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稀有氣體（第一稿）

一，稀有氣體顏色（通電時(shí)）

氦氖氬

氪氙氡（放射性）

二，稀有氣體的發(fā)現(xiàn)

六種稀有氣體元素是在1894-1900年間陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)稀有氣體的主要功績(jī)應(yīng)歸于英國(guó)化學(xué)家萊姆賽（Ramsay W,1852-1916）。二百多年前，人們已經(jīng)知道，空氣里除了少量的水蒸氣、二氧化碳外，其余的就是氧氣和氮?dú)狻?785年，英國(guó)科學(xué)家卡文迪許在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，把不含水蒸氣、二氧化碳的空氣除去氧氣和氮?dú)夂?，仍有很少量的殘余氣體存在。這種現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)并沒有引起化學(xué)家的重視。一百多年后，英國(guó)物理學(xué)家雷利測(cè)定氮?dú)獾拿芏葧r(shí)，發(fā)現(xiàn)從空氣里分離出來的氮?dú)饷可|(zhì)量是1.2572克，而從含氮物質(zhì)制得的氮?dú)饷可|(zhì)量是1.2505克。經(jīng)多次測(cè)定，兩者質(zhì)量相差仍然是幾毫克?？少F的是雷利沒有忽視這種微小的差異，他懷疑從空氣分離出來的氮?dú)饫锖袥]被發(fā)現(xiàn)的較重的氣體。于是，他查閱了卡文迪許過去寫的資料，并重新做了實(shí)驗(yàn)。1894年，他在除掉空氣里的氧氣和氮?dú)庖院?，得到了很少量的極不活潑的氣體。與此同時(shí)稀有氣體，雷利的朋友、英國(guó)化學(xué)家拉姆塞用其它方法從空氣里也得到了這樣的氣體。經(jīng)過分析，判斷該氣體是一種新物質(zhì)。由于這氣體極不活潑，所以命名為氬（拉丁文原意是“懶惰”）。以后幾年里，拉姆塞等人又陸續(xù)從空氣里發(fā)現(xiàn)了氦氣、氖氣（名稱原意是“新的”意思）、氪氣（名稱原意是“隱藏”意思）和氙氣（名稱原意是“奇異”意思）。

氡是一種具有天然放射性的稀有氣體，它是鐳、釷和錒這些放射性元素在蛻變過程中的產(chǎn)物，因此，只有這些元素發(fā)現(xiàn)后才有可能發(fā)現(xiàn)氡。

1899年，英國(guó)物理學(xué)家歐文斯 (Owens R B)和盧瑟福 (Rutherford E,1871-1937)在研究釷的放射性時(shí)發(fā)現(xiàn)釷射氣，即氡-220。1900年，德國(guó)人道恩(Dorn F E)在研究鐳的放射性時(shí)發(fā)現(xiàn)鐳射氣，即氡-222。1902年，德國(guó)人吉賽爾 (Giesel F O,1852-1927)在錒的化合物中發(fā)現(xiàn)錒射氣，即氡-219。直到1908年，萊姆賽確定鐳射氣是一種新元素，和已發(fā)現(xiàn)的其它稀有氣體一樣，是一種化學(xué)惰性的稀有氣體元素。其它兩種射氣，是它的同位素。1923年國(guó)際化學(xué)會(huì)議上命名這種新元素為radon，中文音譯成氡，化學(xué)符號(hào)為Rn。

三，稀有氣體的物理性質(zhì)

稀有氣體元素分別位于第一至六周期的0族,單質(zhì)均由單原子分子組成,均為無色、無臭、無味的氣體.部分其余的物理性質(zhì)列舉如下:

（1）氙的復(fù)合氟化物

自從上上個(gè)世紀(jì)發(fā)現(xiàn)稀有氣體以來,歷經(jīng)六十多年的探索和嘗試,沒有制備出任何一種稀有氣體的化合物;因?yàn)?strong>稀有氣體成員的化學(xué)性質(zhì)都呈現(xiàn)出超常的不活潑，它們的單質(zhì)被認(rèn)為是這些元素穩(wěn)定存在時(shí)的唯一形式,被當(dāng)成最安全的惰性氣體。幾乎沒有人懷疑過稀有氣體元素有化合能力和稀有氣體元素的原子結(jié)構(gòu)是一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

然而在1962年，29歲的Bartlett(英)在研究鉑的氟化合物時(shí)得到一淡紅色的固體。在確認(rèn)其化學(xué)式是O2+（PtF6)—之后，他根據(jù)氙的第一電離能為1130kJ/mol，和氧分子變成O2+時(shí)所需的能量1110kJ/mol相近，認(rèn)為用同樣的合成條件應(yīng)當(dāng)能夠得到與O2+（PtF6)—相似的Xe+（PtF6)-,結(jié)果獲得了成功二氧化碳報(bào)警器，并在實(shí)驗(yàn)室里用不太激烈的條件合成了第一個(gè)穩(wěn)定的稀有氣體元素化合物，揭開了稀有氣體元素化學(xué)的新的一頁。巴特利特的發(fā)現(xiàn)和隨之而來的種種稀有氣體元素化合物的逐一出現(xiàn)，對(duì)于化學(xué)家們所熟悉的經(jīng)典原子結(jié)構(gòu)理論和化學(xué)鍵理論無疑是一次強(qiáng)烈的沖擊，使人們耳目為之一新。

XePtF6生成的反應(yīng)方程式:

Xe+PtF6 ------> XePtF6

除了XePtF6以外,某些其他金屬或非金屬的六氟化物MF6也可以生成XeMF6型化合物(如XeRhF6);而且用MF5與Xe,過量氟或者用MF5與氟化氙反應(yīng)亦均可得XeMF6型化合物(如XePF6或Xe （SbF6)２)．

通過對(duì)XeMF6型化合物的發(fā)現(xiàn)和研究，是對(duì)合成化學(xué)禁區(qū)的一次成功的突破，也是對(duì)原來的經(jīng)典化學(xué)理論體系（經(jīng)典原子結(jié)構(gòu)理論和化學(xué)鍵理論）進(jìn)行修正和補(bǔ)充，為稀有氣體化學(xué)開拓了新的領(lǐng)域。

（2）氙的鹵素化合物

用直接合成法可以制得氙的氟化物，所得產(chǎn)物決定于Xe和F2的配比：

２：１混合，光照加熱 Xe F2

F2

Xe ＋ F2１：５混合，０.１Mpa , 673K Xe F4

F2

１：20混合，>5Mpa , >523K Xe F6

這些氟化物都是強(qiáng)氧化劑,其還原產(chǎn)物多數(shù)情況下是單質(zhì)Xe,因而不會(huì)給反應(yīng)系統(tǒng)引進(jìn)雜質(zhì).

教材給出了氙的氟化物氧化碘離子,氫氣和汞的反應(yīng)方程式,其實(shí)它還可以氧化更難被氧化的物質(zhì),如:

XeF2 + 2HCl ------> 2 HF + Xe + Cl2

XeF4 + Pt ------> Xe + PtF4

XeF2 ,XeF4 遇水發(fā)生歧化反應(yīng):

2XeF2 + 2H2O → 2Xe + 4HF+O2

6 XeF4 + 12H2O→ 4Xe + 2XeO3+ 3O2 + 24HF

XeF6與水發(fā)生劇烈反應(yīng):

XeF6+3H2O → 6HF+ XeO3 (完全)

XeF6 + H2O → XeOF4 + 2HF (不完全)

三種氙的氟化物的部分性質(zhì)比較:

密度,熔點(diǎn),鍵能,化學(xué)位移等均隨XeF n的n值增大而減小;在無水HF中,惟 XeF4難溶, XeF2 和XeF6大量溶解,而且溶液中XeF2和XeF4未電離,而XeF6卻顯示電離,這種現(xiàn)象尚無圓滿解釋.

氙的氯化物和溴化物:

自從合成氟化氙以后,人們力圖使氙和氯,溴化合.現(xiàn)已制得XeCl2并且用蛻變法得到了XeCl4和XeBr2等.但是這些物質(zhì)遠(yuǎn)較XeF2和XeF4難制備.

（3）氙的氧化物和氟氧化物

迄今為止,氙的氧化物尚不能由單質(zhì)氙和氧直接化合生成,只能由氟化氙轉(zhuǎn)化而來;氙的氟氧化物也是靠氟化氙轉(zhuǎn)化獲得.如 XeOF4.XeO2F2系由XeF6轉(zhuǎn)化而來;而XeO3,XeO4與XeO3F2則由或XeF4或XeF6水解生成高氙酸再轉(zhuǎn)化生成。

因此,從某種意義上來說,氙的氧化物和氟氧化物可以看作是氟化氙的衍生物

XeO3的制備反應(yīng)的機(jī)理是XeF4水解發(fā)生歧化反應(yīng):

3XeF4 + 6H2O ---> XeO3 + 2Xe + 1.5O2 + 12HF

XeF6水解也可以制備:

XeF6 + 3H2O ---> XeO3 + 6HF

XeO3是無色透明晶體,吸濕性很強(qiáng),極易發(fā)生強(qiáng)烈爆炸,反應(yīng)式為:

XeO3 ---> Xe + 1.5O2

XeO3有很強(qiáng)的氧化性,可以把甲酸,脂肪族和芳香族的伯醇或者仲醇氧化為二氧化碳和水:

如: XeO3 + HCOOH ---> XeO2 +CO2 + H2O

XeO3還可以O(shè)H－反應(yīng)：XeO3 + OH－ ---> HxeO4－

XeO3的水溶液在高能輻下發(fā)生各種分解反應(yīng)，生成氙、氧和過氧化氫等。

XeO3對(duì)某些生物生長(zhǎng)有顯著影響，如抑制紅菜豆芽胚生長(zhǎng)率，使甜菜根組織的色素消失等。

氙的氟氧化物包括：XeO2F2 ，XeO3F2，XeO2F4，XeOF2等一系列物質(zhì)．而氙的氧化物至今只合成了XeO3與XeO，XeO僅在放電瞬間存在，可以觀察到XeO時(shí)的吸收與發(fā)射光譜，難以制?。趸瘶O易強(qiáng)烈爆炸，氟氧化氙和氟化氙吸潮后水解為氧化氙，且它們的爆炸原因和規(guī)律尚不完全明了，因此在研究，使用和運(yùn)輸氧化氙、氟氧化氙和氟化氙時(shí)一定注意采取防爆措施

（4）氙的復(fù)合物

現(xiàn)在已經(jīng)制成了種類繁多的氙的復(fù)合物．其中絕大多數(shù)是加合物，由氙化合物與其它某些簡(jiǎn)單化合物按一定化學(xué)計(jì)量比結(jié)合而成。事實(shí)上，前面我們所討論的XeMF6型化合物也是屬于加合物，鑒于XeMF6型化合物在化學(xué)領(lǐng)域具有開創(chuàng)意義，故先引述；下面我們將對(duì)氙的各種復(fù)合物全面的予以論述。氙的加合物包括氟化氙的加合物、氟氧化氙的加合物、氧化氙的加合物及其它氙的復(fù)雜加合物。

氟化氙可以和Lewis酸及某些堿金屬的氟化物形成加合物。至今已經(jīng)合成了數(shù)以百計(jì)的氟化氙的加合物，并且測(cè)定了它們的結(jié)構(gòu)，確證氟化氙是氟離子的供給者； Lewis酸等為氟離子的接受者二氧化碳檢測(cè)儀，生成離子型晶體:[Xe m F n ]+[M a F b ]_氟化氙的生成可能性和穩(wěn)定性取決于氟化氙與加合體之間給、受氟離子的情況。實(shí)驗(yàn)證明氟化氙釋放氟離子的能力順序?yàn)椋?XeF6> XeF2 >> XeF4；XeF4幾乎不生成加合物， XeF6生成加物的能力最強(qiáng)。利用生成加合物能力強(qiáng)弱差異可以提純某些氟化氙

氟化氙的加合物的部分性質(zhì)及對(duì)比：

氟化氙的熔點(diǎn)XeF2> XeF4 >> XeF6；而氟化氙的加合物的熔點(diǎn)基本顛倒：XeF6> XeF2 >> XeF4，其原因尚不知。

三種氟化氙給出氟離子能力次序與它們?cè)跓o水氟化氫中的溶解度一致； XeF4幾乎不溶，XeF2、XeF6易溶, XeF6并發(fā)生離解。這兩種性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系有待進(jìn)一步探討。

氟化氙的加合物共性：

各種氟化氙的加合物不論穩(wěn)定性如何，只要一與水接觸，立即發(fā)生氟化氙自身水解反應(yīng)，生成氙化合物的水溶液，甚至空氣中的水蒸氣也會(huì)引起某些氟化氙的加合物的水解稀有氣體，如CsFoXeF6在潮濕空氣中水解為：

CsF

oXeOF4或CsF

o

XeO3為防止水解，儲(chǔ)放氟化氙的加合物時(shí)應(yīng)該考慮防潮。

氟氧化氙的加合物：

氟氧化氙的加合物以XeOF4最穩(wěn)定，它與XeF4相仿，能生成多種加合物，但比XeF4給出氟離子的能力小。XeOF4與Lewis酸作用時(shí)，給出氟離子，生成離子型化合物[XeOF n ]+[MF n

+

1 ]_；如：XeOF4與Lewis酸

SbF5作用時(shí)無色離子型晶體XeOF4

oSbF5及XeOF4

o

2SbF5

o

XeOF4與堿金屬氟化物、NOF反應(yīng)時(shí)則是后

者給出氟離子，XeOF4表現(xiàn)為接受氟離子，仍然生成離子型加合物。如：XeOF4與AsF5在-78℃生成不穩(wěn)定 [XeOF3] +[AsF6]_ ;與NOF反應(yīng)生成XeOF4與堿金屬氟化物、NOF反應(yīng)時(shí)則是后者給

出氟離子，XeOF4 oNOF均為離子型加合物。XeOF4與過度金屬氟化物（如VF5）反應(yīng)則生成分子型加合物。

氧化氙的加合物：

迄今主要發(fā)現(xiàn)XeO3與堿金屬鹵化物生成加合物，它們實(shí)際上也是前述鹵氙酸鹽。這類加合物突出特點(diǎn)是爆炸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性良好，水溶液也較穩(wěn)定。如CsF與XeO3均吸水、吸氟化氫性強(qiáng)，而加合物CsF3不吸水也不吸氟化氫，甚至在水中保持著加合物的結(jié)構(gòu)，沒有完全離解。

其它氙的復(fù)雜加合物：

（1）有機(jī)化合物

至今仍未獲得，但是色譜分析和電泳實(shí)驗(yàn)可以測(cè)到極不穩(wěn)定的氙苯陽離子[RXe]+的瞬間存在。這證明只要掌握適宜的反應(yīng)條件(如加入穩(wěn)定劑) ，氙的有機(jī)化合物完全可能合成。

（2）氟化氙的衍生物：

即氟化氙中的氟為電負(fù)性強(qiáng)的基團(tuán)取代，生成氙化合物。反應(yīng)通式為：

XeF n+HA ---> F n-1XeA +HF(A為電負(fù)性較強(qiáng)基團(tuán)，也可用OR表示)

（3）氙的氟硼化合物

理論計(jì)算結(jié)果表明了氙的氟硼化合物的可能性。已經(jīng)獲得的有：F3XeB稀有氣體，其結(jié)構(gòu)式為：FXe-BF2

氙與BF3并加入1-2﹪的氟在高能輻射源激發(fā)下生成大量F3XeB和少量XeF2，XeF2僅和BF3反應(yīng)生成前述的加合物XeF2oBF3

（5）其他稀有氣體的化學(xué)性質(zhì)

氪的化合物：

氪的化合物僅有KrF2及其加合物

KrF2 的制法有：基質(zhì)析離法、高能輻射法、放電合成法和光化學(xué)合成法。制取基本原理是：

Kr + F2---> KrF2

KrF2是無色、具有揮發(fā)性固體，KrF2四不穩(wěn)定，僅在干冰溫度（-78℃）下可以儲(chǔ)放。晶體為四方系，與XeF2相似,是對(duì)稱的線形分子。在酸、堿性水溶液中均迅速水解，產(chǎn)物Kr和F2為且無任何氪化合物留在水中（因?yàn)闊o放射性85Kr）。

值得注意的是，至今所知由單質(zhì)氟合成的各種氟化合物中，KrF2是唯一通過吸熱反應(yīng)而生成的（生成熱為14.4千卡/摩爾）。這一點(diǎn)具有極為重要的潛在意義，它意味著KrF2是一種比單質(zhì)氟的氧化能力更強(qiáng)的物質(zhì)，是一種異常強(qiáng)烈的氧化劑，其氟化—氧化能力超過氟化氙、鹵素氟化物和氟氧化物等。

KrF2的加合物：

KrF2的加合物種類很多，加合體基本上是氟化物。如： KrF2

oSbF5、KrF2

o

XeF6等.目前理論證明氧化

氪（KrO3）是有可能存在，問題是尚未找到合成的途徑。

氡的化合物:

氡是稀有氣體中原子序數(shù)最大的元素，第一電離能最小，理應(yīng)易于生成化合物，但是由于它所有的同位素都具有很強(qiáng)的放射性，且半衰期都很短（最長(zhǎng)的222Rn也只有3.8天），這就增加了研究氡的化合物的難度。因?yàn)殡痹颖旧砭汀吧钥v即逝”。判斷氡是否生成了化合物主要根據(jù)氡和的氡化合物揮發(fā)性的差異。這是根據(jù)單質(zhì)氡的揮發(fā)性大，氡化合物的揮發(fā)性小。而且氡的分析測(cè)定不是用傳統(tǒng)的化學(xué)方法，而是利用氡及其衰變體系自身的放射性，用放射性探測(cè)儀測(cè)定。

至今已制成的氡化合物實(shí)際上僅有氟化氡。而且氟化氡是很難制備的。

制備方法有:

（1）加熱合成法：

Rn+3F2 ---> RnF6

（2）室溫或低溫合成：

在室溫或低溫下，氡被氟化氙、氟化氪等氟化生成RnF2并有微量RnF4。氟化氡穩(wěn)定性很好，在酸、堿水溶液中均會(huì)水解，氡氣都釋放出來，不會(huì)在溶液中留下任何氡化物，這類似于氟化氪，與氟化氙迥然不同。合成其他稀有氣體化合物的可能性:

至今已經(jīng)制成了大量的稀有氣體化合物，但都僅局限于原子序數(shù)較大的重稀有氣體氪、氙、氡；對(duì)

于原子序數(shù)較小的輕稀有氣體氦、氖、氬，仍未制成化合物。但在理論上預(yù)測(cè)有制成某些化合物的可

能性，并且設(shè)想了制備途徑，現(xiàn)介紹如下：

一、氦的化合物:

（1）氘的β衰變法即利用氘β衰變后變成氦，這樣氘的化合物β衰變后就變成氦的化合物。如：TF2 ---> HeF2+ β_

（2）熱中子輻照法 用熱中子輻照LiF,使產(chǎn)生核反應(yīng)

+ ---> + Li(n,a)反應(yīng)后，生成的氦核與母體晶格中的F _

相結(jié)合生成HeF 2 二、氖和氬的化合物

關(guān)于氖和氬能否生成化合物同樣作了許多推測(cè)。根據(jù)稀有氣體的電負(fù)性可以預(yù)測(cè)HNe +

、CF 3Ne +

和BF 3Ne +

的存在。理論上也可以證明AsF _

生成有足夠的穩(wěn)定性。

五,稀有氣體及其化合物的應(yīng)用

(一) 氦的應(yīng)用

氦氣用于充填探空氣球、氣艇、電子管；在焊接或冶煉金屬時(shí)用做保護(hù)氣。用液氦取得低溫，廣泛應(yīng)用 于超導(dǎo)設(shè)備、粒子加速器等尖端技術(shù)中。用氦、氧混和氣(人造空氣)供深水潛水員呼吸可防潛水病。液氦可制低溫溫度計(jì)。還用于制激光器及霓虹燈。 （二）氖的應(yīng)用

氖氣在低壓放電時(shí)被激發(fā)出亮桔紅色光。因此用于制霓虹燈、激光器、指示燈，還用于高能物理研究。液 態(tài)氖可用作冷凍劑 。 （三）氬的應(yīng)用

氬氣用于充填電燈泡和日光燈管，切割或焊接金屬時(shí)用作保護(hù)氣體。用少量氖與其混合可制成藍(lán) 色或綠色放電管。 （四）氪的應(yīng)用

氪氣用于充填電燈泡和電子器件。能吸收X 射線，用作X 射線工作時(shí)的遮光材料。它跟氬混合可充 填霓虹燈管。還用于充填電離室以測(cè)量宇宙射線。 （五）氙及其化合物的應(yīng)用

氙在電場(chǎng)作用下能發(fā)出強(qiáng)烈的白光。用于制高壓長(zhǎng)弧氙燈(俗稱人造小太陽)，產(chǎn)生紫外線的高壓電弧 燈、閃光燈、中子計(jì)數(shù)器，X 射線計(jì)數(shù)器，還用作麻醉劑、原子反應(yīng)堆中的中子吸收劑、充填閘流管和探測(cè)宇宙線用的電離室。在精煉合金時(shí)，加入固體的二氟化氙、四氟化氙，有助于除去金屬或合金中所含的氣體和非金屬夾物。稀有氣體的氟化物可作為猝滅消融劑的組分，使宇航飛行器從外層空間返回地球時(shí)免受外殼與大氣摩擦產(chǎn)生高溫作用 。稀有氣體鹵化物還可以作為大功率激光器的工作物質(zhì)。例如，一氟化氙激光器可發(fā)射出波長(zhǎng)為351.1納米和353.1納米的激光束。人們還試圖探討將三氧化氙和四氧化氙用作火箭推進(jìn)劑的可能性。 （六）氡的應(yīng)用

用于放射治療或作中子源。在鈾—235作核燃料的原子反應(yīng)堆中，過去對(duì)如何處理具有放射性的氪和氙裂變產(chǎn)物感到困難，現(xiàn)在可以利用氟化的辦法，使它們轉(zhuǎn)為固態(tài)的氟化氪和氟化氙，并利用它們氟化能力的不同，將它們作進(jìn)一步的分離。在鈾礦的開采中，氡是一種有害的強(qiáng)放射性氣體， 也可以通過氟化處理而消除。

2011年2月

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