稀有气体化学的前沿与发展

稀有气体化学的前沿与发展王均华（广东省帏山师范学院化学系,潮州521041）摘要:阐述了对稀有气体元素的发现和稀有气体化学建立的历程，论述了客观世界的复杂性,揭示了人类认识上的局限性,并探讨了这一过程中的辨证唯物主义的世界观、认识论和方法论。关键词：稀有气体，巴特利特，认识论，方法论稀有气体元素的发现，对于近代原子结构理论和化学键理论的形成也起了不可低估的作用。但是稀有气体一族元素的发现是完全出人意料的。门捷列夫预见到氢与锂之间有一个元素存在，但他没有能够预见到一族元素。1稀有气体元素的发现稀有气体过去叫惰性气体或贵气体。它们在地壳（包括大气层、水层和岩石圈）中含量极少,以痕量存在于大气中。稀有气体元素的发现，在元素发现史上是很有趣的。十八世纪七十年代，当英国化学家普利斯特里发现空气中有助燃性气体一一氧和不助燃气体一一氮以后，人们就认为空气的组成仅仅是氧气和氮气。1785年，英国化学家卡文迪什在空气中通入过量的氧气，用电火花使容器中的氮气全部变为红棕色的二氧化氮气体，然后用碱液吸收，剩余的氧气用多硫化钾除去后，发现还残留一个约为原体积1/120的微小气泡。他对这一现象很注意，在实验记录中写道：”这个气泡是特殊的，不像一般的氮，因为不管什么样的火花都不能使它同氧化合。”当时不知道这少量的残余气体是什么，这件事也没有引起当时的化学家们的重视。一百多年后的1893年，英国物理学家雷莱（Rayleigh,R.J.S.）用精密天平测量常见的各种气体的密度时发现，凡从空气中得到的氮气每升重为1.2572克，而从氮的化合物中提取的氮气在相同条件下每升重为L2505克,虽然两者只差0.0067克，但已超出了实验的误差范围。微小的差异引起了雷莱的注意，但他无法解释。求答，也未如愿。只好写信给他的朋友伦敦化学教授拉姆赛（Ramsay,W.）,拉姆赛重新翻阅卡文辿什一百多年前的实验记录，思索那个“气泡”与雷莱测的空气中的氮气反常质量的内在联系，产生了大胆的设想：卡文迪什的那个“气泡”根本不是氮气，而是一种未知的新气体，这种气体可能就是使一升空气中的氮气比一升来自氮化物中的氮气超重0.0067克的那种物质。于是，两人商定各自进行实验，雷莱重复了卡文迪什的实验，拉姆赛把已经不含二氧化碳、水和氧气的空气，通过灼热的镁来吸收其中的氮气。结果，他们都得到一种残余气体，约占原空气体积的1%。对这一气体进行光谱实验，发现了一条新的谱线。后又经多方试验，于1894年8月断定该气体为一种新元素。因它不活泼，命名为氢，Argon（在希腊文中“a-”表示“不”，“ergon”表示“工作”，二者结合，表示“懒惰”），元素符号为Ar。⑶此后，于1898年5〜7月的短短几十天内，拉姆赛和他的助手利用分光镜观察不同条件下液化空气的挥发蒸气的光谱，先后发现了氨（5月30日）、乐（6月12日）和旅（7月12日）。这期间也观察到了氮的特征谱线。早在1868年法国大文学家简森（Janssen,J.C.）利用分光镜观测日全蚀时，发现太阳光谱上有一条与钠D线位置不同的黄线，经过核对，这条黄线不属于任何已知元素，在地球上也未发现，把这个元素命名为氮Helium（来自希腊文“太阳”-helios一词），元素符号为He。后来在1888〜1890年间美国地质学家赫列布莱德（Hillebrand,W.F.）用硫酸处理一种铀矿时，发现了一种不活泼的气体，他误认为是氮气。1895年，拉姆赛用光谱实验证实了这种气体就是27年前从太阳上发现过的氮。此后，又陆续从其它矿石、空气、天然气中都发现了氮。1906年,建立化学元素周期系的俄罗斯化学家门捷列夫生前最后一次修订元素周期表,把当时已发现的稀有气体排进元素周期表中，列为零族,表明它们的化合价为0,也就是没有化合价,因为它们不与其他元素结合成化合物，它们是“懒惰”的一族。由此它们被称为惰性气体。⑶2稀有气体化学的发展历史的发展总要冲破一切不合理的信条.1962年,在加拿大工作的英国青年化学家巴特利特成功地制得六氟粕酸包，使惰性元素发生了化学变化.这项研究震惊了整个化学界，并由此而开创了稀有气体化学.1991年，全国自然科学名词审定员会公布的《化学名词》中正式规定，把惰性气体改称为稀有气体。⑸1962年6月，巴特利特在《proceedingsofthechemicalsociety»刊物上发表了一篇有他签名的短文,正式向化学界公布了信:被深红色、P6蒸气而迅速氧化得到橙黄色的固体六氟伯酸旅的实验报告.合成XePtP6的成功,意味着一场思想解放，使持续了大约半个多世纪之久的惰性气体元素不能参加化学反应的信条从实践上被推翻了，并很快在化学界掀起了一个研究和合成惰性气体化合物的高潮.紧接着在巴特利特发现之后的同年8月，美国的化学家们在加热加压体积比为1：5的包与獗的混合物时,直接制得XeF4.年底又得到XeF2,XeP6.你:与氟直接合成成功,更加推动了稀有气体化学领域的发展.在此后很短的时间内，陆续发表了数十篇这方面的报告，不仅制得了一系列不同价态的简氨化合物、沉氯化合物、面澳化合物、旅氧氟化合物、然氧化合物、包的有机化合物以及沆的氟硼化合物等，而且还对其中多种化合物的结构和化学键的性质进行了研究.很显然,再继续对这一族元素称之为“惰性”元素已不科学.根据这族元素的克拉克含量（即某种元素在地壳中存在的多寡）都很低微,只有氮稍高一些,但其质量克拉克百分比也仅达4X10-4,因此一些化学家建议将“惰性”气体更名为稀有气体，这一建议很快被普遍采用.㈤3稀有气体化学的应用3.1稀有气体的应用氮气He——翅很轻，是除氢以外最轻的元素。它的重量只有同体积空气的1/7。由于概不象氢那样会燃烧，使用非常安全。因此人们便用氮气来代替氢气填充气球或飞艇的气囊。氮又是极难溶于水的气体，100个体积的水在0C时大约只能溶解1个体积的氮。现在人们利用氮气与氧气混合，制成“人造空气”（79席的家气，2遍的氧气）来供给潜水员呼吸，在医学上，便利用氮的这一特性来防止“潜水病”。岚Ne——笈的导电性比空气大75倍。在放电管内，在电场的激发下，敏能射出红色的光，霓虹灯便是利用笈的这一特性制成的。因此发灯还常用在港口、机场、水陆交通线的标灯上。氢Ar一一氧也是无色气体，但比较重，在一个大气压和0C时，1L氢重1.7837g,几乎比空气重50机在焊接金属时，常用氢作保护剂。特别是焊接一些活泼金属Mg、Al等，这样可以防止这些金属在高温时氧化。原子反应堆的核燃料杯，在空气中也可迅速氧化。氮Ki一一氨气用来填充电离室以测量宇宙射线。沆Xe——旅气在电场的激发下，能射出类似于太阳光的连续光谱，高压长弧旅灯就是利用这一特性制成的。砥灯是60年代才发展起来的新光源之一，这种灯的灯管是耐高温、耐高压的石英做成的。高压长弧包灯可用于电影摄影、舞台照明、放映、纺织和油漆工业的照光以及广场、运动场的照明用。氢Rn——氨是地壳中放射性元素铀和镭蜕变的产物，是气体元素中比重最大的一个元素，具有放射性。强烈地震前，地应力活动加强，氧气不仅运移增强，含量也会异常变化。地下含水层在地应力的作用下发生形变，就会加速地下水的运动，增强氢气的扩散作用，引起缎气含量增加。由于氨气有上述的特点，所以预报地震的效果较好。㈤3.2稀有气体化合物的应用稀有气体化合物的实际应用，已经看到了广阔的前景。例如，在铀一235作核燃料的原子反应堆中，过去对如何处理具有放射性的氨和砥裂变产物感到困难，现在可以利用僦化的办法，使它们转为固态的氟化氨和氨化旅，并利用它们氟化能力的不同，将它们作进一步的分离。在铀矿的开采中，氧是一种有害的强放射性气体，也可以通过氟化处理而消除。三氧化宛和四氧化沉对宸动、加热都极为敏感，在潮湿的空气中有很强的爆炸力，人们试图探讨将它们用作火箭推进剂的可能性。稀有气体卤化物还可以作为大功率激光器的工作物质。例如，一氟化然激光器可发射出波长为351.1纳米和353.1纳米的激光束4建立过程中的认识论与方法论从稀有气体的发现到稀有气体化学的建立，化学家们的认识经历了极其复杂和曲折的过程，其中蕴藏着深刻而又丰富的认识论和方法论的内涵，也饱含着诸多宝贵的经验和教训，很值得我们总结和借鉴。科学发展的历史多次告诫我们，过分拘泥于传统观念，把一定历史条件下的科学认识视为不可逾越的金科玉律，必然要走进形而上学和教条主义的迷宫。在1894年以前，人们对空气的组成和性质进行了大量的分析和研究，确实取得了丰硕的成果。于是自以为对空气的成分已了如指掌，但瑞利和拉姆塞却在被大多数人视为贫瘠荒凉的领域,发现和离析出了一整族的稀有气体。同样，当稀有气体被发现之后，化学家们又做了不少努力，试图合成它们的化合物，但几十年的辛勤劳动都以失败而告终。于是人们又犯了同样的错误，基于不完备的实验事实，归纳出稀有气体绝对惰性的结论。1916年以来，化学家们又根据稀有气体的化学惰性和外层电子结构的特点，建立了经典化学犍的电价理论和共价理论，认为原子在化合时，通过得失或共享电子以达到稀有气体原子外层8电子的稳定结构。这种建立在稀有气体模型基础上的八隅律由于概念直观简明，通俗易懂，比较满意地说明了许多实验事实，因而很快得到化学家的广泛承认，并写入了化学教科书中，更使稀有气体不能形成化合物的观念从理论上得到肯定和加强。以有限事实建立起来的不完善理论逐渐形成了一种规范，阻碍了人们对稀有气体化学性质的进一步探索。历史的偏见把一整族元素从整个化学元素群中分割出来，宣判了它们是不能生儿育女的修女，从而使绝大多数化学家放弃了对稀有气体化学的深入研究。这不能不认为是传统偏见蒙住了人们的眼睛。可见，在传统观念的束缚下，先入为主的偏见常常成为一种桎梏，堵塞了科学家通往新世界的思想路线，阻碍了科学认识的发展。但稀有气体的化学反应性能依然日复一日、年复一年地客观存在着，嘲弄般地注视着人们对于它们的不公正的判决，它们也决不会因人类的意志为转移。客观世界的复杂性和自然规律的隐蔽性决定了人类认识上的局限性、片而性和反复性。列宁指出：“辩证唯物主义者一向认为，世界比它显现的更丰富、更生动、更多样化，因为科学每向前发展一步，就会发现它新的方面。”⑴传统的科学认识是时代的产物，是我们认识发展的前提和起点，但决不是认识的终结。如果一味死抱住传统认识不放，哪还有什么发展和进步可言呢？由于事实本身是不可穷尽的，那么以有限的实验事实归纳出来的理论总是不可避免地带有主观性、片而性和局限性，因此决不能迷信和盲从。科学研究中采用的归纳法一般是不完全的归纳法，即根据对有限的实验事实考察作出的结论，在逻辑上是不充分的，正如列宁所说：“以最简单的归纳方法所得到的最简单的真理，总是不完全的，因为经验总是未完成的。"⑶运用不完全归纳法推引出来的结论往往在认识的边缘上是模糊的，在这个模糊的界限上就可能隐藏着错误。自然界本身是难以穷尽的，人类的科学认识并不是一成不变的，忽视了科学认识的条件性、近似性和发展性就必然要走弯路，甚至犯错误。英国著名科学哲学家卡尔•波普（KalPoper）对科学的发展曾提出了证伪主义观点，认为:“任何科学理论的发展都是首先根据有限的实验事实，大胆地跳跃到某种结论上，进行猜测性的解答，然后再接受实践的检验。科学理论的发展就是不断探索、除错，排除错误的假说，建立新假说的过程。"⑶当传统认识发展到一定阶段就可能成为科学进一步发展的阻力，使人们在思维方法上产生一种顽固维护旧规范的惰性，阻碍人们对事物深层规律的认识。只有树立辩证唯物主义的认识论和方法论，既要尊重传统认识，又要清醒认识到传统认识的局限性和人类认识上的弱点，善于在收敛式思维和发散式思维之间保持适当的张力，始终保持蓬勃的朝气和创新精神，才能在科学研究的征途上披坚执锐，不断开拓进取。而对我们这些将来倾心于化学教育事业的教师来说，我们也要打破传统观念,具有创新思想.就比如我们做中教法实验、物理化学实验等等，老师都会要求我们在最后的问题与讨论中写出对该实验的建议或要求，提出实验改进，就是要我们挖掘出该实验的最优方案，培养创新思维。再比如我们的新课程改革，改变旧苏联的教学模式，建立一种适合中国的又与世界教学模式接轨的教学体系，这样才使我们在国际竞争中立于不败之地。因此，打破传统观念，培养创新思维才能使我们适应时代潮流，跟进时代步伐，以不断更新自己的知识来适应社会进步的发展.正所谓“路漫漫其修远兮，吾当上下而求索”。我们不仅要掌握丰富的科学知识，虚心继承前人的科学成果,还要具备驾驭知识的能力，掌握曲径探幽的本领，更要具有勇于批判和创新精神，不断在前人开辟的道路上开拓进取，穷追不舍。只有这样才能把科学推向前进，创造更加美好灿烂的明天。参考文献：[1]孟庆珍.程泉寿.孔繁荣等编.无机化学.北京:北京师范大学出版社.1988：