稀有气体的物理和化学性质
空气中约含1%(体积百分)稀有气体,其中绝大部分是氩。稀有气体都是无色、无臭、无味的,微溶于水,溶解度随分子量的增加而增大。稀有气体的分子都是由单原子组成的,它们的熔点和沸点都很低,随着原子量的增加,熔点和沸点增大。它们在低温时都可以液化。稀有气体原子的最外层电子结构为ns2np6(氦为 1s2),是最稳定的结构,因此,在通常条件下不与其他元素作用,长期以来被认为是化学性质极不活泼,不能形成化合物的惰性元素。直到1962年,英国化学家N.巴利特才利用强氧化剂PtF6与氙作用,制得了第一种惰性气体的化合物Xe[PtF6],以后又陆续合成了其他惰性气体化合物,并将它的名称改为稀有气体。
空气是制取稀有气体的主要原料,通过液态空气分级蒸馏,可得稀有气体混合物,再用活性炭低温选择吸附法,就可以将稀有气体分离开来。
氦气是除了氢气以外最轻的气体,可以代替氢气装在飞船里,不会着火和发生爆炸。
液态氦的沸点为-269℃,利用液态氦可获得接近绝对零度(-273.15℃)的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气,供探海潜水员呼吸,因为在压强较大的深海里,用普通空气呼吸,会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升,体内逐渐恢复常压时,溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡, 对微血管起阻塞作用,引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多,用氦跟氧的混合气体(人造空气)代替普通空气,就不会发生上述现象。
氩气经高能的宇宙射线照射后会发生电离。利用这个原理,可以在人造地球卫星里设置充有氩气的计数器。当人造卫星在宇宙空间飞行时,氩气受到宇宙射线的照射。照射得越厉害,氩气发生电离也越强烈。卫星上的无线电机把这些电离信号自动地送回地球,人们就可根据信号的大小来判定空间宇宙辐射带的位置和 强度。
氪能吸收X射线,可用作X射线工作时的遮光材料。
氙灯还具有高度的紫外光辐射,可用于医疗技术方面。氙能溶于细胞质的油脂里,引起细胞的麻醉和膨胀,从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体,作为无副作用的麻醉剂。在原子能工业上,氙可以用来检验高速粒子、粒子、介子等的存在。
氡是自然界唯一的天然放射性气体,氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的氡子体,进入人体的呼吸系统造成辐射损伤,诱发肺癌。体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一种生物效果,会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤。
然而,氡也有着它的用途,将铍粉和氡密封在管子内,氡衰变时放出的α粒子与铍原子核进行核反应,产生的中子可用作实验室的中子源。氡还可用作气体示踪剂,用于检测管道泄漏和研究气体运动。
作为麻醉剂,氙气在医学上很受重视。氙能溶于细胞质的油脂里,引起细胞的麻醉和膨胀,从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙气和20%氧气组成的混合气体,作为无副作用的麻醉剂。
氦气是除了氢气以外最轻的气体,可以代替氢气装在飞船里,不会着火和发生爆炸。
液态氦的沸点为-269℃,利用液态氦可获得接近绝对零度(-273.15℃)的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气,供探海潜水员呼吸,因为在压强较大的深海里,用普通空气呼吸,会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升,体内逐渐恢复常压时,溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡,对微血管起阻塞作用,引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多,用氦跟氧的混合气体(人造空气)代替普通空气,就不会发生上述现象。
随着工业生产和科学技术的发展,稀有气体越来越广泛地应用在工业、医学、尖端科学技术以至日常生活里。
利用稀有气体极不活动的化学性质,有的生产部门常用它们来作保护气。例如,在焊接精密零件或镁、铝等活泼金属,以及制造半导体晶体管的过程中,常用氩作保护气。原子能反应堆的核燃料钚,在空气里也会迅速氧化,也需要在氩气保护下进行机械加工。电灯泡里充氩气可以减少钨丝的气化和防止钨丝氧化,以延长灯泡的使用寿命。
稀有气体通电时会发光。世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的(霓虹灯的英文原意是“氖灯”)。氖灯射出的红光,在空气里透射力很强,可以穿过浓雾。因此,氖灯常用在机场、港口、水陆交通线的灯标上。灯管里充入氩气或氦气,通电时分别发出浅蓝色或淡红色光。有的灯管里充入了氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体(也有三种或两种的)的混合物。由于各种气体的相对含量不伺,便制得五光十色的各种霓虹灯。人们常用的荧光灯,是在灯管里充入少量水银和氩气,并在内壁涂荧光物质(如卤磷酸钙)而制成的。通电时,管内因水银蒸气放电而产生紫外线,激发荧光物质,使它发出近似日光的可见光,所以又叫做日光灯。
氦是除氢以外最轻的气体,可以代替氢气装在飞船或气球里,不会着火和发生爆炸。
氦气还用来代替氮气作人造空气,供探海潜水员呼吸。探海潜水员不能用普通的空气呼吸,因为压强加大,气体的溶解度也加大,所以在压强较大的深海里用普通空气呼吸,会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员上升体内逐渐恢复常压的时候,溶解在血液里的氮气要放出来,形成气泡,对微血管起阻塞作用,引起“气塞症”。氦在血液里的溶解度比氮小得多,用氦跟氧的混合气体(人造空气)代替普通的空气,就不会发生以上的现象。
利用液态氦可获得接近绝对零度(-273.15℃)的低温。
氩气经高能的宇宙射线照射后会发生电离。利用这个原理,可以在人造地球卫星里设置充有氩气的计数器。当人造卫星在宇宙空间飞行时,氩气受到宇宙射线的照射。照射得越厉害,氩气发生电离也越强烈。卫星上的无线电机把这些电离信号自动地送回地球,人们就可根据信号的大小来判定空间宇宙辐射带的位置和强度。
氪能吸收X射线,可用作X射线工作时的遮光材料。
氙灯还具有高度的紫外光辐射,可用于医疗技术方面。氙能溶于细胞质的油脂里,引起细胞的麻醉和膨胀,从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体,作为无副作用的麻醉剂。
在原子能工业上,氙可以用来检验高速粒子、粒子、介子等的存在
气的生产,主要是分离液态空气,但也会从核反应堆中铀裂变后产生的气体中提取氪-85。氪-85是一种放射性元素,半衰期为10.8年,随后会衰变成没有放射性的铷-85,于是人们利用氪-85的这一特性,来侦查秘密的核军事活动。在1985年《无损检测》的一篇文章中,科学家描述了氪-85的另一个用途,就是用高纯度氪-85气体处理材料表面,能发现细微的裂缝,可用于密封用材的查漏。。和其他稀有气体一样,氪气在通电以后,也会发出特定颜色的光,并以等离子的形式释放出大量的谱线,这使氪成为制造高功率气体激光器的重要材料。氪还能制成不需要电能的原子灯,当灯管充满氪气时能增加10%的光通量,因此大量用作矿灯、越野车照射灯和飞机跑道的指示灯等。
氪元素和其他稀有气体元素一样,其原子的最外层电子达到了8个电子的稳定结构,很难与其他元素发生反应而生成化合物,因此像氪气一样的稀有气体也被称为“惰性气体元素”。1962年,就在发现这些气体之后的第65年,人们终于合成了第一种惰性气体的化合物——氙的化合物;随后的一年,人们分离出了第一种氪的化合物——二氟化氪。后来人们还利用这些氟化氪制作成了特制的氟化氪激光器,应用于光刻技术,能使半导体元件进一步微细化,大大增加了这些半导体元件在硅芯片上的密度。
氪因其透射率特别高,大量用作矿灯、越野车照射灯。还广泛用于电子、电光源工业,还用于气体激光器和等离子流中。液体氪可用作气泡室,探测粒子的轨迹。放射性氪可用于密闭容器的检漏和材料厚度的连续性测定,还可以制成不需电能的原子灯。医学上,氪的同位素用作显踪剂。氪是一种化学元素,是一种无色、无臭、无味的惰性气体,化学性质极不活泼,不易与其他物质产生化学作用,已知的化合物有二氟化氪。
把它放电时呈橙红色,在大气中含有痕量,可通过分馏从液态空气中分离,氪的多条谱线使离子化的氪气放电管呈白色,注入氪气的电灯泡是很光亮的白色光源,常用于制作荧光灯。
氪的制备方法,
1、从合成氨尾中提取氪。合成氨尾气提氩工艺流程副产氪和氙混合气,经精馏、洗涤、除氧、吸附、解吸可制得99%氪气。
2、空分法,从空分装置中提取氪、氙混合气。经提取贫氪、清除碳氢化合物和二氧化碳、分离,制得99.99%的纯氪。
3、从核反应堆裂变气中提取氪,综合利用核反应堆的裂解废中放射性的Kr85。
4、工业上实现的有氟里昂溶剂吸收法。
5、工业上用分馏液体空气制得氪。
6、可从大型的空气液化分离塔内,在制氧或氮的同时从抽出的馏份中分出氪。
氪对人体的危害
氪无毒性,但因其麻醉性比空气高7倍以上,恐有窒息性之可能。人吸入含有50%氪气和50%空气的气体所引致的麻醉相当于在4倍大气压力之下吸入空气,也相当于在30米水深潜水。
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