結構生物化學/惰性氣體
惰性氣體是
- 氦氣 (He)
- 氖氣 (Ne)
- 氬氣 (Ar)
- 氪氣 (Kr)
- 氙氣 (Xe)
- 氡氣 (Rn)
惰性氣體是元素週期表中的第 18 族。由於它們缺乏與其他化學物質的反應性，它們有時也被稱為“惰性氣體”。該族中的元素通常是惰性的，因為它們具有完整的價電子層。所有惰性氣體都是單原子的，與其他氣體（如 H2、O2、N2、F2、Cl2）不同，後者在室溫和大氣壓下以雙原子形式存在。惰性氣體氦氣已用於呼吸道阻塞、調查和診斷測試以及高壓應用[2]。
惰性氣體具有弱的原子間作用力，因此熔點和沸點非常低。它們在標準條件下都是單原子氣體，包括原子質量大於許多正常固體元素的元素。與其他元素相比，氦氣具有幾個獨特的特性：它的沸點和熔點低於任何其他已知物質；它是已知唯一表現出超流性的元素；它是已知唯一無法透過冷卻在標準條件下固化的元素——必須在 0.95 K（-272.200 °C；-457.960 °F）的溫度下施加 25 個標準大氣壓 (2,500 kPa；370 psi) 的壓力才能使其轉化為固體。直到氙氣的惰性氣體都具有多個穩定的同位素。氡沒有穩定的同位素；它壽命最長的同位素 222Rn 的半衰期為 3.8 天，衰變形成氦和釙，最終衰變為鉛。
在標準條件下，惰性氣體無色、無味、無味且不可燃。它們曾經在元素週期表中被標記為第 0 族，因為人們認為它們的化合價為零，這意味著它們的原子不能與其他元素的原子結合形成化合物。然而，後來發現有些確實會形成化合物，導致這種標籤不再使用。關於第 18 族中最新的成員，unununctium (Uuo) 的性質知之甚少。
惰性氣體表現出極低的化學反應性；因此，僅形成了數百種惰性氣體化合物。沒有形成涉及氦和氖在化學鍵中的中性化合物（儘管有一些關於少數氦化合物的理論證據），而氙、氪和氬僅表現出輕微的反應性。反應性遵循順序 Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn。
氖、氬、氪和氙是透過氣體液化的方法從空氣中獲得的，將元素轉化為液態，以及分餾，將混合物分離成各個組成部分。氦氣通常透過從天然氣中分離出來生產，氡氣是從鐳化合物放射性衰變中分離出來的[11]。惰性氣體的價格受其自然丰度的影響，氬氣最便宜，氙氣最貴。例如，右側的表格列出了 2004 年美國實驗室數量的每種氣體價格。
氦氣無色無味。在元素週期表中所有元素中，它的沸點和熔點最低。它只在極端的環境條件下以氣體形式存在。皮埃爾·讓森和諾曼·洛克耶在 1868 年首次觀測到這種元素，當時他們發現日食中存在一條黃色的光線。氦氣是宇宙中第二輕的元素，也是第二豐富的元素。這是由於氦氣對鋰、鈹和硼的高結合能。氦氣在原子核周圍的軌道上有兩個電子，還有兩個質子。
氦氣最初用於飛艇，然而，如今它用於鎂、鋁和鈦焊接過程中惰性氣體的生產。氦氣也因其惰性/無反應性而被用作核反應堆冷卻的傳遞介質。由於氦氣能夠非常容易地擴散到肺部，因此與氧氣混合的氦氣可用於治療哮喘。氦氣也可以用於深海潛水員的呼吸混合物，因為它在血液中的溶解度低於氮氣。在液態下，氦氣也可用於在電子裝置中實現極低溫度，或用於極低溫區域的研究。
氪氣通常存在於熒光燈中，也是無色無味的，透過蒸餾空氣將其分離出來用於研究或工業用途。氪氣可用於製造高功率雷射器或氪氟雷射器。由於其強大的譜線，它具有非常獨特的頻譜特徵。宇宙歷史中氪氣的數量來自隕石和太陽風。它充當高階攝影的絕佳光源。
由於氪氣的稀有性，其應用大大減少。然而，氪氣在照明行業中具有商業用途，與氬氣一起可用於熒光燈。氪氣還用於高速照片的閃光燈，因為它允許在更短的時間內發射強光。這是因為當氪氣被激發時，它會發射持續時間僅為 1/50000 秒的強烈光子閃光。少量的氪氣可用於延長鎢絲的壽命，此外還可用於醫療行業作為 X 射線發射的吸收劑。
氬氣比氮氣在水中的溶解度更高。在室溫下，氬氣不會形成任何穩定的結構。氬氣在 1894 年由威廉·拉姆齊分離出來，當時他從清潔的空氣中去除了氧氣、二氧化碳、水和氮氣。地球大氣中含有 1.29% 的氬氣。氬氣以最常見的同位素存在，如氬 40、氬 36、氬 38 和氬 40。
氬氣特定同位素的主要用途是用於測定變質岩和火成岩的年代。此外，氬氣的不同同位素可用於測定斷層系統的運動。對這些礦物和系統的測年可以提供岩石的年代資訊，但通常需要做出假設。除了測年外，氬氣還可用於電燈和熒光管、光電管、輝光管和雷射器。由於其惰性，它可用於焊接和切割、覆蓋反應性元素，並充當保護性氣氛，用於生長矽和鍺晶體，因為其無反應性。
氙是理解太陽系的重要工具。氙存在九種穩定同位素，但實際上有超過 40 種同位素會經歷半衰期和衰變。地球大氣層和礦泉水中存在痕量的氙。氙的光學性質具有寬闊的可見光光譜，並在氣體管中發出藍色光。核反應堆也經常排放氙。
與氪相似，由於其高成本和有限的丰度，氙的應用很少。它用於攝影閃光燈，並以比例量用於填充輻射探測器的混合氣體。由於氙對 X 射線和伽馬射線具有高電離截面，因此能夠實現這一點。更進一步說，氙過去曾用作分析性氧化劑和氟化劑，用於特定目的。
在所有元素中，氖的液態範圍最小。氖在氖燈和放電管中發出紅光。它在地球大氣層和空氣中存在痕量。它是第二輕的惰性氣體，其密度僅為空氣的 2/3。氖在正常條件下發出最強的放電光。輝光放電燈通常非常小，但能發出大量的光。雖然所有惰性氣體都不活潑，但氖被認為是最不活潑的。氖氣的稀有性使得獲得用於研究的小量氖氣非常昂貴。
氡在室溫下是一種非常稠密的氣體，對健康有害。它具有高放射性，因此很難研究。氡是由鈾衰變鏈形成的。高濃度的氡會導致肺癌，因此它被認為是一種非常有毒的空氣汙染物，如果釋放氡，設施必須疏散。礦工是氡暴露最多的群體。在冷戰初期，德國施內貝格的許多礦工因肺癌和通風不良而死亡。
氡已被用作癌症治療中的輻射源，與目前使用的鐳相比具有優勢。它還用作放射性示蹤劑，用於檢測氣體洩漏和流體測量。
1. Oxtoby, David. (2008). 現代化學原理，第 6 版，ISBN0-534-49366-1。
2. Goodman, Louis S 和 Alfred Goodman Gilman。治療學藥理學基礎。第 7 版。紐約，紐約：麥克米倫，1985 年。