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第6章 看不见却离不开的气体(2)

人们为纪念这位大科学家,特意为他树立了纪念碑。后来,他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财产捐赠剑桥大学,并于1871年建成实验室,它最初是以H.卡文迪许命名的物理系教学实验室,后来实验室扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心,并以整个卡文迪许家族命名。该中心注重独立的、系统的、集团性的开拓性实验和理论探索,其中关键性设备都提倡自制。这个实验室曾经对物理科学的进步作出了巨大的贡献。近百年来卡文迪许实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。

英国是19世纪最发达的资本主义国家之一。把科学实验室从科学家私人住宅中扩展出来,成为一个研究单位,这种做法顺应了19世纪后半叶工业技术对科学发展的要求,为科学研究的开展起了很好的促进作用。随着科学技术的发展,科学研究工作的规模越来越大,社会化和专业化是必然的趋势。

霓虹灯为什么五颜六色

稀有气体的单质在常温下为气体,且除氩气外,其余几种在大气中含量很少(尤其是氦),故得名“稀有气体”。

为什么叫做稀有气体

历史上稀有气体曾被称为“惰性气体”,这是因为它们的原子最外层电子构型除氦为1s外,其余均为8电子构型ns2np6,而这两种构型均为稳定的结构。因此,稀有气体的化学性质很不活泼,所以过去人们曾认为它们与其他元素之间不会发生化学反应,称之为“惰性气体”。然而正是这种绝对的概念束缚了人们的思想,阻碍了对稀有气体化合物的研究。

1962年,一个在加拿大工作的26岁的英国青年化学家合成了第一个稀有气体化合物Xe(氙),引起了化学界的很大兴趣和重视。许多化学家竞相开展这方面的工作,先后陆续合成了多种“稀有气体化合物”,促进了稀有气体化学的发展。而“惰性气体”这一名称也不再符合事实,故改称稀有气体。

稀有气体的发现

六种稀有气体元素是在1894年~1900年间陆续被发现的。发现稀有气体的主要功绩应归于英国化学家莱姆赛(Ramsay W,1852~1916)。二百多年前,人们普遍认为,空气里除了少量的水蒸气、二氧化碳外,其余的就是氧气和氮气。

1785年,英国科学家卡文迪许在实验中发现,把不含水蒸气、二氧化碳的空气除去氧气和氮气后,仍有很少量的残余气体存在。这种现象在当时并没有引起化学家的重视。

一百多年后,英国物理学家雷利测定氮气的密度时,发现从空气里分离出来的氮气每升质量是1.2572克,而从含氮物质制得的氮气每升质量是1.2505克。经过多次测定,两者质量相差仍然是几毫克。可贵的是雷利没有忽视这种微小的差异,他怀疑从空气分离出来的氮气里含有没被发现的较重的气体。于是,他查阅了卡文迪许过去写的资料,并重新做了实验。1894年,他在除掉空气里的氧气和氮气以后,得到了很少量的极不活泼的气体。与此同时,雷利的朋友、英国化学家拉姆塞用其他方法从空气里也得到了这样的气体。经过分析,他们判断该气体是一种新物质。由于这气体极不活泼,所以命名为氩(拉丁文原意是“懒惰”)。以后几年里,拉姆塞等人又陆续从空气里发现了氦气、氖气(名称原意是“新的”意思)、氪气(名称原意是“隐藏”意思)和氙气(名称原意是“奇异”意思)。

霓虹灯是城市的美容师,每当夜幕降临时,华灯初上,五颜六色的霓虹灯就把城市装扮得格外美丽。那么,霓虹灯是怎样发明的呢?

据说,霓虹灯是英国化学家拉姆赛在一次实验中偶然发现的。那是1898年6月的一个夜晚,拉姆赛和他的助手正在实验室里进行实验,目的是检查一种稀有气体是否导电。

拉姆赛把一种稀有气体注射在真空玻璃管里,然后把封闭在真空玻璃管中的两个金属电极连接在高压电源上,聚精会神地观察这种气体能否导电。

突然,一个意外的现象发生了:注入真空管的稀有气体不但开始导电,而且还发出了极其美丽的红光。这种神奇的红光使拉姆赛和他的助手惊喜不已,他们打开了霓虹世界的大门。

拉姆赛把这种能够导电并且发出红色光的稀有气体命名为氖气。后来,他继续对其他一些气体导电和发出有色光的特性进行实验,相继发现了氙气能发出白色光,氩气能发出蓝色光,氦气能发出黄色光,氪气能发出深蓝色光……不同的气体能发出不同的色光,五颜六色,犹如天空美丽的彩虹。霓虹灯也由此得名。

太阳元素——氦来到凡间

氦为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文,原意是“太阳”。氦在通常情况下为无色、无味的气体,氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦是最不活泼的元素,基本上不形成什么化合物。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。

发现了宇宙中的氦

1868年8月18日,法国天文学家让桑赴印度观察日全食,利用分光镜观察日全食,从黑色月盘背面散射出的红色火焰,看见有彩色的彩条,是太阳喷射出来的炽热和其他光谱。他发现一条黄色谱线。1868年10月20日,英国天文学家洛克耶也发现了这样的一条黄线。

经过进一步研究,认识到这是一条不属于任何已知元素的新线,因此一种新的元素产生的,这个新元素被命名为helium,来自希腊文helios(太阳),元素符号定为He。这是第一个在地球以外,在宇宙中发现的元素。为了纪念这件事,当时曾铸造一块金质纪念牌,一面雕刻着驾着四匹马战车的传说中的太阳神阿波罗(Apollo)像,另一面雕刻着詹森和洛克耶的头像,下面写着:1868年8月18日太阳突出物分析。

过了二十多年后,拉姆赛在研究钇铀矿时发现了一种神秘的气体。由于他研究了这种气体的光谱,发现可能是詹森和洛克耶发现的那条黄线D3线。但由于他没有仪器测定谱线在光谱中的位置,他只有求助于当时最优秀的光谱学家之一的伦敦物理学家克鲁克斯。克鲁克斯证明了,这种气体就是氦。这样氦在地球上也被发现了。

制取液态氦

1908年7月13日晚,荷兰物理学家卡美林·奥涅斯和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功,氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。

要得到液态氦,必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氦气就变成了液体。

液态氦是透明的容易流动的液体,就像打开了瓶塞的汽水一样,不断飞溅着小气泡。

液态氦是一种与众不同的液体,它在-269℃就沸腾了。在这样低的温度下,氢也变成了固体,千万不要使液态氦和空气接触,因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。

许多年来,全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年,在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机,每小时可以制造4升液态氦。以后,液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。

在今天,液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号,就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下,否则就不能收到图像。

铝膜气球,国内也有叫铝箔气球、氢气球、氦气球,根据其使用场合的不同可分为:生日派对气球、玩具卡通铝膜气球、礼品气球、装饰气球、广告气球、情人节气球、儿童节气球、圣诞节气球、春节氢气球等各类节日气球。在国内一般都是采用氢气来充气,所以国内的人一般都叫它为氢气球,但是使用氢气的缺点就是比较危险。而国外一般都是使用氦气来给铝膜气球充气,所以一般国外都叫做氦气球。

氦气球真正开始生产于20世纪70年代末,之前由于小孩子玩耍乳胶气球时容易爆破,而且气体保持时间也比较短,所以人们一直想研制一种气球,既能较长时间的保持气体不漏气,又能承受小孩子的重量。终于在20世纪70年代末找到了铝膜这种材料。而氦气是惰性气体,所以用来填充气球不会有任何危险。这些生产出来的氦气气球表面印刷看起来不仅非常的精美,而且还可生产出大小不一的恐龙、米奇、唐老鸭、海豚、飞机、老虎、大象等各种外形的铝膜气球。产品一经问世就深受人们喜爱。

不稀有的稀有气体——氩

氩是一种单质、无色、无臭、无味的稀有气体,是目前最早发现的稀有气体。氩气在自然界中含量很多,但化学性极不活泼,因此它既不能燃烧,也不能助燃,但却是稀有气体中在空气中含量最多的一个。氩气被广泛应用到冶金工业。

氩的发现过程

氩曾经在1785年由亨利·卡文迪许制备出来,但卡文迪许却没发现这是一种新的元素;直到1894年,约翰·威廉·斯特拉斯和苏格兰的化学家威廉·拉姆齐才通过实验确定氩是一种新元素。他们主要是先从空气样本中去除氧、二氧化碳、水汽等得到的氮气与从氨分解出的氮气比较,结果发现从氨里分解出的氮气比从空气中得到的氮气轻1.5%。虽然这个差异很小,但是已经大到误差的范围之外。所以他们认为空气中应该含以一种不为人知的新气体,而那个新气体就是氩气。

另外1882年H.F.纽厄尔和W.N.哈特莱从两个独立的实验中观测空气的颜色光谱时,发现光谱中存在已知元素光谱无法解释的谱线,但并没有意识到那就是氩气。由于在自然界中含量很多,氩是目前最早发现的稀有气体,目前它的符号为Ar。

不是很稀有的稀有气体

氩在地球大气中的含量以体积计算为0.934%,而以质量计算为1.29%,至于在地壳中可说是完全不含氩,因为氩在自然情况下不与其他化合物反应,而无法形成固态物质。也因为这样,工业用的氩大多就直接从空气中提取。主要是用分馏法提取,而像氮、氧、氖、氪、氙等气体也都是这样从空气中提取的。

在火星的大气中,氩-40以体积计算的话占有1.6%,而氩-36的浓度为5ppm;另外1973年水手号计划的太空探测器飞过水星时,发现它稀薄的大气中占有70%氩气,科学家相信这些氩气是从水星岩石本身的放射性同位素衰变而成的。卡西尼—惠更斯号在土星最大的卫星,也就是泰坦上,也发现少量的氩。

氩稳定的同位素有24种,一般来说稳定的氩-40是由地壳中的钾-40(40K)经由电子俘获或正子发射衰变来的。钾-40以这两种方式衰变成氩只占所有的11.2%,另外还有88.8%的氩经由钙-40(40Ca)的β衰变而来。这个特性可以被用来测定岩石的年龄。

在地球大气中,不稳定的氩-39(39Ar)可经由宇宙射线轰击氩-40而生成,另外也可以经由钾-39(39K)的中子俘获而来。至于氩-37,则可以从(37Ar)核试验中形成的钙的人造同位素衰变而来,氩-37的寿命非常短,半衰期只有35天。

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