稀有气体

固体、液体、气体

稀有气体又称惰性气体、钝气、高贵气体，是指在元素周期表中同属第18族（旧称ⅧA族）的元素。它们性质相似，在常温常压下都是无色无味的单原子气体，很难进行化学反应。天然存在的稀有气体有六种，即氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和具放射性的氡（Rn）。而人工合成的这个记号表示氦原子在C₆₀分子内，而不是与它形成共价键）。截止2008年，富勒烯与氦、氖、氩、氪和氙的配合物都已制得。这些化合物的用途主要是通过稀有气体原子的核磁共振波谱来研究富勒烯的结构和反应性。

稀有气体化合物例如二氟化氙（XeF₂）被视作超价分子，因为它们违反了超价分子。这些化合物的成键可以使用三中心四电子键模型来解释。这种模型于1951年首次提出，描述了三个共线原子的成键状况。例如XeF₂中的成键可以用三个原子的p轨道进行线性组合形成分子轨道来描述，氙原子全满的p轨道与每个氟原子半满的p轨道重叠，形成一个全满的成键轨道、一个全满的非键轨道和一个全空的反键轨道。最高占有分子轨道（HOMO）定域在两个端基原子上，这表明氟的高电负性促进了电荷的定域化。

较重稀有气体氪和氙的化学已有了长足的发展，而较轻稀有气体氖和氦仍处于开始阶段，而最稳定的氖至今仍没有一种确认存在的化合物，目前只发现了一些不稳定的阳离子和未经证实的水合物。

稀有气体在宇宙中的丰度随着原子序数的增大而降低。氦是宇宙中仅次于氢的最丰富的元素之一，质量分数大约为24%。宇宙中的大部分氦都是在太初核合成中形成的，但是由于恒星核合成中的氢的聚变，氦的数量仍在不断增加。地球上的丰度则完全不同，氦仅仅是大气中第三丰富的稀有气体。这种不同的原因是大气层中没有太初氦，因为原子质量太小，氦无法被地球的引力场吸引在地球表面附近。地球上的氦来自地壳中重元素（例如铀和钍）的α衰变，这样产生的氦往往积聚在天然气田中。另一方面，较丰富的氩来自于钾-40的β衰变。钾-40同样存在于地壳中，它产生的氩-40是地球上最丰富的氩同位素，尽管它在太阳系中相当稀少。这个过程是钾氩测年法的理论基础。氙在大气中的丰度比预想的要低，这被称作“氙失踪问题”（英语：missing xenon problem）。有一种理论认为缺少的氙可能被限制在地壳的矿石中。二氧化氙发现后，有研究认为氙能取代硅酸中的硅从而固定在地壳中。氡在岩石圈中通过镭的α衰变生成。它会通过裂缝逸出石材进入建筑物，并在通风不佳的建筑物内积聚。因为氡的放射性很强，它对人体健康有很大的危害。估计仅在美国每年就有21000人死于氡引发的肺癌。至于则不存在于自然界中，只能透过粒子加速器人工合成。

氖、氩、氪和氙都是从空气中使用气体液化的方法获得的，先将各种气体液化，再根据沸点不同来分馏，将混合物分离成不同的馏分。氦通常提取自天然气，而氡可以从镭化合物放射性衰变的产物中分离出来。稀有气体的价格取决于他们的自然丰度，因此氩最便宜而氙最昂贵。右侧的表格给出了2004年时实验量的各种稀有气体在美国的销售价格。

稀有气体的熔沸点非常低，是用途广泛的低温学工作介质。特别是沸点低达4.2K（−268.95 °C）的液氦可以用于冷却核磁共振成像和核磁共振波谱法所需的超导磁铁。尽管液氖的冷却温度没有液氦那么低，但是仍在低温学中广泛使用，因为它的制冷量是液氦的40倍、液氢的3倍。

因为氦在液体尤其是脂质中的溶解度较低，它在潜水员的呼吸气体中代替了氮气。人受到类似于水肺潜水的压力时，气体会被血液和人体组织吸收，这会造成氮麻醉的严重后果。因为溶解度远比氮气小，少量的氦被带入细胞膜。而用氦代替呼吸混合气中的部分成分时（例如三混气和氦氧混合剂），潜入较深后上浮时的麻醉反应可以大大减轻。氦的低溶解性为减压病提供了很好的解决方案。由于溶解在体内的气体减少，上浮时由于减压而形成的气泡将大大减少。另一种稀有气体氩被视作水中呼吸器潜水最好的防水衣填充气体。氦也用作核反应堆中核燃料棒的填充气体。

自从1937年的兴登堡灾难以来，尽管相对氢气会使浮力降低8.6%，但因密度小且不可燃，各国普遍使用氦气代替氢气填充飞艇和气球。

稀有气体在许多场合中用于提供惰性气氛。氩在化学合成时常用于保护对氮气敏感的化合物。固态氩也用于研究活性中间体等非常不稳定的化合物，方法是在超低温下将其隔离在固态氩构成的基质中。氦是气相色谱法中的载色剂、温度计的填充气，并用于盖革计数器和气泡室等辐射测量设备中。氦和氩都用作焊接电弧的保护气和贱金属的焊接及切割的惰性保护气。它们在其他冶金过程和半导体工业中硅的生产中同样有着广泛应用。

由于化学活性很低，稀有气体广泛的应用于照明领域。氩和氮的混合气体是白炽灯中填充的保护气。氪可降低灯丝的蒸发率而常用于色温和效率更高性能白炽灯，特别在卤素灯中可将氪与少量碘或溴的化合物混合充入。此外，在放电灯中填充不同的稀有气体，可以产生不同颜色的光，如霓虹灯中常见的氖灯。尽管称为氖灯，其中通常含有其他气体和磷，它们在氖发出的橙红色光的基础上加入了其他颜色。氙通常用于氙弧灯，因为它们的近连续光谱与日光相似。这种灯可用于电影放映机和汽车前灯等。

稀有气体可用于准分子激光器，这是因为它们可形成短暂存在的电子激发态受激子（英语：excimer）。这些用于激光器的受激子可能是稀有气体二聚体，例如Ar₂、Kr₂或Xe₂，更有可能是与卤素结合的受激子，例如ArF、KrF、XeF或XeCl。这些激光器产生波长较短的紫外线，其中ArF产生的紫外线波长为193纳米，而KrF为248纳米。这种高频率的激光使高精密成像成为现实。准分子激光有诸多工业、医药和科学用途。集成电路制造过程中的显微光刻法和微制造必须用到准分子激光。激光手术，例如血管再成形术和眼部手术也需用到准分子激光。

一些稀有气体有直接的医学用途，如：氦有时用于改善哮喘患者的呼吸；氙则因为在脂质中的高溶解度成为一种麻醉剂，比常用的一氧化二氮（俗称笑气）更为有效，且容易从体内排出而麻醉后苏醒也较快。氙在超极化核磁共振成像中用于拍摄肺的医学影像。具有强辐射性的氡只能微量制取，可用于放射线疗法。

气体放电发出的光的颜色取决于多个因素，包括：