结构生物化学/惰性气体
惰性气体是
- 氦气 (He)
- 氖气 (Ne)
- 氩气 (Ar)
- 氪气 (Kr)
- 氙气 (Xe)
- 氡气 (Rn)
惰性气体是元素周期表中的第 18 族。由于它们缺乏与其他化学物质的反应性，它们有时也被称为“惰性气体”。该族中的元素通常是惰性的，因为它们具有完整的价电子层。所有惰性气体都是单原子的，与其他气体（如 H2、O2、N2、F2、Cl2）不同，后者在室温和大气压下以双原子形式存在。惰性气体氦气已用于呼吸道阻塞、调查和诊断测试以及高压应用[2]。
惰性气体具有弱的原子间作用力，因此熔点和沸点非常低。它们在标准条件下都是单原子气体，包括原子质量大于许多正常固体元素的元素。与其他元素相比，氦气具有几个独特的特性：它的沸点和熔点低于任何其他已知物质；它是已知唯一表现出超流性的元素；它是已知唯一无法通过冷却在标准条件下固化的元素——必须在 0.95 K（-272.200 °C；-457.960 °F）的温度下施加 25 个标准大气压 (2,500 kPa；370 psi) 的压力才能使其转化为固体。直到氙气的惰性气体都具有多个稳定的同位素。氡没有稳定的同位素；它寿命最长的同位素 222Rn 的半衰期为 3.8 天，衰变形成氦和钋，最终衰变为铅。
在标准条件下，惰性气体无色、无味、无味且不可燃。它们曾经在元素周期表中被标记为第 0 族，因为人们认为它们的化合价为零，这意味着它们的原子不能与其他元素的原子结合形成化合物。然而，后来发现有些确实会形成化合物，导致这种标签不再使用。关于第 18 族中最新的成员，unununctium (Uuo) 的性质知之甚少。
惰性气体表现出极低的化学反应性；因此，仅形成了数百种惰性气体化合物。没有形成涉及氦和氖在化学键中的中性化合物（尽管有一些关于少数氦化合物的理论证据），而氙、氪和氩仅表现出轻微的反应性。反应性遵循顺序 Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn。
氖、氩、氪和氙是通过气体液化的方法从空气中获得的，将元素转化为液态，以及分馏，将混合物分离成各个组成部分。氦气通常通过从天然气中分离出来生产，氡气是从镭化合物放射性衰变中分离出来的[11]。惰性气体的价格受其自然丰度的影响，氩气最便宜，氙气最贵。例如，右侧的表格列出了 2004 年美国实验室数量的每种气体价格。
氦气无色无味。在元素周期表中所有元素中，它的沸点和熔点最低。它只在极端的环境条件下以气体形式存在。皮埃尔·让森和诺曼·洛克耶在 1868 年首次观测到这种元素，当时他们发现日食中存在一条黄色的光线。氦气是宇宙中第二轻的元素，也是第二丰富的元素。这是由于氦气对锂、铍和硼的高结合能。氦气在原子核周围的轨道上有两个电子，还有两个质子。
氦气最初用于飞艇，然而，如今它用于镁、铝和钛焊接过程中惰性气体的生产。氦气也因其惰性/无反应性而被用作核反应堆冷却的传递介质。由于氦气能够非常容易地扩散到肺部，因此与氧气混合的氦气可用于治疗哮喘。氦气也可以用于深海潜水员的呼吸混合物，因为它在血液中的溶解度低于氮气。在液态下，氦气也可用于在电子设备中实现极低温度，或用于极低温区域的研究。
氪气通常存在于荧光灯中，也是无色无味的，通过蒸馏空气将其分离出来用于研究或工业用途。氪气可用于制造高功率激光器或氪氟激光器。由于其强大的谱线，它具有非常独特的频谱特征。宇宙历史中氪气的数量来自陨石和太阳风。它充当高端摄影的绝佳光源。
由于氪气的稀有性，其应用大大减少。然而，氪气在照明行业中具有商业用途，与氩气一起可用于荧光灯。氪气还用于高速照片的闪光灯，因为它允许在更短的时间内发射强光。这是因为当氪气被激发时，它会发射持续时间仅为 1/50000 秒的强烈光子闪光。少量的氪气可用于延长钨丝的寿命，此外还可用于医疗行业作为 X 射线发射的吸收剂。
氩气比氮气在水中的溶解度更高。在室温下，氩气不会形成任何稳定的结构。氩气在 1894 年由威廉·拉姆齐分离出来，当时他从清洁的空气中去除了氧气、二氧化碳、水和氮气。地球大气中含有 1.29% 的氩气。氩气以最常见的同位素存在，如氩 40、氩 36、氩 38 和氩 40。
氩气特定同位素的主要用途是用于测定变质岩和火成岩的年代。此外，氩气的不同同位素可用于测定断层系统的运动。对这些矿物和系统的测年可以提供岩石的年代信息，但通常需要做出假设。除了测年外，氩气还可用于电灯和荧光管、光电管、辉光管和激光器。由于其惰性，它可用于焊接和切割、覆盖反应性元素，并充当保护性气氛，用于生长硅和锗晶体，因为其无反应性。
氙是理解太阳系的重要工具。氙存在九种稳定同位素，但实际上有超过 40 种同位素会经历半衰期和衰变。地球大气层和矿泉水中存在痕量的氙。氙的光学性质具有宽阔的可见光光谱，并在气体管中发出蓝色光。核反应堆也经常排放氙。
与氪相似，由于其高成本和有限的丰度，氙的应用很少。它用于摄影闪光灯，并以比例量用于填充辐射探测器的混合气体。由于氙对 X 射线和伽马射线具有高电离截面，因此能够实现这一点。更进一步说，氙过去曾用作分析性氧化剂和氟化剂，用于特定目的。
在所有元素中，氖的液态范围最小。氖在氖灯和放电管中发出红光。它在地球大气层和空气中存在痕量。它是第二轻的惰性气体，其密度仅为空气的 2/3。氖在正常条件下发出最强的放电光。辉光放电灯通常非常小，但能发出大量的光。虽然所有惰性气体都不活泼，但氖被认为是最不活泼的。氖气的稀有性使得获得用于研究的小量氖气非常昂贵。
氡在室温下是一种非常稠密的氣體，对健康有害。它具有高放射性，因此很难研究。氡是由铀衰变链形成的。高浓度的氡会导致肺癌，因此它被认为是一种非常有毒的空气污染物，如果释放氡，设施必须疏散。矿工是氡暴露最多的群体。在冷战初期，德国施内贝格的许多矿工因肺癌和通风不良而死亡。
氡已被用作癌症治疗中的辐射源，与目前使用的镭相比具有优势。它还用作放射性示踪剂，用于检测气体泄漏和流体测量。
1. Oxtoby, David. (2008). 现代化学原理，第 6 版，ISBN0-534-49366-1。
2. Goodman, Louis S 和 Alfred Goodman Gilman。治疗学药理学基础。第 7 版。纽约，纽约：麦克米伦，1985 年。