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《稀有气体》是“无机化学探究式教学丛书”的第19分册。《稀有气体》共5章，包括稀有气体概述、稀有气体单质、稀有气体化合物中化学键的性质、稀有气体化合物和稀有气体的应用。编写中力图体现内容和形式的不断创新，紧跟学科发展前沿。作为基础无机化学教学的辅助用书，其宗旨是以利于促进学生科学素养发展为出发点，突出创新思维和科学研究方法，以教师好使用、学生好自学为努力方向，以提高教学质量、促进人才培养为目标。
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目录序丛书出版说明前言第1 章 稀有气体概述 31.1 稀有气体命名变迁 31.1.1 稀有气体包括的元素 31.1.2 稀有气体命名背景 41.2 稀有气体在自然界中的存在和分布 91.2.1 稀有气体在自然界中的存在 91.2.2 稀有气体在自然界中的分布 121.3 稀有气体化学的发展 211.3.1 尚未进入“化学圈”(1894～1962 年) 211.3.2 稀有气体化学的建立(1962～1972 年) 221.3.3 稀有气体化学的大发展(1972～1992 年) 231.3.4 稀有气体化学发展中的研究热点 23历史事件回顾1氡——看不见的危害 29历史事件回顾2太阳系中的稀有气体 42参考文献 47第2 章 稀有气体单质 552.1 稀有气体的发现和命名 552.1.1 第一个稀有气体氩的发现和命名 552.1.2 第二个稀有气体氦的发现和命名 572.1.3 稀有气体“双胞胎”氖和氪的发现和命名 582.1.4 第五个稀有气体氙的发现和命名 582.1.5 第六个稀有气体氡的发现和命名 592.2 稀有气体的同位素简介 602.2.1 稀有气体的同位素种类 602.2.2 稀有气体同位素分析测定 622.2.3 稀有气体全组分含量及同位素分析技术 642.2.4 氡的监测方法 662.3 稀有气体的物理性质 722.3.1 一般物理性质概貌 722.3.2 物理性质分析 732.3.3 氦的特殊性 792.4 深冷法提取稀有气体 832.4.1 提取的背景 832.4.2 提取的原理 852.4.3 深冷法从液化空气中提取稀有气体 862.4.4 深冷法从天然气中提取稀有气体 892.4.5 深冷法从合成氨尾气中提取稀有气体 922.4.6 深冷法从使用过的核燃料中提取稀有气体简介 932.5 非低温法分离纯化稀有气体 952.5.1 非低温法分离纯化稀有气体的必要性 952.5.2 非低温法分离纯化稀有气体技术 962.5.3 吸附分离材料研究简介 992.5.4 膜分离材料研究简介 1082.6 利用气体水包合物技术从氩、氪、氙混合气中分离氙 1152.6.1 利用气体水包合物技术的必要性 1152.6.2 利用气体水包合物技术的可能性 1162.6.3 利用气体水包合物技术从氩、氪、氙混合气中分离氙理论与实验的统一 1172.7 氡的提取和纯化 118参考文献 119第3 章 稀有气体化合物中化学键的性质 1313.1 对稀有气体惰性的重新认识 1313.1.1 银河系和河外星系区域探测到36ArH+ 1313.1.2 人类对稀有气体活性的探索 1353.2 稀有气体元素难以成键的原因 1433.2.1 稀有气体本身结构和本征性质的限制 1433.2.2 实现稀有气体活性的难度 1433.3 过往稀有气体成键研究的窘境 1443.4 稀有气体化合物非共价作用研究简介 1453.4.1 非共价作用概念 1453.4.2 稀有气体化合物非共价作用 1463.5 典型的稀有气体化合物成键模式 1513.5.1 稀有气体原子簇 1513.5.2 单配位化合物 1533.5.3 双配位“插入”化合物 1543.5.4 多配位化合物 1543.5.5 笼状、包裹体和吸附化合物 1563.5.6 压力的影响 158参考文献 159第4 章 稀有气体化合物 1654.1 氦的化合物 1654.1.1 氦二聚体 1654.1.2 包合物 1664.1.3 三元和四元体系化合物 1694.1.4 高压下氦化合物的研究进展 1714.2 氖的化合物 1784.2.1 氖的水包合物 1784.2.2 NeHe2和ArHe2的高压相 1794.2.3 高压下的Ng-O2二元相图 1814.2.4 氖和氩的硅化合物 1834.2.5 CCl4-He和CCl4-Ne复合物 1854.3 氩的化合物 1864.3.1 高压下氩与氙的反应性预测 1864.3.2 高压下稳定锂氩化合物 1884.3.3 加压生成Mg-Ng(Ng=Xe，Kr，Ar)化合物 1894.3.4 再谈插入式氟氩化氢(HArF) 1904.3.5 Ar(H2)2 1914.4 氪的化合物 1924.4.1 氪反应性的发现 1924.4.2 二氟化氪 1934.4.3 KrF2的氟离子给体性质 1964.4.4 氪-氮键合化合物 1984.4.5 氪-氧键合化合物 1994.4.6 氪与氮、氧或氟以外的元素键合的化合物 1994.4.7 KrF2和KrF+在合成高价无机化合物中的应用 2004.5 氙的化合物 2034.5.1 氙的氟化物 2044.5.2 氙的氟化物(n=2、4、6)的配合物 2134.5.3 氙的氧化物 2174.5.4 氙的氟氧化物 2274.5.5 氙化合物的水溶液化学 2314.6 氡的化合物 2334.6.1 化合物成键的可能性 2334.6.2 氟化氡的制备 234参考文献 235第5 章 稀有气体的应用 2445.1 稀有气体从惰性走向繁忙 2445.1.1 民众*熟悉的两个用途 2445.1.2 稀有气体走向繁忙的原因 2465.2 稀有气体在冶金中的应用 2485.2.1 焊接 2485.2.2 切割 2495.2.3 喷涂 2505.3 稀有气体在照明中的应用 2505.4 稀有气体在电子工业中的应用 2525.5 稀有气体在航空航天中的应用 2545.6 稀有气体在低温学中的应用 2555.7 稀有气体在核反应堆中的应用 2565.7.1 世界发电现状 2565.7.2 核动力反应堆 2575.8 稀有气体在地球化学中的应用 2595.9 稀有气体在太阳风分析中的应用 2615.10 稀有气体在医疗临床中的应用 2635.10.1 氦气在医学中的作用 2635.10.2 氙气在医学中的作用 2665.10.3 氩、氖和氪在医学中的作用研究 2695.11 稀有气体在窗户绝缘中的应用 270参考文献 270练习题 276**类：学生自测练习题 276第二类：课后习题 279第三类：英文选做题 280参考答案 281学生自测练习题答案 281课后习题答案 284英文选做题答案 288
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(1)掌握稀有气体的发现简史，理解元素周期表对发现稀有气体的指导作用。 (2)熟悉稀有气体的通性和氦的特性。 (3)了解稀有气体的工业深冷法、固体吸附分离法和膜渗透分离法提取、制备和纯化原理、工艺及研究状态。 (4)掌握用VSEPR理论分析稀有气体一般化合物的结构、成键原理和结构特点。 (5)了解稀有气体化学键研究进展，理解其中块相化合物、冷基质中的分子、液态和超临界惰性气体中的分子、高压下的化学、气态中性络合物、气相离子化学新概念及新类型化合物的主要内容，理解稀有气体化合物的合成和性质。 (6)了解稀有气体从“性质惰性”走向“应用繁忙”的背景及在冶金、照明灯光、电子工业、航空航天、低温学、核反应堆、地球化学、太阳风分析、医疗临床及窗户绝缘中应用的原理和实例，理解学科交叉提供的创新思维。 (1)对于稀有气体，有时也称为惰性气体，为什么？历史上有什么根源？ (2)巴特利特在1962年6月23日宣布著名的“六氟合铂(Ⅴ)酸氙Xe+(PtF6).”被合成[1]，对稀有气体化学的发展起到了什么作用？ (3)为什么氡被称为“看不见的杀手”？氡的监测方法有哪些[2]？ (4)太阳系的稀有气体是从哪里来的？人们探测的目的是什么？ (5)为什么要提倡非低温法稀有气体的分离及纯化技术？为什么膜气体分离稀有气体被认为是一种节能的选择[3-4]？ (6)稀有气体化合物中化学键研究的突破口在哪里[5-7]？对稀有气体化学的发展起到了什么作用？ (7)为什么稀有气体能从“性质惰性”到“应用繁忙”？ (8)为什么氙是很好的待选医用麻醉剂[8-9]，而原子半径较小的氦和氖却不具有麻醉作用？ 参考文献 [1]Bartlett N，Lohmann D H.Proc Chem Soc，1962，218:115-116. [2]李先杰.辐射防护通讯，2021，46(6):1-17. [3]Scholes C A.Chem Sci Eng，2019，14:305-316. [4]Gan F，Dong J，ZhengS， et al.ACS SustainableChem Eng，2020，8:9669-9679. [5]Bra.da B，HibertyP C.Nature Chem，2013，5:417-422;2015，7:1033-1038. [6]Shaik S，Danovich D，Silvi B， et al.Chem Eur J，2005，11:6358-6371. [7]BaastrupPC，CadeJ.Lancet，1970，296:326-332. [8]Bronco A，Ingelmo P M，ApriglianoM， et al.EurJAnaesthesiol，2010， 27:912-916. [9]Stuttmann R，Jakubetz J，Schultz K， et al.BMC Anesthesiol，2010，10:5-10. 第一章稀有气体概述 1.1稀有气体命名变迁 1.1.1稀有气体包括的元素 稀有气体(noblegas，文献中用Ng表示)元素是周期表中ⅧA族元素(也称为第18列)，包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和具有放射性的氡(Rn)。它们都是无色无味的单原子气体。以现有完整的七个周期的元素周期表论[1]，还应该包括118号人工合成的稀有气体(Og)，它是2002年由俄罗斯物理学家奥加涅相(Y.Oganessian，1933—)等带领的团队于俄罗斯杜布纳联合核子研究所*次通过撞击锎-249和钙-48粒子获得的 (1-1) 后来他们发现并观测到Og原子的衰变(图1-1)[3]，其半衰期只有0.66.0.18。2006年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)正式宣布该元素由俄罗斯杜布.纳联合核子研究所发现，以奥加涅相的名字将其命名为Og[4]。2017年5月9日，中国科学院、国家语言文字工作委员会、全国科学技术名词审定委员会在北京联合召开发布会，正式向社会发布118号元素Og的中文名称为[5]。 根据元素周期律，经理论计算显示，估计比氡更活泼，并不一定能称为惰性气体。稀有气体是元素周期表中反应性*小的气体。氦和氖能否构成稳定的化合物是值得怀疑的。由于至今只合成了4个Og原子，无法对其性质进行扎实的研究，下面不再叙述与Og相关的内容。 1.1.2稀有气体命名背景 1.稀有气体命名影响因素 稀有气体从被发现开始，其命名就受到人们认识的局限。 (1)在科学技术不太发达时，人们根本无法使用先进技术对发现的稀有气体做出科学、准确的判断。当然，稀有气体本身的性质也有些“怪”，难以使科学家揭去其与生俱来的面纱，以致在1869年3月俄国化学家门捷列夫(D.I.Mendeleev，1834—1907)创造化学元素周期表时[6]，未给稀有气体留出位置。直到1879年的周期表仍然没有稀有气体的位置(图1-2)。因为那时还没有任何一种稀有气体被发现。 (2)19世纪末至20世纪初，科学家用化学试剂对它们进行试验，都没有发现它们可以生成化合物，因此把它们称为“惰性气体”。就连被称为“稀有气体之父”的拉姆齐也称其为“惰性气体”[7]。这些元素被戴上了“惰性气体”的“帽子”，创造了“惰性气体”的“神话”。当1894年以后的几年内稀有气体元素陆续被发现时，拉姆齐[8]在一篇题为《周期律和惰性气体的发现》的文章中预言在氦和氩之间存在一个原子量为20的元素。他还预言存在具有原子量为82和129的两个相似的气体元素。拉姆齐写道：“学习我们的导师门捷列夫，以他为榜样，我要尽一切努力找寻久已期待和久经推测的氦和氩之间的气态元素的性质和关系，把空格填补起来。”并提出新的元素周期表(图1-3)。对此，门捷列夫显示了科学家的伟大胸怀，认为这是对他的周期律的考验，包容性地接受了拉姆齐的观点，并在1906年的周期表中将稀有气体作为零族元素列入(图1-4)。 (3)进入20世纪后，化学键和原子结构理论逐步得到发展。1916年，德国物理学家科塞尔(W.L.J.Kossel，1888—1956)[9]和美国化学家路易斯(G.N.Lewis，1875—1946)[10]从不同对象出发阐明了两种化学键的概念。这就是有名的“八隅律学说”，即“原子在化合时失去、获得或共享电子，其目的是要使它的外层电子与周期表中*接近的惰性气体的原子相同”。而稀有气体的原子，其*外层电子恰好是八个，形成了饱和的稳定结构。它们不易参与化学反应的特性得到了一定程度的解释。由于八隅律的概念简明，因而在化学教学中得到广泛的应用。不幸的是，人们从“形而上”的观点片面地理解八隅律，从八隅律导出一个绝对化的结论：惰性元素不可能形成化合物。这种思潮在化学界的影响极大。因此，自1933年以来，惰性气体的“神话”似乎已经确立，甚至被后来的其他事件所强化。 (4)1894～1962年的60多年中，尽管有“形而上”观点的束缚，但仍有少数人在1932～1933年做过理论推测及实验工作。著名化学家、两次诺贝尔奖获得者鲍林(L.C.Pauling，1901—1994)根据各种化合物离子半径的计算，也预言了二元酸H4XeO6存在的可能，KrF6、XeF6、Ag4XeO6和AgH3XeO6等盐类可能存在，以及XeF8的不稳定性[11]。1961年，鲍林[12]又否定了自己原来的预言，清楚地写道：“氙的化学性质是完全不反应。它没有任何能力形成普通的化合物，包括共价键或离子键。它唯一具有的化学性质是参与形成包裹体晶体。”1962年以来，这些预言大部分已被证实。在鲍林建议的启发下，Yost和Kaye[13]试图通过光照射或放电将氙与氯和氟结合(现在知道，在这种情况下会形成氟化氙)，但未成功。应该说，Yost和Kaye用的是正确的“钥匙”，但是由于不明原因，这扇“门”仍然关着。其后的30年中很少有人再做这方面的尝试。 回顾起来，这些权威科学家的“惰性元素”不能生成化合物的论点统治了化学界60余年，阻滞了稀有气体化学的发展，是一个值得吸取的教训。例如，苏联的著名教材《普通化学教程》[14]中就将其归结为“惰性气体相互之间或是和其他任何一种物质，均不起化学作用，这是和所有其余元素不同的，在周期表中它们形成了单*的零族”。 2.稀有气体命名的讨论 在以上背景下，对稀有气体的命名认识自然是不全面和不准确的，因此在教材和文献中有不同命名。命名的转变通常以1962年为分水岭。 (1)“惰性气体”。1962年以前，人们确信这些元素的性质不活泼，因此将其称为“惰性元素”。该族元素在常温常压下都是气体，因此又将它们称为“惰性气体”。其依据是拉姆齐[15]曾试图使氦和氩穿过炽热的钯、铂和铁发生反应，但没有成功，之后他在论文中总结道：“这意味着它们无法与这些金属形成任何化合物，无论条件多么不稳定，也无法在高温下溶解它们。”在随后的40年中(尤其是1920～1940年期间)，出现了几十份报道(如von Antropoff的报道[16-17])，其作者声称几种主族金属和过渡金属通过放电不仅结合了氦，还结合了氩和氖。然而，这
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