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元素中的忍者—惰性气体

2019-09-05 14:48

申请28元免费彩金-注册送28元无需申请-黄金城注册送58   惰性气体的存在可说是每个学过理化的人都知道的事,甚至许多人能朗朗上口地背出这群位于周期表第十八族的元素「氦氖氩氪氙氡」。然而,科学的进展并不如课本呈现出的简单直白,而是一部曲折的解谜电影,如果将时光倒转到150年前、门捷列夫最早提出周期表的时代,会发现当时人们虽已照周期表的预测试图找出剩余的元素,惰性气体们却完全不在上面。而本文就带着大家回溯时光、从早期对空气的研究开始,认识在这段寻找元素拼图的旅程中,惰性气体是如何在几位科学家锲而不舍的努力下登上科学舞台,并仍不断影响人们今日的生活。

  

 

  发现「忍者」的存在

  惰性气体像是自然界的「忍者」,难和其他元素反应、也难被当时的科学家以科学方法观测。然而,这群忍者却默默在世界上扮演着重要的角色──氦占了宇宙元素含量的四分之一;惰性气体气家族中第一个被发现的氩,则约占地球空气组成的百分之零点九。

  正因氩在空气中扮演的重要角色,1888年物理学家瑞立爵士(Lord Rayleigh)一系列对空气组成的研究出现原有理论无法解释的实验结果。当时已经知道空气主要由氧气和氮气组成,而瑞立受卜劳特假说中其他元素的原子量为氢的整数倍的概念启发,想更加精确地量测氧气和氮气的分子量。测量氮气的分子量时,为确认结果的可信度,瑞立选择从两种不同方法制备氮气,却发现无论怎么小心控制实验程序,从空气中取得的氮气和从氨(NH 3)中取得的氮气分子量计算结果一直有无法解释的差距,因此,困惑的瑞立将他的发现对外公布,向其他科学家寻求可能的解释。

  1893年化学家拉姆赛(Ramsay)回应瑞立的研究结果,两人猜想空气中可能有一种不易反应的气体存在,拉姆赛并成功在隔年取得该未知气体,分工研究该气体的物性与化性。藉由元素光谱和难以与其他物质反应的独特性质等证据,氩的存在初步登上科学舞台。然而,在当时瑞立与拉姆赛进一步基于气体动力论、预测氩气可能为单原子气体时,却因直接挑战当时元素周期表分类的完整性,受到门捷列夫等知名化学家的强烈抨击,使瑞立决心专注在物理学研究,留拉姆赛继续其寻找忍者家族成员的旅程。

申请28元免费彩金-注册送28元无需申请-黄金城注册送58   逐渐现形的忍者

  当科学家们开始把惰性气体看成一组遗失的拼图,而不只是一个「氩」的特例时,后面几个成员的寻觅过程似乎也因有了方向而更加顺利。1895年拉姆赛将他用三先令六便士购买的稀土铀矿放在硫酸溶液中加热,发现氦气的存在。1898 年仰赖液化空气技术的进展和助手Morris W. Travers 的协助,氪、氙、氖等单原子气体一个个在长达一星期的蒸馏过程现身。现在讲来轻松,但其实氙在空气中仅占87/10亿,拉姆赛的团队就像是要去找出隐身在十亿人中的八十七名嫌犯的存在的侦探。而原子量最大的氡的发现,则是另一位化学家索迪(Soddy)与拉姆赛合作,收集镭放射出的气体而得。瑞立和拉姆赛在惰性气体研究的贡献,扩充了人们过去对世界的想象,1904年门捷列夫终于在新修正的周期表加入这个隐身已久的惰性气体,瑞立和拉姆赛两人也分别在该年荣获诺贝尔物理奖与化学奖。

  虽然早在惰性气体被发现后,莫桑(Moissan)、拉姆赛等科学家便继续探问:「究竟有多强?这些气体真的无法与其他物质反应吗?」然而,当时仍无法找到击败这群忍者的机会,直到鲍林(Pauling)指出较重的惰性气体,因为核电荷被屏蔽,价电子受到的束缚较低,可能有机会形成稳定的分子,才又让一切露出新的曙光。1962是大有斩获的一年,巴勒(Barlett)率先于5月发表能在室温下稳定存在的含氙的化合物XePtF 6,紧接着于8月和10月,不同的研究团队也发表他们用高温、放电火花等技术分别制出的XeF 4与XeF 2。

申请28元免费彩金-注册送28元无需申请-黄金城注册送58   而到了今日,惰性气体早就不只是那群躲在角落、等待科学家探索的忍者,而是融入生活之中、使现今社会更加便利安全的幕后功臣之一。举例来说,氦常用在需要低温的技术,医院的磁共振造影(MRI)也需要液态氦的参与,而由于其不易反应的特性,除了被填充升空气球外,因为完全不溶于水,有时也会被拿来稀释潜水的氧气瓶,可以避免潜水症的发生。

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