2024年12月9日 星期一

[高瞻自然科學教育資源平台] 惰性氣體的發現

國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

鈍氣包括氦、氖、氬、氪、氙、氡,門得列夫 (D. I. Mendeleyev) 提出元素週期表時,仍不為世人所知,其發現者是英國化學家藍塞 (William Ramsay , 1852~1916) 與物理學家瑞利 (James William Rayleigh , 1842~1919) 及化學家特拉維斯 (Morris William Travers 1872~ 1961),藍塞獲頒1904年諾貝爾化學獎,同年瑞利獲諾貝爾物理獎。

西元1868年法國天文學家詹遜(Pierre Janssen) 在印度觀測日全蝕時,發現鈉原子的光譜線附近出現新的黃色譜線,波長為587.49奈米,同年英國天文學家洛克爾(Norman Lockyer)從太陽光譜中也觀察到這條譜線,當時沒有已知的元素能產生這樣的譜線。這元素被命名為「Helium」,源自希臘語λιος (helios),意為「太陽」。 此時,地球上還沒有發現氦,瑞利是英國劍橋大學的物理學教授,在他細心又耐心地測量各種氣體密度的實驗中,發現兩種方法製備出的氮氣,測量出的密度總是差0.0062 g/L,他重覆實驗多次,這千分之五的差值始終揮之不去。1894年4月9日,他直接在英國皇家學會,向許多化學家、物理學家報告這個實驗結果。這個報告立刻得到化學家藍塞的回應並提供幫忙,從4月20日開始,兩人共同合作解謎。經瑞利及藍塞的努力,及光譜專家克魯克斯光譜分析的協助,他們很快證明找到了新元素。西元1894年8月,在牛津召開的英國皇家學會上,瑞利與藍塞宣布了他們發現的惰性氣體,會議主席提議將之命名為「氬」,希臘文αργόν是「懶惰者」的意思,氬就成為懶惰家族第一個被發現的成員。

同年的9月18日,瑞利和藍塞終於分離出氬氣,確認氬是單原子態,莫耳質量40。次年1月31日,共同發表了論文:大氣中的新成分―氬氣。 科學界當時仍未找到氦的蹤跡,種瓜得豆,卻陰錯陽差地先得到氬。法國化學家布瓦博德朗聽到發現氬的消息後,就預言惰性元素一族的存在,並且預測了尚未被發現元素的原子量。西元1895年2月,藍塞與特拉維斯觀察到釔鈾礦在硫酸中加熱,會產生一種不自燃也不助燃的氣體。經過光譜分析,確定是踏破雪鞋無覓處的氦氣,首次證明了在地球上也存在這種元素。同年3月26日,藍塞以快訊發表地球上發現氦的論文,同年在英國化學年會上正式報告這一發現。27年來科學界眾裡尋它千百度的氦,終於被藍塞拔得頭籌。

尋『氦』得『氬』激勵了藍塞企圖證實布瓦博德朗預言的決心。在瞭解到氬及氦的化學惰性後,於1896年末開始,藍塞改採物理方法,繼續從礦物著手搜索懶惰家族,結果一無所獲。後來藍塞與特拉維斯回頭從空氣中尋找,他們把空氣冷凝至‐192 oC的低溫,將空氣液化後再蒸發,用熱的金屬銅吸收氧氣,熱的金屬鎂除去氮氣,再用十氧化四磷(P4O10)吸收水蒸氣,剩下一個小氣泡,經鑑定是新元素。這時是1898年5月30日,藍塞將之命名為Krypton,希臘文κρυπτόν是「隱藏」的意思(真是氪(客)氣)。

西元1898年6月12日,藍塞與特拉維斯改變液化空氣蒸發的順序,逐次抽樣鑑定,又找到了新元素「氖」(Neon),希臘文νέον是「新」的意思。找到氖之後,藍塞才從空氣中分離出氦氣。同年7月12日,他們又找到了「氙」(Xenon),希臘文ξένος是「陌生」的意思。就這樣,藍塞用分餾法取得新元素,以光譜法鑑定,半年內先後找到氪、氖、氙,隨後的六年把懶惰家族成員增到五名。1900年多恩(Friedrich Ernst Dorn)發現氡氣,1908年,藍塞與威特婁‐葛瑞合作將氡分離,先稱為niton,1923年易名為「radon」,就是發光的意思。至此,週期表中的鈍氣元素都到齊了。

以下是惰性氣體依序被發現的時間:
氬 Ar Argon 1894 瑞利與藍塞發現
氦 He Helium 1895 藍塞與特拉弗斯發現
氪 Kr Krypton 1898 藍塞與特拉弗斯發現
氖 Ne Neon 1898 藍塞與特拉弗斯發現
氙 Xe Xenon 1898 藍塞與特拉弗斯發現
氡 Rn Radon 1908 藍塞與索迪發現

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