稀有气体，真的稀少吗？

李启翔

一声春雷，唤醒了沉睡的大地。雷电，是一种大气放电现象，在闪电释放的极短瞬间，其内部温度可能达到上万摄氏度，并且放出大约10 亿焦耳的能量，换算成电能相当于280 度电，足够一个普通家庭使用一个月。

大家还记得我们去年介绍过的氦元素吗？那时候我们说，氦气既是一种惰性气体，也是一种稀有气体。而在元素周期表中，与氦同属一族的元素还有6个，今天它们就要一起登场了！

化学启蒙

高中化学第一册“原子结构与元素周期表”

元素周期表揭示了元素间的内在联系，使元素构成了一个较为系统的体系。

难以定义的一族

这个元素家族，是来自元素周期表中最后一列的氦、氖、氩、氪、氙、氡、 。从这七个元素的名称就能看出，它们一定与气体有关。

这是一些地球上含量不多，但又非常常见的元素；这是一些独立性强，但又渴望与朋友接触的元素；这是一些身份看似尊贵，但又平易近人的元素。

科学家们发现，找不到一个名词来概括它们，无论是稀有气体，还是惰性气体，又或者是高贵气体，都无法完美贴合这一元素家族的特色。这是为什么呢？

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第118 号元素“气奥 ”是一种放射性极强、极为不稳定的超重元素。 不存在于自然界中，只能在实验室内以粒子加速器人工合成。

空气中的一丝偏差

英国化学家瑞利男爵有一句名言：“一切科学上的最伟大的发现，几乎都来自精确的量度。”他的一生也奉行了这个观点，花费了大量精力从事精确的实验测量，通过严格的定量研究探究空气中的成分。如果没有他对数据的苛求，也许稀有气体元素的发现史将被推迟数十年。

18 世纪，科学家们对于空气的分析和测定已经进行了无数次，认为对于其中的成分已经了如指掌，无须继续探索。当时空气中公认的成分是氧气、氮气、二氧化碳和微量的水蒸气。

1895 年，瑞利采用了几种不同方式来获得氮气。首先是排除法，他先后去除了空气中的氧气、二氧化碳和水蒸气，这样得到的理论上就是“纯净”的氮气。经过测量，剩余气体的密度是1.2572克/ 立方厘米。

其次是制取法，瑞利通过化学反应，利用氨气制得了一种纯净的氮气，经过测量，这种气体的密度是1.2505 克/ 立方厘米，与之前测得的数据有一些差异。

接着，瑞利又用相似的方法，陆续从尿素、笑气和一氧化氮等含氮化合物中制取纯净的氮气，发现密度都和从氨气中得到的氮气密度一致，只有从空气中得到的氮气，无论怎样处理都更重一些。

于是，瑞利想辦法去除了重一些的气体中的氮气，最终留下了0.5 立方厘米的未知气体。

瑞利与他的好友化学家拉姆塞发现，这种未知气体通电的光谱，与之前任何一种已知元素的谱线都不同，毫无疑问，一种新元素被他们发现了。

他们还发现，这种新元素的气体单质，无论是加热、加压、通电还是使用催化剂，都无法与已知元素发生反应，于是将它命名为氩元素，意思是“不活跃”。

后来，拉姆塞又陆续发现了氦、氪、氖和氙，几乎将稀有气体一网打尽。只有氡是由德国物理学家道恩发现的。

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1902 年，门捷列夫将这些稀有气体元素列入他的元素周期表，分列为第0 族。1904 年，瑞利和拉姆塞分别获得诺贝尔物理学奖和化学奖，以表彰两位科学家在稀有气体元素领域的发现。

难以定义的一族

为什么这个族群有“稀有气体”的称呼呢？因为它们中的各个成员在空气中的自然含量很低，普遍不到万分之一，远远比不上氧气和氮气在空气中的存在感，且提取它们十分困难，使得科学家在探索空气成分时长期忽略了它们的存在。

不过也有例外，氩气是地球大气中含量第三丰富的天然气体，达到0.934％，是我们熟悉的二氧化碳的20 多倍，堪称最不稀有的稀有气体。同时它也是地壳中最丰富的稀有气体元素，从绝对数量上来看并不少。

而其他的稀有气体元素放到宇宙的尺度中也算不上稀少。比如，氦元素是仅次于氢的，宇宙中含量第二丰富的元素；氖元素是宇宙中含量第五丰富的化学元素。

惰性气体，也能交朋友

稀有气体最初也被称为惰性气体，与它们稳定的化学性质紧密相关。除氦（最外层是2 个电子）外，其他稀有气体元素的原子最外层都有8 个电子。此时，核外每层的电子都已“满员”，既不会从外界抢来电子补充空缺，也不容易失去电子，因此处于非常稳定的状态。

正由于其稳定性，这些气体在发现伊始，被认为在任何条件下都无法和其他物质发生反应，才有了“惰性气体”的名称。不过， 1962 年，首种惰性气体元素的化合物——六氟合铂酸氙被发现，后来，又陆陆续续发现或合成了其他几种惰性气体元素的化合物。

时至今日，科学家们经过不断尝试，除了氖元素暂时还无法制得化合物外，其他惰性气体元素已能形成数百种化合物，理论上还能产生更多的化合物。

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尽管不易与其他物质发生化学反应，但氡元素本身具有放射性。氡通常存在于大理石等石材中，因此在装修房屋时要慎选石材，避免对人体健康产生危害。

贵族气体，绽放色彩

由于稀有气体在地表十分稀少，人们提取它们的成本非常高，因此一度它们也有了“贵族气体”或“贵气体”的名称。

1902 年，一个叫乔治·克劳德的法国人经营了一家液化气体公司，将空气进行液化后，能够分离出氢气、氧气、氮气等，在这个过程中，也可以分离出氖气这个副产品，就这样，氖气的成本就被“打”了下来，民用成为可能。

那时候人们发现， 将氖气放进灯管里，能发出绚丽的红光。乔治·克劳德靠着改进后的氖气灯管成了百万富翁。这种灯被称为氖灯（Neonlamp），音译过来就是我们熟知的“霓虹灯”。

除了氖气，其他的稀有气体也可以激发出不同颜色的光——氦气发深黄色光，氩气发蓝紫色光，氪气发黄绿色光，氙气发白色光，霓虹灯也变得更加五彩缤纷。