0 族元素

引入

为什么稀有气体在自然界中几乎不与其他元素化合？它们真的完全不反应吗？

正文

定义

位于元素周期表第 18 族（或第 0 族）的元素，包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)。因其化学性质极不活泼，又称为惰性气体或稀有气体。

原子结构特点

稀有气体原子最外层电子数为 8（He 为 2），达到稳定结构，因此化学性质极不活泼，通常不与其他元素化合。

但这不是绝对的：20 世纪 60 年代，科学家成功合成了氙的化合物（如 $\mathrm{XeF}{}_4$、$\mathrm{XeO}{}_3$），打破了”惰性气体完全不反应”的认识。

从 He 到 Rn，原子半径逐渐增大，最外层电子距原子核越远，稳定性逐渐降低，因此 Xe、Rn 等较重的稀有气体在特定条件下可以发生化学反应。

物理性质

元素	颜色	物态（常温常压）	密度（相对空气）	熔点	沸点
氦 He	无色	气体	极小	-272℃	-269℃
氖 Ne	无色	气体	小	-249℃	-246℃
氩 Ar	无色	气体	较大	-189℃	-186℃
氪 Kr	无色	气体	较大	-157℃	-153℃
氙 Xe	无色	气体	较大	-112℃	-108℃
氡 Rn	无色	气体	大	-71℃	-62℃

递变规律：

• 都是无色、无味的单原子分子气体
• 熔点、沸点都很低，从 He 到 Rn 逐渐升高
• 密度逐渐增大
• 在水中和有机溶剂中的溶解度很小

用途

稀有气体	主要用途	原因
氦 He	填充飞艇、气球；低温冷却剂	密度小，不可燃
氖 Ne	霓虹灯、激光器	通电发红光
氩 Ar	焊接保护气、白炽灯填充气	化学性质不活泼
氪 Kr	高效照明灯、激光器	通电发光
氙 Xe	闪光灯、麻醉剂	通电发强光
氡 Rn	放射性治疗	具有放射性

化学性质

在常温常压下，稀有气体化学性质极不活泼，通常不与其他物质反应。

但在特殊条件下（高温、高压、放电、催化剂等），某些稀有气体可以发生化学反应：

• $\mathrm{Xe}+\mathrm{F}{}_2\stackrel{加热}{\to }\mathrm{XeF}{}_2$
• $\mathrm{Xe}+2\mathrm{F}{}_2\stackrel{高温高压}{\to }\mathrm{XeF}{}_4$
• $\mathrm{Xe}+3\mathrm{F}{}_2\stackrel{高温高压}{\to }\mathrm{XeF}{}_6$

这些化合物的发现说明：

1. 稀有气体并非完全不反应
2. 原子序数越大的稀有气体，越容易发生反应
3. 稀有气体化合物的研究推动了化学键理论的发展

递变规律总结

性质	变化趋势（He → Rn）	原因
原子半径	逐渐增大	电子层数增加
稳定性	逐渐降低	最外层电子距核越远
反应活性	逐渐增强（但仍很低）	稳定性降低
熔沸点	逐渐升高	原子间作用力增强
密度	逐渐增大	原子质量增大

引出

• 为什么最外层 8 电子是稳定结构？He 只有 2 个电子为什么也稳定？
• 稀有气体在地球大气中的含量如何？为什么叫”稀有”气体？
• 碱金属元素和卤族元素如何通过得失电子达到稀有气体的稳定结构？