稀有氣體化學的前沿與發展王均華（廣東省幃山師范學院化學系,潮州521041）摘要:闡述了對稀有氣體元素的發現和稀有氣體化學建立的歷程，論述了客觀世界的復雜性,揭示了人類認識上的局限性,并探討了這一過程中的辨證唯物主義的世界觀、認識論和方法論。關鍵詞：稀有氣體，巴特利特，認識論，方法論稀有氣體元素的發現，對于近代原子結構理論和化學鍵理論的形成也起了不可低估的作用。但是稀有氣體一族元素的發現是完全出人意料的。門捷列夫預見到氫與鋰之間有一個元素存在，但他沒有能夠預見到一族元素。1稀有氣體元素的發現稀有氣體過去叫惰性氣體或貴氣體。它們在地殼（包括大氣層、水層和巖石圈）中含量極少,以痕量存在于大氣中。稀有氣體元素的發現，在元素發現史上是很有趣的。十八世紀七十年代，當英國化學家普利斯特里發現空氣中有助燃性氣體一一氧和不助燃氣體一一氮以后，人們就認為空氣的組成僅僅是氧氣和氮氣。1785年，英國化學家卡文迪什在空氣中通入過量的氧氣，用電火花使容器中的氮氣全部變為紅棕色的二氧化氮氣體，然后用堿液吸收，剩余的氧氣用多硫化鉀除去后，發現還殘留一個約為原體積1/120的微小氣泡。他對這一現象很注意，在實驗記錄中寫道：”這個氣泡是特殊的，不像一般的氮，因為不管什么樣的火花都不能使它同氧化合。”當時不知道這少量的殘余氣體是什么，這件事也沒有引起當時的化學家們的重視。一百多年后的1893年，英國物理學家雷萊（Rayleigh,R.J.S.）用精密天平測量常見的各種氣體的密度時發現，凡從空氣中得到的氮氣每升重為1.2572克，而從氮的化合物中提取的氮氣在相同條件下每升重為L2505克,雖然兩者只差0.0067克，但已超出了實驗的誤差范圍。微小的差異引起了雷萊的注意，但他無法解釋。求答，也未如愿。只好寫信給他的朋友倫敦化學教授拉姆賽（Ramsay,W.）,拉姆賽重新翻閱卡文辿什一百多年前的實驗記錄，思索那個“氣泡”與雷萊測的空氣中的氮氣反常質量的內在聯系，產生了大膽的設想：卡文迪什的那個“氣泡”根本不是氮氣，而是一種未知的新氣體，這種氣體可能就是使一升空氣中的氮氣比一升來自氮化物中的氮氣超重0.0067克的那種物質。于是，兩人商定各自進行實驗，雷萊重復了卡文迪什的實驗，拉姆賽把已經不含二氧化碳、水和氧氣的空氣，通過灼熱的鎂來吸收其中的氮氣。結果，他們都得到一種殘余氣體，約占原空氣體積的1%。對這一氣體進行光譜實驗，發現了一條新的譜線。后又經多方試驗，于1894年8月斷定該氣體為一種新元素。因它不活潑，命名為氫，Argon（在希臘文中“a-”表示“不”，“ergon”表示“工作”，二者結合，表示“懶惰”），元素符號為Ar。⑶此后，于1898年5?7月的短短幾十天內，拉姆賽和他的助手利用分光鏡觀察不同條件下液化空氣的揮發蒸氣的光譜，先后發現了氨（5月30日）、樂（6月12日）和旅（7月12日）。這期間也觀察到了氮的特征譜線。早在1868年法國大文學家簡森（Janssen,J.C.）利用分光鏡觀測日全蝕時，發現太陽光譜上有一條與鈉D線位置不同的黃線，經過核對，這條黃線不屬于任何已知元素，在地球上也未發現，把這個元素命名為氮Helium（來自希臘文“太陽”-helios一詞），元素符號為He。后來在1888?1890年間美國地質學家赫列布萊德（Hillebrand,W.F.）用硫酸處理一種鈾礦時，發現了一種不活潑的氣體，他誤認為是氮氣。1895年，拉姆賽用光譜實驗證實了這種氣體就是27年前從太陽上發現過的氮。此后，又陸續從其它礦石、空氣、天然氣中都發現了氮。1906年,建立化學元素周期系的俄羅斯化學家門捷列夫生前最后一次修訂元素周期表,把當時已發現的稀有氣體排進元素周期表中，列為零族,表明它們的化合價為0,也就是沒有化合價,因為它們不與其他元素結合成化合物，它們是“懶惰”的一族。由此它們被稱為惰性氣體。⑶2稀有氣體化學的發展歷史的發展總要沖破一切不合理的信條.1962年,在加拿大工作的英國青年化學家巴特利特成功地制得六氟粕酸包，使惰性元素發生了化學變化.這項研究震驚了整個化學界，并由此而開創了稀有氣體化學.1991年，全國自然科學名詞審定員會公布的《化學名詞》中正式規定，把惰性氣體改稱為稀有氣體。⑸1962年6月，巴特利特在《proceedingsofthechemicalsociety?刊物上發表了一篇有他簽名的短文,正式向化學界公布了信:被深紅色、P6蒸氣而迅速氧化得到橙黃色的固體六氟伯酸旅的實驗報告.合成XePtP6的成功,意味著一場思想解放，使持續了大約半個多世紀之久的惰性氣體元素不能參加化學反應的信條從實踐上被推翻了，并很快在化學界掀起了一個研究和合成惰性氣體化合物的高潮.緊接著在巴特利特發現之后的同年8月，美國的化學家們在加熱加壓體積比為1：5的包與獗的混合物時,直接制得XeF4.年底又得到XeF2,XeP6.你:與氟直接合成成功,更加推動了稀有氣體化學領域的發展.在此后很短的時間內，陸續發表了數十篇這方面的報告，不僅制得了一系列不同價態的簡氨化合物、沉氯化合物、面澳化合物、旅氧氟化合物、然氧化合物、包的有機化合物以及沆的氟硼化合物等，而且還對其中多種化合物的結構和化學鍵的性質進行了研究.很顯然,再繼續對這一族元素稱之為“惰性”元素已不科學.根據這族元素的克拉克含量（即某種元素在地殼中存在的多寡）都很低微,只有氮稍高一些,但其質量克拉克百分比也僅達4X10-4,因此一些化學家建議將“惰性”氣體更名為稀有氣體，這一建議很快被普遍采用.㈤3稀有氣體化學的應用3.1稀有氣體的應用氮氣He——翅很輕，是除氫以外最輕的元素。它的重量只有同體積空氣的1/7。由于概不象氫那樣會燃燒，使用非常安全。因此人們便用氮氣來代替氫氣填充氣球或飛艇的氣囊。氮又是極難溶于水的氣體，100個體積的水在0C時大約只能溶解1個體積的氮。現在人們利用氮氣與氧氣混合，制成“人造空氣”（79席的家氣，2遍的氧氣）來供給潛水員呼吸，在醫學上，便利用氮的這一特性來防止“潛水病”。嵐Ne——笈的導電性比空氣大75倍。在放電管內，在電場的激發下，敏能射出紅色的光，霓虹燈便是利用笈的這一特性制成的。因此發燈還常用在港口、機場、水陸交通線的標燈上。氫Ar一一氧也是無色氣體，但比較重，在一個大氣壓和0C時，1L氫重1.7837g,幾乎比空氣重50機在焊接金屬時，常用氫作保護劑。特別是焊接一些活潑金屬Mg、Al等，這樣可以防止這些金屬在高溫時氧化。原子反應堆的核燃料杯，在空氣中也可迅速氧化。氮Ki一一氨氣用來填充電離室以測量宇宙射線。沆Xe——旅氣在電場的激發下，能射出類似于太陽光的連續光譜，高壓長弧旅燈就是利用這一特性制成的。砥燈是60年代才發展起來的新光源之一，這種燈的燈管是耐高溫、耐高壓的石英做成的。高壓長弧包燈可用于電影攝影、舞臺照明、放映、紡織和油漆工業的照光以及廣場、運動場的照明用。氫Rn——氨是地殼中放射性元素鈾和鐳蛻變的產物，是氣體元素中比重最大的一個元素，具有放射性。強烈地震前，地應力活動加強，氧氣不僅運移增強，含量也會異常變化。地下含水層在地應力的作用下發生形變，就會加速地下水的運動，增強氫氣的擴散作用，引起緞氣含量增加。由于氨氣有上述的特點，所以預報地震的效果較好。㈤3.2稀有氣體化合物的應用稀有氣體化合物的實際應用，已經看到了廣闊的前景。例如，在鈾一235作核燃料的原子反應堆中，過去對如何處理具有放射性的氨和砥裂變產物感到困難，現在可以利用僦化的辦法，使它們轉為固態的氟化氨和氨化旅，并利用它們氟化能力的不同，將它們作進一步的分離。在鈾礦的開采中，氧是一種有害的強放射性氣體，也可以通過氟化處理而消除。三氧化宛和四氧化沉對宸動、加熱都極為敏感，在潮濕的空氣中有很強的爆炸力，人們試圖探討將它們用作火箭推進劑的可能性。稀有氣體鹵化物還可以作為大功率激光器的工作物質。例如，一氟化然激光器可發射出波長為351.1納米和353.1納米的激光束4建立過程中的認識論與方法論從稀有氣體的發現到稀有氣體化學的建立，化學家們的認識經歷了極其復雜和曲折的過程，其中蘊藏著深刻而又豐富的認識論和方法論的內涵，也飽含著諸多寶貴的經驗和教訓，很值得我們總結和借鑒。科學發展的歷史多次告誡我們，過分拘泥于傳統觀念，把一定歷史條件下的科學認識視為不可逾越的金科玉律，必然要走進形而上學和教條主義的迷宮。在1894年以前，人們對空氣的組成和性質進行了大量的分析和研究，確實取得了豐碩的成果。于是自以為對空氣的成分已了如指掌，但瑞利和拉姆塞卻在被大多數人視為貧瘠荒涼的領域,發現和離析出了一整族的稀有氣體。同樣，當稀有氣體被發現之后，化學家們又做了不少努力，試圖合成它們的化合物，但幾十年的辛勤勞動都以失敗而告終。于是人們又犯了同樣的錯誤，基于不完備的實驗事實，歸納出稀有氣體絕對惰性的結論。1916年以來，化學家們又根據稀有氣體的化學惰性和外層電子結構的特點，建立了經典化學犍的電價理論和共價理論，認為原子在化合時，通過得失或共享電子以達到稀有氣體原子外層8電子的穩定結構。這種建立在稀有氣體模型基礎上的八隅律由于概念直觀簡明，通俗易懂，比較滿意地說明了許多實驗事實，因而很快得到化學家的廣泛承認，并寫入了化學教科書中，更使稀有氣體不能形成化合物的觀念從理論上得到肯定和加強。以有限事實建立起來的不完善理論逐漸形成了一種規范，阻礙了人們對稀有氣體化學性質的進一步探索。歷史的偏見把一整族元素從整個化學元素群中分割出來，宣判了它們是不能生兒育女的修女，從而使絕大多數化學家放棄了對稀有氣體化學的深入研究。這不能不認為是傳統偏見蒙住了人們的眼睛。可見，在傳統觀念的束縛下，先入為主的偏見常常成為一種桎梏，堵塞了科學家通往新世界的思想路線，阻礙了科學認識的發展。但稀有氣體的化學反應性能依然日復一日、年復一年地客觀存在著，嘲弄般地注視著人們對于它們的不公正的判決，它們也決不會因人類的意志為轉移。客觀世界的復雜性和自然規律的隱蔽性決定了人類認識上的局限性、片而性和反復性。列寧指出：“辯證唯物主義者一向認為，世界比它顯現的更豐富、更生動、更多樣化，因為科學每向前發展一步，就會發現它新的方面。”⑴傳統的科學認識是時代的產物，是我們認識發展的前提和起點，但決不是認識的終結。如果一味死抱住傳統認識不放，哪還有什么發展和進步可言呢？由于事實本身是不可窮盡的，那么以有限的實驗事實歸納出來的理論總是不可避免地帶有主觀性、片而性和局限性，因此決不能迷信和盲從。科學研究中采用的歸納法一般是不完全的歸納法，即根據對有限的實驗事實考察作出的結論，在邏輯上是不充分的，正如列寧所說：“以最簡單的歸納方法所得到的最簡單的真理，總是不完全的，因為經驗總是未完成的。"⑶運用不完全歸納法推引出來的結論往往在認識的邊緣上是模糊的，在這個模糊的界限上就可能隱藏著錯誤。自然界本身是難以窮盡的，人類的科學認識并不是一成不變的，忽視了科學認識的條件性、近似性和發展性就必然要走彎路，甚至犯錯誤。英國著名科學哲學家卡爾?波普（KalPoper）對科學的發展曾提出了證偽主義觀點，認為:“任何科學理論的發展都是首先根據有限的實驗事實，大膽地跳躍到某種結論上，進行猜測性的解答，然后再接受實踐的檢驗。科學理論的發展就是不斷探索、除錯，排除錯誤的假說，建立新假說的過程。"⑶當傳統認識發展到一定階段就可能成為科學進一步發展的阻力，使人們在思維方法上產生一種頑固維護舊規范的惰性，阻礙人們對事物深層規律的認識。只有樹立辯證唯物主義的認識論和方法論，既要尊重傳統認識，又要清醒認識到傳統認識的局限性和人類認識上的弱點，善于在收斂式思維和發散式思維之間保持適當的張力，始終保持蓬勃的朝氣和創新精神，才能在科學研究的征途上披堅執銳，不斷開拓進取。而對我們這些將來傾心于化學教育事業的教師來說，我們也要打破傳統觀念,具有創新思想.就比如我們做中教法實驗、物理化學實驗等等，老師都會要求我們在最后的問題與討論中寫出對該實驗的建議或要求，提出實驗改進，就是要我們挖掘出該實驗的最優方案，培養創新思維。再比如我們的新課程改革，改變舊蘇聯的教學模式，建立一種適合中國的又與世界教學模式接軌的教學體系，這樣才使我們在國際競爭中立于不敗之地。因此，打破傳統觀念，培養創新思維才能使我們適應時代潮流，跟進時代步伐，以不斷更新自己的知識來適應社會進步的發展.正所謂“路漫漫其修遠兮，吾當上下而求索”。我們不僅要掌握豐富的科學知識，虛心繼承前人的科學成果,還要具備駕馭知識的能力，掌握曲徑探幽的本領，更要具有勇于批判和創新精神，不斷在前人開辟的道路上開拓進取，窮追不舍。只有這樣才能把科學推向前進，創造更加美好燦爛的明天。參考文獻：[1]孟慶珍.程泉壽.孔繁榮等編.無機化學.北京:北京師范大學出版社.1988：