“佛系”的惰性气体

曲建翘 吴萍

在元素周期表中，惰性气体属于0族元素。包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），氡（Rn），由于在大气的化学组分中含量很少，故称为稀有气体。在日常生活中，这些稀有气体为人类带来了极大的方便。那么这些稀有气体的用途你了解多少呢？你知道它们是如何被发现的吗？让我们走近惰性气体的世界，挖掘它们的故事吧！

空气中那些“冷漠的面孔”

空气是指大气层中的气体混合，因此空气属于混合物。正常的空气成分按体积分数计算是：氮气约占78%，氧气约占21%，稀有气体约占0.939%，二氧化碳约占0.03%，还有其他气体和杂质约占0.03%，如臭氧、二氧化氮、一氧化氮、水蒸气等。

在惰性气体中，除氩气含量略高外（在100升空气中，就有1升氩气），其他气体含量极少。它们在空气中体积占比分别是氦0.0005%、氖0.0018%、氪0.00011%、氙0.000009%，科学家实验证明，当我们每吸一口气，会把5立方厘米左右（半汤匙）的氩吸入肺中，而同时吸入的氖气只有氩气的1/500，氦气只有氩气的1/2000，氪气只有氩气的1/10000，氙气只有氩气的1/100000。这些气体将会经过我们的肺部，但并不会对肺产生作用。因为这些气体全都是一副“冷漠的面孔”几乎不参加任何化学反应。

 英国化学家威廉·拉姆塞（图片来源/维基百科）

惰性气体的伟大发现

惰性气体含量这么少，它们是如何被发现的呢？

惰性气体6种元素是在1894-1900年间陆续被发现，主要要归功于英国化学家威廉·拉姆塞（1852-1916）。1894年拉姆塞和英国物理学家瑞利（1842-1919）合作实验，从空气中提取氮，每升重1.2572克，从氨气里提取的氮每升却重1.2560克，比前数轻千分之一。拉姆塞推断空气中的氮可能含有一种未知气体。他们经过多次实验，进一步分离，终于得到第一个惰性气体——氩，这个重大发现被称为“第三位小数的胜利”。

1895年，拉姆塞将钇铀矿置于硫酸加热，得到一种新的惰性气体——氦，从而第一次在地球上找到所谓的“太阳元素”。

拉姆塞研究了氦和氩的性质，指出它们在周期表中属于新的一族，并预言这一族中存在着其他元素。1898年，他在分馏液态空气时，发现了3种新的稀有气体，命名为氖、氪、氙。

 充有氩氮混合气体的白炽灯可保护钨丝的使用寿命

1899年，英国物理学家欧文斯和卢瑟福在研究钍的放射性时发现了钍射气，即氡-220;1900年德国的道恩在研究镭的放射性时发现镭射气，即氡-222;1902年德国化学家吉赛尔在锕的化合物中发现锕射气即氡-219;后来英国化学家拉姆塞确定镭射气是一种新元素和发现的其他稀有气体一样是一种化学惰性稀有元素。其他两种射气是它的同位素，拉姆塞和W·格雷测定氡的原子量，并确定了氡在周期表的位置。1904年，杰出的英国化学家威廉·拉姆塞因为发现空气的惰性气体元素，并确定它们在元素周期表中的位置，被授予诺贝尔化学奖。

點亮生活，为人类提供优质的照明服务

人们白天利用太阳的光芒照亮大地，夜晚人造光源给城市、农村带来光明。科学家们发明了电灯、日光灯、霓虹灯等。但是这些灯具的制造过程离不开惰性气体。

白炽灯是最早发明的光源之一，至今已有一百多年的历史，灯丝是灯泡的发光体，是由耐高温的钨（W）丝制成，钨丝的熔点可高达3410℃。但钨丝和其他金属一样，在高温下很快会发生强烈的氧化而烧断，所以灯丝必须工作在高度真空与不起氧化作用的惰性气体（氩、氮）或氩氮混合气体中，以保护钨丝的使用寿命。

还有一种氖气提示灯泡，它是一种辉发电灯泡，其结构由两电级构成，玻璃壳内充以氖气为主的混合气体。当两极加上额定电压时，管内气体发生辉光放电，发出橙红色的光。其体积小，耗电少（仅0.1瓦左右），发热量低。其次，由于没有灯丝，所以耐震性能好。氖灯泡的光线能穿透浓雾，常用作航空、航海和铁路交通指挥灯。

稀有气体在低压放电时，会发出多种颜色的光，可以制成五颜六色的“霓虹灯”把现代化都市的夜晚装扮得繁花似锦。

稀有气体在低压放电时会发出多种颜色的光

除此之外，氪气也可充填高级电子管和实验室用的可连续照射的紫外灯。它还能制成不需要电源的原子灯，适用于没有电源的地方使用，氪灯泡比同功率的氩气灯泡省电20%～25%，寿命可延长2～3倍，被称为“长寿灯”。氪灯的透射率很高，因而可用于夜战中越野战车上的照射灯，特殊照明的结点光源，以及闪光灯、频闪检测器等。

各个行业的掌中宝

氦的沸点是所有已知物质中最低的，液氦常用作超低温研究中的制冷剂，氦在原子反应堆中也可以用作制冷剂，氦又用于填充气体、温度计、电子管等。另外，氦和氧气混合制造的人造空气，可用于医学治疗。

氦可用于超导技术，因为在液氦的温度环境下，导体失去电阻，电流通过不发热、不损失，永久流动形成“超导电性”，如铁、硅等的冶炼以及高熔点与厚的高级合金的弧焊、切割等都需要氦。

用氦制作的激光器，可测量月球与地球之间的距离，精度在15厘米内。另外，氦具有很强的扩散性，因此，氦气是压力容器和真空系统最好的检漏指示剂。氦还可应用于食品保护，填充飞船及等离子，雷达探测和高空摄影等方面。

在惰性气体环境中进行的实验效果更准确

据日本《朝日新闻》2019年12月21日报道，日本氦气完全依靠进口。2020年短缺问题加剧，一大原因在于氦气出口国美国的氦气储存量大幅减少。另外，美国近年加大了页岩气开发力度，而页岩开发过程中，氦气容易逃逸至大气中，难以大量收集。

氦气短缺问题波及了日本多个行业。例如东京迪士尼乐园已有数周不出售氦气气球，多家医院优先接受医用氦气供应，导致部分科研项目受阻。日本物理学会和日本化学会曾联合发布声明，呼吁政府、学术界和工业界合作，加大氦气回收力度，建造大型氦气储存装置。由此可见，人们的生活、工业、医疗和航空等领域中一刻也离不开稀有气体。

与人类“相爱相杀”

氡气是一种具有天然放射性的稀有气体，是一种仅次于香煙、能导致肺癌的有害气体，是世界卫生组织（WHO）国际癌症研究中心（IARC）公布的19种主要致癌物之一。可见氡对人类的“危害”之大。

尽管放射性氡会对人类带来危害，但事物都有两面性，氡也在人类社会发展过程中起到了不可磨灭的作用：让我们看一看氡的应用。

一是在环境科学方面，一些科学家利用地下水中氡的浓度变化来预报地震;

二是医疗上的应用，氡主要靠放射出来的各种射线起作用，一般有浴疗、饮疗和吸收法并用。氡进入人体后，刺激人体功能促使皮肤血管收缩和扩张，调整心血管功能。因此可以治疗高血压及某些心血管疾病等。

简而言之，惰性气体为人类提供了优质的服务，让人们生活更加美好。未来如果大家对惰性气体元素有了更深入的了解，相信它们能给我们的生活带来更大的便利。