2013年10月2日

並不稀有也非鈍惰只是高貴的氣體

單原子氣體家族由於天然含量稀少,曾被稱為稀有氣體,而後發現氬占大氣1%,便取其反應性低的特性,改稱為惰氣,後來發現它有數百種化合物,故最後定名為高貴氣體。

作者/高憲章(任職淡江大學化學系)

元素週期的推測探究

相信有很多人仍記得國中自然課:「親你那假如色髮(氫鋰鈉鉀銣銫鉣)……」有著上百個元素的週期表,表上提供了從元素的重量與電子組態,到元素參與反應的特性,顯現出元素間各種性質的脈絡,是所有化學家們必備的重要工具。想想看,在一百多年前,不知道分子、原子、電子的存在,更不知道還有中子、質子及電子組態,俄國科學家門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834~1907) 從當時科學界對於元素的有限知識,再以他對化學元素性質的瞭解,以原子量排序,推測排列出各族元素的週期表(圖一)。例如,排好鋰、鈹、硼、碳、氮、氧與氟之後,下一個已知元素是鈉,與鋰性質類似,就落在鋰的下方被歸在同一族;排到氯的時候,就位落在性質相近的氟下方。於是最活潑的幾個金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫被排為起頭的一族,而最活潑的非金屬氟、氯、溴、碘被排在「最後」的一族,門得烈夫不止排出週期表,更發現了元素的週期定律,同時他也成功的預測了數個當時還未發現的元素,是一個非常驚人的成就。不過,他並不知道這個週期表上還隱藏了一族極為低調的氣體,是在「最後」一族之後,因為有非常安定,不參加反應的化學性質,還沒有被人發現。
 圖一:門得列夫的化學元素週期表。

氦氣氬氣的意外發現

門得列夫依據原子量的排列,預測在氫和鋰之間可能有一個元素存在,卻沒想到是藏了一整族的元素。1868 年8 月18 日,揚森(Pierre Janssen)和洛克伊爾(Joseph Norman Lockyer)在觀測太陽的色球層時,發現了一種發射光譜中有黃色譜線的新物質,為地球所無,他們把該物質命名為「氦」(helium),該詞源自希臘語,意為「太陽」。

1882 年, 瑞立(John Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842~1919)用一架非常精密的天秤測量各種氣體的密度,精確的量測到了萬分之一克,氫氣、氧氣、氯氣的密度都量完了,但他在量測氮氣的時候碰到了大麻煩。他用兩種方法製造的氮氣,一是把空氣通過高熱的銅網,氧氣反應生成氧化銅,剩下的就是氮氣,另一是讓氧氣通過濃氨水,生成物除了水之外也是氮氣,後者的氮氣卻比前者重。這個謎題困惑了當時的科學家們好幾年,直到拉姆賽(Sir William Ramsay, 1852~1916;1904 年諾貝爾化學獎得主)對這個氣體施以高電壓分析光譜,終於找到一個新的氣體元素,由於這個元素和已知的元素都不發生反應,加熱加壓通電催化都無動於衷,因此依據希臘字「惰性」將這個氣體命名為氬(argon)。氬的原子量為39.9,應該排在鉀或氯的附近,但當時的週期表上已經沒有空間再擠一個空位給這個新元素,因此拉姆賽大膽的推斷,氬只是一整族新元素的其中一員。

在尋找氬氣期間,拉姆賽重複了美國地質學家希爾布蘭德的實驗,成功的分離出了氦氣。1902 年,門得列夫接受了氦和氬元素的發現,並這些稀有氣體納入他的元素排列,今日的元素週期表即從該排列演變而來。瑞典科學院長說:在沒有任何表徵性的物種存在下,卻發現了一整族的新元素,是化學研究上的唯一,也在科學推展上深具意義。【更詳細的內容,請參閱第526期科學月刊】

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