惰性氣體的用途和應用

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引言

瞭解惰性氣體在我們日常生活中的貢獻，對於理解化學中的一個重要方面——惰性氣體的用途和應用至關重要。惰性氣體表現為純非金屬化合物，它們是無色無味的低熔點和沸點的氣體。液態時，這些元素不是良好的導電體。

惰性氣體以氣態形式存在的前提條件是標準溫度和壓力。惰性氣體的通式被認為是$\mathrm{ns^2np^6}$。惰性氣體通常具有非常穩定的電子構型，這使得它們的反應速率非常低。

什麼是惰性氣體？

惰性氣體通常指元素週期表第18族元素。這些元素包括：氦 (He)、氖 (Ne)、氬 (Ar)、氪 (Kr)、氙 (Xe) 和氡 (Rn)。

惰性氣體必須保持在標準狀態的溫度下才能以氣態存在。惰性氣體具有非常穩定的電子構型，不易形成分子，因此這些元素以單原子形式存在。

圖1：電子構型

CK-12 基金會，軌道表示圖，CC BY-SA 3.0

惰性氣體位於元素週期表的最右側，經國際純粹與應用化學聯合會 (IUPAC) 批准。該族包含非金屬元素。這些元素也以其成員命名，被稱為氖族或氦族。該族的所有元素都具有非常高的電離能。這些元素的電子在其最外層也均勻分佈。惰性氣體的密度隨著原子序數的增加而增加，導致惰性氣體元素的尺寸變大。

惰性氣體：性質

下面列出了所有惰性氣體的性質：

氦 (He) 的性質

圖2：氦的原子結構

氦也用其符號 He 表示，其原子序數為 2。在標準或正常條件下，氦 (He) 存在於無色單原子氣體中，本身沒有明顯的滋味。當使用少量氦 (He) 時，其作用方式無毒。它是其獨特族中的第一種氣體，也是所有氣體中最輕的。重要的是要知道，氦 (He) 是一種 s 區元素，其電子構型為 1s²。

氖 (Ne) 的性質

氖是一種化學元素，也用其符號 (Ne) 表示，氖 (Ne) 的原子序數為 10。標準溫度和壓力 (STP) 條件使氖 (Ne) 像其獨特惰性氣體族中的其他元素一樣保持無色單原子狀態。氖 (Ne) 是僅次於氦 (He) 的第二輕的惰性氣體。它位於第一週期，也屬於現代元素週期表第 18 族。

氬 (Ar) 的性質

氬 (Ar) 被認為是第三種惰性氣體，原子序數為 18。氬 (Ar) 通常是無色無味的，但在與電場接觸時會發出紫色或淡紫色的輝光。氬 (Ar) 的熔點約為 83.81K。

氪 (Kr) 的性質

氪 (Kr) 的原子序數為 36。它也屬於與前驅氬 (Ar) 相同的 P 族。其熔點約為 115.78K，其電子構型通常表示為 $\mathrm{[Kr]\: 4d^{10}5s^25p^6}$。

氙 (Xe) 的性質

第五種惰性氣體氙 (Xe) 的原子序數顯然是 54。其熔點已計算約為 161.4 K，其推導電子構型為 $\mathrm{[Xe]\:4f^{14}5d^{10}6s^26p^6}$。

氡 (Rn) 的性質

惰性氣體氡 (Rn) 的原子序數為 86。非常重要的是要指出，元素氡 (Rn) 本身具有放射性。氡 (Rn) 的熔點和沸點分別為 202K 和 211.5K，屬於元素週期表第六週期。

惰性氣體：發現

惰性氣體肉眼不可見，其非反應性使得它們很難被發現和觀察。1894 年，威廉·拉姆齊爵士進行了一項實驗來發現惰性氣體。他試圖去除空氣中的所有氣體，因此他加熱銅和鎂，並讓空氣透過它。觀察到，當使用 100cm³ 空氣時，總是剩下 1cm³ 空氣，這就是惰性氣體被發現的方式。

惰性氣體：用途和應用

• 冶金領域廣泛使用氬氣，以提供所需的惰性氣氛。鈦、鋁、不鏽鋼和鎂的焊接過程需要這樣的氣氛。它還在鈦的製造中經常使用。

• 鍺和矽晶體需要少量氬氣來生產電燈泡和電晶體。

• 氦在惰性氣體中具有最低的沸點，因此它用於雷射器以獲得較低的溫度。它在核反應堆中用作冷卻氣體。氦最常見的用途是填充飛艇和熱氣球。

• 氖用於放電管中以產生紅橙色輝光。

結論

惰性氣體通常是指元素週期表第 18 族元素。氦是所有氣體中最輕的，沸點也最低。由於其低導電性和放電特性，惰性氣體本質上是高度非金屬的，因此這些氣體在冶金領域得到廣泛應用。

常見問題

Q1. 惰性氣體能否以固體結構存在？

A1. 惰性氣體在冷卻或壓縮後可以以固態或液態存在。當其呈凝聚態時，可以稱為固態。

Q2. 氦氣會過期嗎？

A2. 惰性氣體氦氣不會過期或降低其質量。需要將其儲存在氣密性良好的鋼瓶中。

Q3. 吸入氖氣會有什麼後果？

A3. 氖氣是惰性的，但它被稱為單純性窒息劑。過量吸入會導致頭暈、噁心、嘔吐、意識喪失，甚至死亡。