原文作者：Markku R?s?nen，芬蘭赫爾辛基大學(xué)化學(xué)系

惰性氣體的發(fā)現(xiàn)過程很好地展示了研究人員的創(chuàng)新能力，他們可以借助相對簡陋的工具，從混合物中分離和鑒定微量成分。

來源：? THE PRINT COLLECTOR/ALAMY

1785年，亨利·卡文迪許通過實驗分析發(fā)現(xiàn)了空氣中含有惰性成分的跡象——大約1%的空氣成分不參與化學(xué)反應(yīng)。不過他當時無法將該惰性成分鑒定出來。后來，它被證明是氬氣，由瑞利勛爵和威廉·拉姆賽（如圖）共同發(fā)現(xiàn)。

1892年，瑞利和拉姆賽通過化學(xué)方法分離出空氣中的不同成分后，對各成分進行了相當精確的測定，結(jié)果顯示用加熱的銅從空氣中去除氧氣、二氧化碳和水得到的氮氣密度與通過氨氣制備的氮氣密度有偏差。

兩年后他們意識到這意味著另一種元素X的存在，并通過卡文迪許時代還不具備的光譜分析法加以確認。拉姆賽向瑞利勛爵建議：“既然X如此不活潑，用argon（希臘語αργον，意為懶惰的）命名如何？”他們各自做了非常類似的研究，后來一起發(fā)布了聯(lián)名報告。1904年的諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎被分別授予瑞利和拉姆賽，以肯定他們在惰性氣體方面的研究成果。

在當時已知的元素周期表里還沒有放置氬元素的合適位置，于是拉姆賽提議再增加一列，即元素周期表第18族。氦以及之后發(fā)現(xiàn)的另外一些元素，才得以和“稀有氣體”一起在元素周期表里找到位置。然而，這個名字多少有些誤導(dǎo)性，畢竟氬是大氣中僅次于氮和氧的第三多的成分（約占大氣成分的0.94%）。鑒于它們很難參與成鍵化學(xué)，用“惰性氣體”指代第18族元素會更準確一些。

化學(xué)惰性給氬帶來了許多化學(xué)和工業(yè)用途，比如為焊接、食品儲存和保溫窗等提供惰性環(huán)境。氬的同位素也被用于測定地質(zhì)年代；激光技術(shù)也廣泛使用氬，比如氣體激光器使用了氬陽離子，而準分子激光器則使用了受激二聚體氟化氬。

也正因為這種化學(xué)惰性，氬很難形成中性化合物。1995年，惰性氣體（Ng）氫化物被發(fā)現(xiàn)，其通用結(jié)構(gòu)為HNgY，其中Ng是氪或氙，Y是電負性原子或原子團。這些分子中一般氫和Ng之間是共價鍵，Ng和Y之間是離子鍵。

也許會令人驚訝的是，早在1995年，初步的量子化學(xué)計算就預(yù)測低溫條件下可以制備含有一個氬原子的化合物：氟氬化氫（HArF）。參照用H（氫）+ Xe（氙） + I（碘）制備碘氙化氫（HXeI）的方法，我的團隊嘗試在固態(tài)氬中，將氫、氬和氟合成為氟氬化氫，但幾次都失敗了。盡管如此，在接下來的幾年里，更多大規(guī)模的計算研究增強了我們對氟氬化氫存在的信念。

在分析清楚對反應(yīng)前體氟化氫處理不當是前述實驗失敗的主要原因后，我的團隊在1999年12月21日第一次檢測到了這種新物質(zhì)——每年圣誕前夕實驗室里沒有學(xué)生干擾多少有利于開展實驗。確鑿的實驗結(jié)論來自氫/氘以及氬-36/氬-40同位素置換引起的光譜同位素效應(yīng)。含有氬的中性分子——沒有比這更好的圣誕禮物了。

計算還預(yù)測了許多穩(wěn)定的氬化合物，待后續(xù)實驗驗證。該化學(xué)領(lǐng)域的最新進展包括諸如ArBeS和ArAuF的制備和表征。隨著惰性氣體化學(xué)的研究成果開始逐漸進入教科書，比如具有廣泛成鍵能力的氙，我們對第18族元素化學(xué)性質(zhì)的理解也在發(fā)生變化。

時間將會告訴我們究竟可以合成多少惰性氣體氫化物及其相關(guān)物質(zhì)。目前，通過實驗驗證的惰性氣體氫化物的數(shù)量大約有30種，而且很容易設(shè)計出更多這類亞穩(wěn)態(tài)分子?；瘜W(xué)家們希望探索化學(xué)基礎(chǔ)知識領(lǐng)域的前沿，研究惰性氣體與其它元素之間的新型鍵合方式為此提供了一個充滿挑戰(zhàn)的陣地。優(yōu)秀的計算工具正在不斷被研發(fā)出來，輔以一定的實驗工作，這將極大地提高成功的可能性。

原文以Argon out of thin air為標題

發(fā)布在2013年12月17日《自然-化學(xué)》In Your Element上

?

nchem|doi:10.1038/nchem.1825