惰性气体又称贵族气体,按照原子量递增的顺序排列,依次是氦、氖、氩、氪、氙、氡。在通常情况下,它们不与其他元素化合,仅以单个原子的形式存在。这些原子对于它们自己同类中的其他原子的存在也漠不关心,因而在常温下,它们都不会液化,全都以气体形式存在于大气之中。
首先被发现的惰性气体是氩,它是最常见的惰性气体,占大气总量的1%。惰性气体在地球上的含量很少。当一个原子向另一个原子转移电子或与另一个原子共享电子时,它们便相互化合了。惰性气体不愿这么做,其原因是它们的原子中的电子分布得非常匀称,要想改变其位置就需要输入很大的能量,这种情况是不大可能发生的。较大的惰性气体原子,例如氡,它的最外层的电子与原子核离得较远。
因此,外层电子与原子核之间的吸引力相对来说比较弱。由于这一原因,氡是惰性气体中惰性最弱的,只要化学家创造出合适的条件,也最容易迫使氡参与化合反应。原子最小的惰性气体是氦。在所有各类元素中,它是最不喜欢参与化合反应的,也是惰性最强的元素。甚至氦原子本身之间也极不愿意结合,液态氦是能够存在的温度最低的液体。事实上,化学家已经迫使原子比较大的惰性气体——氪、氙、氡与氟和氧那样的原子进行化合,氟与氧特别喜欢接受其他原子的电子。原子更小一些的惰性气体氦、氖、氩已经小到惰性十足的程度,迄今为止任何化学家都无法使它们参与化合反应。
氩元素
年,被称为“科学怪人”的英国科学家卡文迪许利用摩擦起电的方法,连续3个星期使空气中的氮气和氧气化合,将生成的氧化氮用苛性碱吸收,并用多硫化钾溶液除去剩余的氧气,结果发现残留下一个约为原来空气体积1/的不活泼微小气泡。他并没有进一步去研究,也未引起其他化学家的重视,致使惰性气体隐藏在茫茫空气中不为人所知。
在19世纪末期,英国著名实验物理学家瑞利利用各种方法测定气体的密度,当他测定氮气的密度时发现,从空气中分离出来的氮气密度比从化合物中分离出来的氮气密度略重,两者虽然相差甚微,但已超出了实验误差所允许的范围。瑞利没有忽视这一微小的差别,经反复实验,结果都是如此。于是求助于伦敦大学的化学教授拉姆塞,开始了探索稀有气体的艰苦征程。
通过别人的提醒,瑞利和拉姆塞仔细翻阅了多年前卡文迪许的实验记录,对卡文迪许发现的小气泡产生了强烈的好奇心,思考那个小气泡与空气中分离出的氮气密度反常的内在联系,更加坚信空气中有未知气体的存在,并决心进一步揭示卡文迪许小气泡之谜。
经过认真思考和努力,拉姆塞设计了一套巧妙的实验装置。他用炽热的镁粉反复吸收小气泡中残存的氮气,然后将其充入放电管中,通过光谱分析终于确证了一种未知气体氩的存在。拉姆塞进一步详细研究了氩的物理化学性质,发现无论是加热、加压、火花放电或使用催化剂,它都不与任何活泼非金属或活泼金属元素发生反应,其懒惰之极令人惊讶!
氩的发现被誉为是“第三位小数的胜利”。氩被发现后不久,拉姆塞及其助手又从钇铀矿中发现了氦,并大胆在元素周期表中开辟了一个新的元素族——零族,预言了其他稀有气体的存在。从年末开始,他和他的助手们经过几年艰苦卓绝的努力,通过分馏液态空气,发现和分离出了氖、氪、氙。
20世纪初,拉姆塞把研究方向转向放射化学新领域,对卢瑟福等人发现的“镭射气”和“钍射气”进行了详细研究,最后确定了这种放射性气体是一种新的惰性气体氡。氡的发现给稀有气体锦上添花,使其作为一个完整的元素群理直气壮地屹立在元素周期系中,并占据着极不寻常的重要地位。人们普遍认为对空气的研究早已详尽无遗,却万万没有想到在自以为最熟悉的空气中竟隐藏着一整族的未知元素。
拉姆塞和瑞利自发现氩以后,曾做了一系列实验,研究它的化学性质。他们利用多种方法试图使它与各种金属、氟、氯、氧、硫、碳、磷、碲以及多种氧化剂反应,或将氩分别通过赤热的氢氧化钠、过氧化钠,或将氩与四氯化碳、氢气、氯气混合,再用电火花引发,但结果发现,无论是加热、加压或使用催化剂,都不能使其发生任何变化。于是才取有懒惰、迟钝之意的“氩”。“惰性气体”也由此而闻名于世。此后,化学家们又陆续对发现的氦、氖、氪、氙等元素,也逐一使它们与各种化学试剂作用,但均未发现有任何化学反应发生。于是“惰性气体”和“零族元素”的名称也似乎更加名副其实。稀有气体在化学性质上完全惰性,它们好似贵族阶级的懒惰成性和冷漠无情,成为元素家族中的孤家寡人,因此它们又被称为“贵族气体”。
惰性气体
零族是一个化学元素的家族,可以说从它们被发现之初,命名便是一件难事。科学家不得不为它们取了一个很不雅的诨号,称它们为“惰性气体”。之所以给它们这个称谓是因为它们几兄弟从被发现之时起,化学家不论用什么样的已知的方法,都不能使它们发生任何的化学反应,真到了“天打五雷轰”都“岿然”不动,并且独善其身,与世无争的地步了。
在零族各成员被陆续发现后的半个多世纪中,对“惰性气体”这个称谓的命名,科学家似乎也习惯了。在门捷列夫编制周期表时,他果断地按化学性质相近、相似的原则,为那些尚未发现的元素,在表中预留了相应的位置,并且这些为未知元素所留下的位置,现在都已被后来陆续发现的元素所占据。
但在这个元素周期表中,门捷列夫唯独没有为零族元素留出位置。其原因很明显,零族元素虽然后来被发现了,但因长期未能发现它们的化学性质而被忽略了,直到零族6个成员都已发现后,年才被门捷列夫在周期表中安个“家”。原来的周期表已有了8个族,那么新来的这一族应排在什么地方呢?是否要称它们为第9族呢?因为周期表中每族元素序号是与这族元素的主要化合价相一致的,即I族元素为+1价;II族为+2价等类推,而从化学角度看,化合价还没有+9价的,新来的这族元素既然不发生化学反应,其化合价应视为“0”,就这样,在周期表中为这族取了个“0”的族序号,这就是零族称谓的由来了。
英国物理学家瑞利
惰性气体的发现填补了化学元素周期表的空白,是化学领域的又一大进步。