惰性气体的用途和应用

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引言

了解惰性气体在我们日常生活中的贡献，对于理解化学中的一个重要方面——惰性气体的用途和应用至关重要。惰性气体表现为纯非金属化合物，它们是无色无味的低熔点和沸点的气体。液态时，这些元素不是良好的导电体。

惰性气体以气态形式存在的前提条件是标准温度和压力。惰性气体的通式被认为是$\mathrm{ns^2np^6}$。惰性气体通常具有非常稳定的电子构型，这使得它们的反应速率非常低。

什么是惰性气体？

惰性气体通常指元素周期表第18族元素。这些元素包括：氦 (He)、氖 (Ne)、氩 (Ar)、氪 (Kr)、氙 (Xe) 和氡 (Rn)。

惰性气体必须保持在标准状态的温度下才能以气态存在。惰性气体具有非常稳定的电子构型，不易形成分子，因此这些元素以单原子形式存在。

图1：电子构型

CK-12 基金会，轨道表示图，CC BY-SA 3.0

惰性气体位于元素周期表的最右侧，经国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC) 批准。该族包含非金属元素。这些元素也以其成员命名，被称为氖族或氦族。该族的所有元素都具有非常高的电离能。这些元素的电子在其最外层也均匀分布。惰性气体的密度随着原子序数的增加而增加，导致惰性气体元素的尺寸变大。

惰性气体：性质

下面列出了所有惰性气体的性质：

氦 (He) 的性质

图2：氦的原子结构

氦也用其符号 He 表示，其原子序数为 2。在标准或正常条件下，氦 (He) 存在于无色单原子气体中，本身没有明显的滋味。当使用少量氦 (He) 时，其作用方式无毒。它是其独特族中的第一种气体，也是所有气体中最轻的。重要的是要知道，氦 (He) 是一种 s 区元素，其电子构型为 1s²。

氖 (Ne) 的性质

氖是一种化学元素，也用其符号 (Ne) 表示，氖 (Ne) 的原子序数为 10。标准温度和压力 (STP) 条件使氖 (Ne) 像其独特惰性气体族中的其他元素一样保持无色单原子状态。氖 (Ne) 是仅次于氦 (He) 的第二轻的惰性气体。它位于第一周期，也属于现代元素周期表第 18 族。

氩 (Ar) 的性质

氩 (Ar) 被认为是第三种惰性气体，原子序数为 18。氩 (Ar) 通常是无色无味的，但在与电场接触时会发出紫色或淡紫色的辉光。氩 (Ar) 的熔点约为 83.81K。

氪 (Kr) 的性质

氪 (Kr) 的原子序数为 36。它也属于与前驱氩 (Ar) 相同的 P 族。其熔点约为 115.78K，其电子构型通常表示为 $\mathrm{[Kr]\: 4d^{10}5s^25p^6}$。

氙 (Xe) 的性质

第五种惰性气体氙 (Xe) 的原子序数显然是 54。其熔点已计算约为 161.4 K，其推导电子构型为 $\mathrm{[Xe]\:4f^{14}5d^{10}6s^26p^6}$。

氡 (Rn) 的性质

惰性气体氡 (Rn) 的原子序数为 86。非常重要的是要指出，元素氡 (Rn) 本身具有放射性。氡 (Rn) 的熔点和沸点分别为 202K 和 211.5K，属于元素周期表第六周期。

惰性气体：发现

惰性气体肉眼不可见，其非反应性使得它们很难被发现和观察。1894 年，威廉·拉姆齐爵士进行了一项实验来发现惰性气体。他试图去除空气中的所有气体，因此他加热铜和镁，并让空气通过它。观察到，当使用 100cm³ 空气时，总是剩下 1cm³ 空气，这就是惰性气体被发现的方式。

惰性气体：用途和应用

• 冶金领域广泛使用氩气，以提供所需的惰性气氛。钛、铝、不锈钢和镁的焊接过程需要这样的气氛。它还在钛的制造中经常使用。

• 锗和硅晶体需要少量氩气来生产电灯泡和晶体管。

• 氦在惰性气体中具有最低的沸点，因此它用于激光器以获得较低的温度。它在核反应堆中用作冷却气体。氦最常见的用途是填充飞艇和热气球。

• 氖用于放电管中以产生红橙色辉光。

结论

惰性气体通常是指元素周期表第 18 族元素。氦是所有气体中最轻的，沸点也最低。由于其低导电性和放电特性，惰性气体本质上是高度非金属的，因此这些气体在冶金领域得到广泛应用。

常见问题

Q1. 惰性气体能否以固体结构存在？

A1. 惰性气体在冷却或压缩后可以以固态或液态存在。当其呈凝聚态时，可以称为固态。

Q2. 氦气会过期吗？

A2. 惰性气体氦气不会过期或降低其质量。需要将其储存在气密性良好的钢瓶中。

Q3. 吸入氖气会有什么后果？

A3. 氖气是惰性的，但它被称为单纯性窒息剂。过量吸入会导致头晕、恶心、呕吐、意识丧失，甚至死亡。