稀有气体的发现历史

1868年,天文学家在太阳光谱中发现了一条特殊的黄色谱线D3,它不同于已知的黄色谱线D1和钠的D2,从而预测太阳中可能存在一种未知元素。后来这种元素被命名为“氦”,意为“太阳元素”。

20多年后,拉姆齐证实地球上也存在氦。1895年,美国地质学家希尔布兰德观察到,在硫酸中加热钇铀矿石会产生一种不能自燃或支持燃烧的气体。他认为这种气体可能是氮气或氩气,但他没有继续他的研究。拉姆齐知道这个实验后,用钇铀矿重复了这个实验,得到了少量气体。用光谱分析测试气体时,我以为能看到氩的谱线,却意外发现了一条黄线和几条其他颜色的微弱亮线。拉姆齐将它与已知的谱线进行了比较,没有一条与它相似。苦苦思索,终于想起了27年前在太阳上发现的氦。氦的光谱是黄线。如果这两条黄线能重合,钇铀矿释放的气体应该是太阳元素氦。拉姆齐非常谨慎,请当时英国最著名的光谱学专家克鲁克斯帮忙检查,确认拉姆齐获得的未知气体就是“太阳元素”气体。1895年3月,拉姆齐在《化学新闻》上首次发表了关于地球上发现氦的简报,同年在英国化学年会上正式宣布了这一发现。后来,人们在大气、水、天然气、液化石油气、铀等矿物质,甚至陨石中发现了氦。1902年,德米特里·门捷列夫接受了氦和氩的发现,这些稀有气体被列入他的元素排列中,被归类为0族,元素周期表就是由此演变而来的。

拉姆齐继续使用分馏法将液态空气分离成不同的成分,以寻找其他稀有气体。他在1898中发现了三种新元素:氪、氖和氙。氪来自希腊语“ζξυυτ(kruptós)”,意为“隐藏”;氖来自希腊语νο(néos),意为“新”;Xenon来源于希腊语ξνο(xénos),意为“陌生人”。氡气是弗里德里希·恩斯特·邓恩在1898年发现的。它最初被命名为镭辐射,但当时没有被列为稀有气体。直到1904,其特征才与其他稀有气体相似。1904年,瑞利和拉姆齐分别获得诺贝尔物理学奖和化学奖,以表彰他们在稀有气体领域的发现。英国皇家科学瑞典学院主席希德·布洛姆(Sid blom)发表演讲称:“即使前人未能鉴定出这个家族中的任何一个元素,他们仍然可以找到一个新的元素家族,这在化学史上是独一无二的,对科学发展具有本质上的特殊意义。”

稀有气体的发现有助于加深对原子结构的全面了解。1895年,法国化学家亨利·莫瓦桑试图让氟(电负性最强的元素)和氩(稀有气体)发生反应,但是失败了。直到20世纪末,科学家们仍然无法制备氩化合物,但这些尝试促进了新的原子结构理论的发展。基于这些实验结果,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在1913年提出,原子中的电子以电子层的形式排列在原子核周围,除氦以外的所有稀有气体元素的最外层电子层总是含有8个电子。在1916中,吉尔伯特·牛顿·刘易斯制定了八面体定则,指出最外层电子层的八个电子是任何原子最稳定的排列;这种电子构型阻止了它们与其他元素发生反应,因为它们不需要更多的电子来填充它们最外层的电子层。

但在1962年,尼尔·巴特利特发现了第一个稀有气体化合物六氟铂酸氙。其他稀有气体化合物随后被发现:二氟化氡,氡的一种化合物,发现于1962;而在1963年,氪化合物二氟化氪被发现。2000年,在40K(-233.2℃)下成功制备了第一个稳定的氩化合物氟化氢氩(HArF)。

1998 65438+2月,来自俄罗斯杜布纳联合核研究所的科学家用钙原子轰击钚,产生了114元素的单个原子,后来被命名为Fl。初步的化学实验表明,这种元素可能是第一种超重元素,虽然它位于元素周期表的14族,但它具有稀有气体的特征。5438年6月至2006年10月,美国联合核研究所和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家通过用钙原子轰击锎成功合成了Uuo,钙原子是18家族的第七种元素。

2013 12 12两个研究超新星爆炸碎片的国际科研小组在美国《科学》杂志上报告说,他们在宇宙中首次发现了惰性气体分子,并首次观测到生命六大基本元素之一的磷在恒星爆炸中心的形成。

英国伦敦大学学院教授迈克·巴洛(Mike Barlow)及其同事利用欧洲航天局的赫歇尔太空望远镜,在远红外波段观测了距离地球6500光年的蟹状星云,发现了氩和氢分子。他们观测到的是氩同位素氩36,它被蟹状星云中心中子星发出的能量电离,然后与氢形成氩氢分子。这一发现也支持了氩36同位素起源于超新星中心的理论。

在另一项研究中,韩国和美国的研究人员在仙后座A中发现了大量的磷,仙后座A是银河系中已知的最年轻的超新星遗迹。他们在加州帕洛马山天文台用直径为5米的黑尔望远镜进行的观测表明,仙后座A中磷与铁56同位素的比例比银河系其他地方高100倍,这表明磷也在超新星中产生。

在2013之前,科学家已经观测到了宇宙中其他五种基本生命元素的起源:碳、氢、氧、氮、硫。

在发现氮气大约一百年后,英国化学家瑞利(j . w . s . 1842-1919)通过去除空气中的氧气、二氧化碳和水蒸气得到了氮气。另一方面,氮是由氮化物分解产生的。他对比了两种氮源,发现正常情况下前者的密度为1.2572g/L,后者的密度为1.2508g/L。为什么空气中的氮气密度更高?里面有更重的惰性气体吗?英国化学家拉姆齐(W.1852-1916)用燃烧的镁与空气中的氮气反应,除去空气中的氮气,留下少量稀有气体。经光谱检验证明,它是一种叫做氩的新气体元素。在接下来的几年里,他用分馏法从粗氩中分离出另外三种稀有气体——氖、氪和氙。1895年,拉姆萨用硫酸处理沥青油矿,产生一种气体,经光谱鉴定为氦气。因为先后发现氦、氖、氪、氩、氙,获得1904诺贝尔化学奖。