很不活泼，不易发生化学反应。^[1]

现有的稀有气体共有七种，分别是氦（He）、氖nǎi（Ne）、氩yà（Ar）、氪kè（Kr）、氙xiān（Xe）、氡dōng（Rn）、鿫（Og）。它们的发现历程共历经100多年，其中，英国化学家拉姆塞发现了四种稀有气体，对稀有气体的发展意义重大。^[2][3]稀有气体的化学性质很不活泼，在1962年，才合成第一个稀有气体化合物，即六氟fú合铂酸氙，化学式为Xe【PtF₆】。^[3]

因为稀有气体独特的性质，其在地质学、医学、光学、宇宙化学等领域都有广泛的应用。尤其因为稀有气体的化学惰性，所以常用作保护气和隔绝气，且为使灯泡更耐用，也常会填充稀有气体。另外，因为稀有气体在通电时能发射多种不同颜色的光线，所以它们也可以制成不同的电光源和激光器。^[1]

装有稀有气体氦、氖、氩、氪、氙的容器在加热时可能会爆炸，所以不可以将其长时间暴露在高温中。且这些容器内都是冷冻气体，人类若触碰可能导致低温冻伤。^{[4][5][6][7][8]}

稀有气体在自然界中含量极少，并且因为其理化性质相近，均不易与其他物质发生反应，故将其称之为稀有气体。稀有气体的发现共经历了一个多世纪。^[2]

人类首先发现的稀有气体是氩。

在十九世纪，当英国物理学家瑞利研究大气中各种气体的密度时，发现从空气中除去氧以后，得到“氮气”的密度是1.2572g/L，然而从氮化物中制得氮的密度是1.2507g/L，这其中的误差吸引了英国化学家拉姆塞的兴趣。后来经过拉姆塞和瑞利的研究发现，这最后残余气体的体积约占原空气体积的1%，且比氮气稍重，经过光谱分析后断定这种气体是一种新元素。之后在1894年，瑞利和拉姆塞宣布了这一元素的发现，并将其命名为argon，希腊文原意是“不活泼的、惰性的”，中文译名是氩，元素符号为Ar。^[2][3]

氦是唯一先在地球之外发现的一个元素。^[2]

早在1868年，法国天文学家詹森在印度观察日食时，从太阳光谱中得到一条波长587.49nm的橙黄色光谱线。刚开始他认为这是钠的发射线，但经过对比之后发现，这条发射线与钠的发射线似乎有些差异。同时，英国天文学家洛克耶成功地在大白天观察到这条黄线。后来经过二人共同对比，他们认为这是一个地球上不存在，只存在于太阳上的元素，并将其命名为Helium，希腊文原意为“太阳”，中文译名为氦，元素符号为He。^[2][3][9]

1894年瑞利和拉姆塞发现了氩，1895年拉姆塞发现地球上也有氦的存在，但在当时的元素周期表中，并没有这两个元素的位置，拉姆塞根据周期表的规律性以及两个元素的性质，推测氦和氩可能是另一族的新元素，而且在氦和氩之间，很可能有另外一种新的元素。^[2][3]

最初，拉姆塞和他的助手特拉弗斯认为新元素可能存在于稀有矿物中。于是，他们对地球上所能得到的矿物都做了实验，但都未能成功。后来，在拉姆塞和特拉弗斯想通过减压空气以液化氩气这个实验来发现空气中的氦气时，他们发现最先逸出的那一部分气体的发射线并不是氦气的发射线，而且这个气体发射的光线异常明亮。之后，拉姆塞和特拉弗斯测定这种气体的光谱，确认了这是一个全新的元素。最终在1898年6月从空气中提取出这个气体，并将其命名为Neon，希腊文原意为“新的”，中文译名为氖，元素符号为Ne。^[2][3]

稀有气体氪是在寻找氖的期间发现的。

1898年5月30日，拉姆塞想在液态空气分馏产物中寻找氖，于是蒸发液态空气到最后只剩下很少的一部分，再把其中的氮气和氧气去掉，最后留下来的是一种比空气重的不活泼气体，然后拉姆塞测定了该气体的光谱，发现和以往任何光谱都无法对应，于是确定这是一个新元素，并指出这种元素的原子量应该介于溴和铷之间，这说明氪、氦和氩应是同类，都是稀有气体之一。最后拉姆塞将这种气体命名为Krypton，希腊文原意为“隐藏”，中文译名是氪，元素符号为Kr。^[2][3]

1898年7月，拉姆塞和特拉弗斯用新的空气液化机，制备了大量的液态空气，并将其分馏制得氪和氖，又把氪反复地分次液化、挥发，从其中又分出一种质量比氪更重的新气体，二人检测了一下该气体的光谱，发现又是一个新的元素，他们命名为Xenon，希腊文原意为“陌生的、奇异的”，中文译名氙，元素符号为Xe。^[2][3]

氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕ā这些放射性元素在衰变过程中的产物，因此，只有发现这些元素后才有可能发现氡。^[1]

1899年，英国物理学家欧文斯和卢瑟福在研究钍tǔ的放射性时发现钍射气，即Rn₂₂₀。1900年，德国物理学家道恩在研究镭的放射性时发现镭射气，即Rn₂₂₂。1903年，德国化学家吉赛尔在锕的化合物中发现锕射气，即Rn₂₁₉。之后在1904年，拉姆塞获得了该气体的光谱，发现这又是一个全新的元素。直到1908年，拉姆塞才收集到足够多的镭射气测定其性质，发现这种气体和之前的五种元素一样，不会与现阶段任何物质发生反应，是一种具有化学惰性的稀有气体元素，而其他的两种射气是它的同位素。又因为该气体具有放射性，可以使某些物质发光，因此他们将此元素命名为nition，意为“发光”，直到1923年在国际化学会议上才正式把它改名为Radon，希腊文原意为“闪光的”，中文译为氡，元素符号为Rn。^[2][3]

作为唯一一个人工合成的稀有气体，2016年6月8日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）宣布，将化学元素第118号气奥（Og）提名为新的化学元素。2006年10月16日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和俄罗斯的科学家宣布成功合成该元素^[3]，为了纪念超重元素合成先驱者、俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相，研究人员将第118号元素命名为Oganesson，元素符号为Og。^[3]

氦是宇宙中第二丰富的元素，但它在地球中只是大气中的微量气体，约占空气中的5.24×10⁻⁴º%。大气中氦的浓度主要由氦通过岩石圈的释气和氦向空间的热扩散损失决定。^[10]

氖在空气中含量仅有1.82×10⁻³º %。^[10]

氩是大气中最丰富的稀有气体，在地球大气层的含量占0.934%，超过二氧化碳0.03%的含量。^[10]

氪的唯一工业来源是空气，在矿石和陨石中只发现了痕量的氪。氪在地球大气中的体积分数为1.14×10⁻³º %，含量极低。^[7]

氙在空气中含量占8.7×10⁻⁶ %。^[10]

氡是放射性矿物的衰变产物，故其存在于土壤、地表水和大气中。大气中氡的浓度受到气象与地质等因素的影响，变化较小。由于氡的密度较大，空气中氡的相对含量会随海拔高度的增加而迅速减少。氡在地壳中的含量极低。^[11]

稀有气体元素都是无色无味的气体，微溶于水，其溶解度随相对分子质量的增加而增大。气体分子均由单原子组成，熔点和沸点都很低，并随相对原子质量增加而升高。稀有气体的原子半径都很大，在族中自上而下递增，且这些半径都是未成键的半径，故不能将其与共价或成键半径进行对比，而应与其他元素的范德华半径对比。它们在低温时可被液化，除氦以外，其他5种气体都可在低温下凝固，氦则要在25个大气压或更大的气压下于0K～1K温度区间内凝固。稀有气体原子的最外层电子结构为均为ns²np⁶（除氦为1s²），使稀有气体一般不具备化学活性，故过去又称惰性气体。下面依次简要介绍其物理性质。^[1]

氦气，比空气轻，不易燃，仅微溶于水。可当作为液体运输，但温度极低，会凝固所有其他气体。在放射管中的光谱颜色为粉红色。^[4]

氖气，具有惰性和单原子性，溶解度极低。氖表现为无色无味的不可燃气体，化学惰性，氖蒸气比空气轻，无毒，但可以作为简单的窒息剂。在放射管中的光谱颜色为红色。^[5]

氩气，比空气重，不可燃气体。在放射管中的光谱颜色为蓝紫色。^[6]

氪气，不溶于水。它在自身蒸气压下作为液体运输。与液体接触可能会冻伤到未受保护的皮肤。容器长时间暴露在高温中可能导致其剧烈破裂。在放射管中的光谱颜色为蓝绿色。^[7]

氙气，极难溶于水，无毒。在放射管中的光谱颜色为亮白色。^[8]

氡气，天然存在的放射性气体，无臭无味，是由铀yóu的放射性衰变形成的。可冷凝成无色透明液体和不透明的发光固体，当冷却到冰点以下时，氡可表现出明亮的磷光，再随着温度的降低而变黄，在液态空气的温度下呈橙红色。微溶于水，易溶于有机溶剂。^[11]

稀有气体的化学性质是由它的原子结构所决定的。除氦以外，稀有气体原子的最外电子层都是由充满的ns和np轨道组成的，它们都具有稳定的8电子构型。^[12]与其它元素相比较，稀有气体的电子亲合势都接近于零，具有很高的电离势。因此，稀有气体原子在一般条件下不容易得到或失去电子而形成化学键，表现出化学性质很不活泼，不仅难与其它元素化合，而且自身也是以单原子分子的形式存在，原子之间仅存在着微弱的范德华力。^[1]

因为稀有气体不活泼的化学性质，导致它们化合物的合成过程也很困难。^[2]

1962年，英国化学家巴特列特首先合成出第一个惰性气体的化合物六氟合铂酸氙，化学式为Xe【PtF₆】，此后，“惰性气体”改名为“稀有气体”。之后巴特列特和其他几位年轻的科学家又成功制得了氙的氟化物。^[13]此后，科学家们还合成了许多氙的化合物，例如氙的氟化物XeF₂、XeF₄、XeF₆以及由它们和金属氟化物生成的一系列加合物、氙的氧化物XeO₃、XeO₄、含氧酸盐、氟氧化物XeOF₄等。^[1]其中，XeO₃可作为强氧化剂来氧化醇类、羧酸类等有机物，并进行定量分析，XeF₂也可作为优良的氟化剂等。^[14]

1988年，加拿大科学家施陶贝根宣首次制备了含有氪-氮键的化合物。将二氟化氪(KrF₂）和质子化的氢氰酸盐放入氢氟酸中，并以液氮冷却，然后将反应温度缓慢上升，使这两种化合物溶解并发生反应，最后在约-60℃时生成含有氪-氮键的白色固体化合物。这种氪-氮化合比其他氙同系物更不稳定，它不能在高于-50℃的温度下存在。^[1]

2017年，中国科学家王慧田等人制备了氦的化合物，他们在高压下将氦和钠反应，最终形成Na₂He晶体，分析表明，这是一种电子盐结构。^[3]

截至2020年，晶体结构的稀有气体化合物有近230种。^[14]

氦的稳定同位素为³He和⁴He。^[15]其中，³He主要来源于元素合成时形成的原始核素，地壳和地幔中的⁴He则主要为自然放射性元素U、Th发生α衰变的产物^[16]，不过大气中⁴He的主要来源是通过大陆地壳的通量，大洋中脊火山作用和通过洋壳的通量也对大气中⁴He浓度有很大影响。在地幔中，³He的丰度比⁴He高得多，因为³He在形成地球时就被纳入了地球^[17]，所以³He的起源完全是原始的，而地幔中的⁴He主要是放射成因的^[17][18]，主要来源于放射性反应和核反应。^[10]

氖在自然界的稳定同位素是²ºNe、²¹Ne和²²Ne。大气中²ºNe/²²Ne的比率为9.80，误差不超过0.08^[19]，而原始地幔比率据报道超过12.5^[17]。Yatsevich和Honda计算了地幔和地壳中氖的年生产率，与Yatsevich和Honda给出的⁴He生产率相比，这些生产率数量级更高，可以忽略不计。由反应¹⁷O(α，n)²ºNe来产生氖的主要同位素²ºNe的产率也极低。^[10][20]氩的稳定同位素是³⁶Ar、³⁸Ar、³⁹Ar和⁴ºAr。作为一种年代示踪物，半衰期为269年的³⁹Ar在地下水分析中的作用极大。地壳中⁴ºAr的一个来源是钾的电子俘获衰变。由于大气氩的背景较大，仅在停留时间为几百万年范围的地下水中可见⁴ºAr的产生^[19]，并且与地下水中的大气平衡成分相比，地壳中由³⁶Cl的β衰变产生的³⁶Ar可以忽略不计^[21]。

氪的同位素有⁸⁴Kr、⁸¹Kr和⁸⁵Kr。其中，最稳定的同位素是⁸⁴Kr。^[10]⁸⁵Kr的半衰期为10.8年，自然丰度约为2×10⁻¹¹，主要以气态形式存在于大气中。⁸⁵Kr可以由宇宙射线和大气中的稳定同位素原子作用生成，然而目前大气中的⁸⁵Kr几乎全部来自于人类的核活动。⁸¹Kr半衰期为23万年，同位素自然丰度约为1×10⁻¹²。与⁸⁵Kr不同，⁸¹Kr同位素主要由地球上层大气中元素的稳定同位素与宇宙射线作用而成，它可以很好地进入低层大气参与气流循环，并在大气中形成较为均一的同位素分布，由于其半衰期很长，宇宙射线对其局部浓度的扰动并不能对其整体丰度产生影响。^[22]氙的稳定同位素分别是¹²⁴Xe、¹²⁶Xe、¹²⁸Xe、¹²⁹Xe、¹³ºXe、¹³¹Xe、¹³²Xe、¹³⁴Xe和¹³⁶Xe，这些同位素的天然含量占比分别为0.094%、0.089%、1.875%、26.074%、4.011%、21.210%、27.108%、10.451%以及9.088%。^[23][24]

氡是由放射性元素镭衰变产生的唯一一个天然放射性稀有气体。氡有27种同位素，其中²²²Rn、²²ºRn和²¹⁹Rn是氡最重要的同位素，它们的半衰期分别是3.82天、55.6秒以及3.9秒。^[25]

从固体样品中提取稀有气体的方式主要有3种，分别是压碎法、加热熔融法和激光溶蚀法。

压碎法是获取矿物中稀有气体的主要方式，一般不会将矿物晶格中的气体全释放出来，并且分阶段的压碎可以获取不同厚度的成分信息。而加热熔融法不仅会将包裹体和岩石裂隙中的气体释放出来，还会将晶格中的气体释放，可以通过设定不同温度来获取不同的气体。激光溶蚀法则可以针对性地精准释放所选气体。^[26]

有科学家认为压碎法更为高效，但因为较低的提取率导致需要多次压碎；分阶段加热取样又容易受到杂质气体干扰，对样品的纯度要求较高；激光溶蚀法提取量有限，也要求仪器需要有较高的灵敏度。^[26]

由于氪、氙用途广泛，且在空气中含量稀少，所以这两种元素主要是工业提取。工业提取氪、氖的方式有三种，分别是从空分设备的副产品中提取、合成氨的排放气中提取以及从核反应的裂变中提取。其中，空分设备的提取方法是通过空分装置获得浓缩液氧，将液态氧送入一个吸收塔内，并蒸发，然后利用洗涤剂把稀有气体氪和氙以及存在的烃类从氧中吸收下来，并利用氦和氖的挥发性，通过冷凝器和吸附分离作用将氦氖分离，再重复用洗涤剂从氧中吸收出氪和氙，最终可得到氪、氙产物。^[27]

在空气中，氩是七种稀有气体中含量最高的一个气体，所以在对空气样品中的氩取样后，需要进行纯化过程，再将纯化后的气体稀释后测量纯度即可。^[26]

由于稀有气体稳定的化学性质，它们被广泛应用于光学、冶金、医学、宇宙化学等领域中。

稀有气体在通电时能发出不同颜色的光，可制成多种用途的电光源，比如航标灯、强照明灯、闪光灯，霓虹灯等。氖在放电管内放射出红光，加入一些汞蒸气后又可以发射出蓝光。氪密封于灯管中会发出浅紫色光，可用于机场跑道灯。氙在电场的激发下能放出强烈的白光，高压长弧氙灯常用于电影摄影、舞台照明等，并且将氪与氙混合，可以用于高强度、短曝光的照相闪光灯和频闪灯中。另外，氦氖激光器、氩离子激光器等在国防科研中也发挥了重大作用。^[1]

在冶金工业中，由于稀有气体具有惰性，故常用作保护气，如焊接金属时会用稀有气体来隔绝空气。灯泡中充稀有气体可以使灯泡更耐用，也可以节约能源。在量子物理、核研究领域，稀有气体可以作为冷却气、中子源，或检测气等。^[1][28]

在医疗领域，氙灯能放出紫外线，氡可以作为“种子”植入人体肿瘤部位，氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。^[29]又因为X射线不能有效穿透氪气和氙气，所以这两种气体也可用做 X 射线遮挡材料。^[1]

稀有气体在地球及宇宙化学中也有广阔的应用前景。分别对地球空气中、陨石中、月壤中稀有气体丰度及同位素组成进行测定分析，可以得到地球大气、太阳系物质及月球中物质的来源等信息。^[30]，这些稀有气体也是探索地球与行星形成和演化的有效示踪手段。例如，研究人员通过一些异常的氖同位素组成，在陨石中发现了前太阳物质，这种物质可以示踪恒星内部演化和太阳星云的形成；而且，氙同位素的异常促使灭绝核素被发现，而灭绝核素定年法是度量太阳系早期演化的有效时间标尺。^[31]

随着对宇宙深空探测的发展，一些地外样品稀有气体研究逐渐丰富，如星际尘、返回样品和陨石等。这些稀有气体在鉴别太阳系外物质、样品母体大气组成与演化、太阳系早期年代学、样品宇宙射线暴露历史、太阳早期辐射历史、成对陨石确定等领域也均具有重要应用。^[31]

氦气不易燃，且比氢安全，故常被用来代替氢充填气象气球和飞船。氦的溶解度比氮低，也可用于预防潜水病。氦的沸点最低，是所有气体中最难液化的，所以还可被用于超低温技术。另外，温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态，但在2.2K以下的液氦则是一种超流体，具有超导性、低粘滞性等许多反常性质，液氦常用于低温研究和核反应堆冷却剂，并且对于研究和验证量子理论很有意义。^[1]氡可用于预测地震，或用于大气迁移研究以及石油和铀的勘探。^[11]

若将氦气作为液体运输时，它的温度会非常低，甚至会凝固其他气体。

若与液氮接触会导致严重的冻伤。因此，要避免与液氮的直接接触，如果不可避免，需要配戴防冻工具。^[4]

装有氩气的容器长时间暴露于高温中会导致其剧烈破裂。如果将氩气液化，温度极低的液体与冷水接触可能会导致剧烈沸腾，若水是热的，则可能发生液体“过热”爆炸，此时应该用冷水冷却。与密闭容器中的水接触可能会导致较大的压力。此外，由于氩气比空气重，在密闭空间中可能积聚在较低的空间中，将会导致缺氧。^[6]

氪蒸气浓度过高时可能会引起头晕或窒息。^[7]

氡因为其本身以及子体衰变产生的a粒子有辐射，会破坏人体的器官和组织，从而导致癌症的发生。^[11]