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《元素家族》
“霓虹”元素:氖
鲁超   
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第十号元素氖在宇宙中其实不少,丰度仅次于氢、氦、碳、氧,这是因为“α粒子链”,氧核和“α粒子”氦核很容易发生反应生成氖核。在宇宙中,双数原子数的元素丰度总是比较高,如氦(2)、碳(6)、氧(8)明显比锂(3)、硼(5)、氮(7)、氟(9)高,只有铍(4)这一个反例,那是因为铍8太不稳定。

但是在地球上,氖却如此之少,因为它很难和其他元素化合,所以无法结合成化合物沉淀在地表。在地壳里也几乎见不到,只有在空气里能找到痕量的氖,约占空气的1/65000。这是因为氖气是一种单原子气体,虽然氖的原子量20大于氮的14和氧的16,但是氮气和氧气都是双原子气体,它们的分子量28和32就比氖气要重的多了,经过了漫长的地质年代,氖气不断散逸到大气层以外,单拳难敌双手啊!

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【和其他的惰性气体一样,氖是单原子分子,孤零零的。】

和氦一样,氖是苏格兰化学家拉姆塞发现的,他是一个幸运的人,一下子就把稀有气体一族连锅端了,氖是其中之一。

拉姆塞发现并成功分离了这些气体之后的一个晚上,他和助手特拉弗斯想测试一下这些气体是否导电,就把一种稀有气体注射在真空玻璃管里,然后把封闭在真空玻璃管中的两个金属电极连接在高压电源上,聚精会神地观察这种气体能否导电。

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【这两位科学家十足幸运,一下子就发现了一个族的5种元素。】

一个意外的现象发生了:注入真空管的稀有气体不但开始导电,而且还发出了极其美丽的红光。这种神奇的红光令拉姆赛和特拉弗斯惊喜不已,特拉弗斯这样在实验记录本上写道:“真空管里红光的闪耀,似乎在诉说着这种气体的故事,让我们陷入深思、没齿难忘!”

回家后拉姆塞告诉了他儿子这一重大发现,他的儿子提议把这种气体叫做:neon,意为“新的”气体,源自希腊文:novum。

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拉姆赛和特拉弗斯的新发现传出来以后,立马吸引了很多人的眼球,氖那红色的耀眼光芒迅速走出实验室,被一些商家寻觅到商机。 

这个时候正是19-20世纪之交,约20年前,爱迪生发明了白炽灯,1896年,新式的穆尔放电管被发明出来,最早是用氮气和二氧化碳作为工作气体的。大家发现,如果把氖气放进去,就可以得到稳定的红色光源。但是当时,氖气只有在实验室里才有,价格可是非常昂贵的。 

1902年,法国人乔治·克劳德创办了液体空气公司,专门生产液化的氢气、氧气、氮气等等。氖气是他们的副产物,就这样,氖气的成本一下子就低了很多,普遍使用成为可能。

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【乔治·克劳德,他创办的液化空气公司一直延续到现在。】

1910年,巴黎车展在法国大皇宫举办,乔治·克劳德在这里展示了他们公司的新产品:两根充了氖气的灯管,每根灯管足有12米长。这种新式的灯成为这次车展的最亮点,吸引了全世界的眼球。

乔治·克劳德后来又改进了技术,延长了灯的寿命,申请了专利,他因此赚了一大笔钱,成了百万富翁。这种新式的灯也被成为氖灯(Neon lamp),翻译成中文就是我们现在很熟悉的“霓虹灯”,取自neon的发音,这个翻译很美,本身也有彩色的意思。现在你明白了吧,“霓虹灯”这个美丽的名字跟我们一衣带水的友好邻邦可一点关系都没有!

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【1910年巴黎车展是霓虹灯的诞生之年。】

拉姆塞和特拉弗斯在试验过氖气之后,还试验了氦、氩、氪、氙等气体,发现不同的气体可以发出不同的颜色:氦是黄色、氩气是蓝色,氪是深蓝色,氙是白色。霓虹灯制造者有了更多的素材。再往后,人们又发明了荧光粉,不同的气体加上不同的荧光粉就可以组合出更多的颜色。五彩缤纷的霓虹灯被生产制造出来,点缀了我们的城市。

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【直到现在,霓虹灯还在我们身边扮演重要角色。图中是上海南京路步行街。】

氖还被用于氦氖激光器,这是第一种气体激光器,也是最重要的红光放射源。

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【氦氖激光器曾被广泛使用,上世纪90年代之后被成本更低的半导体激光器取代。】

氖和氦一样,都属于惰性气体,化学性质非常不活泼,化学家们做过很多尝试,试图合成氖的化合物,都失败了。直到现在,只在质谱仪和光谱分析中找到过氖氩离子、氖氢离子、氦氖离子等的踪影,这些不是电中性的化合物,所以我们可以说,还没有发现氖的中性化合物。

2014年12月10日,德国哥廷根大学宣布,德法研究人员制造出了水的一种新结晶形式——“冰十六”,这是冰的第十七种形态,也是最轻的一种冰,密度仅仅有0.81克/立方厘米。他们是用这样的方法得到这种新式的冰:先在零下130度的低温下制造出氖的笼形水合物,就是水分子组成一个笼子的形状,将氖原子装在“笼子”里。这种水合物不代表发现了氖的化合物,因为这种“笼子”没有化学键的参与,是非常不坚固的,很容易用真空的方法将其中的氖抽出来,剩下仅由水分子形成的晶体结构,这就是“冰十六”。由于氖留下了很多空隙,所以“冰十六”的密度自然就小了很多。

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【氖的笼形水合物的球棍示意图。】

这些科学家可不是无聊,去发明这些“松松的冰”。研究人员维尔纳·库斯说,这是科学家首次在实验室中直接量化水分子和气体分子相互作用的影响,有助于进一步了解气体水合物,对地质学和化学研究意义重大。

我们知道,可燃冰在冻土层和海床中大量存在,它就是一种气体水合物,只不过里面的气体不是氖,而是甲烷。如果能将可燃冰中的甲烷释放出来用作能源,同时将二氧化碳固定在气体水合物中,则既可获取能源又能减少大气中的温室气体。类似“冰十六”的各种水合物也许能帮助人们去掌握这项技术。

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【“冰十六”的框架结构。】

-完-
我要评论
小分子团水 2018-01-24 11:34
作为一个化学系本科生,所学的知识都是非常专业性的,科普性不足。元素家族以幽默风趣的讲述方式,以化学元素为基本来讲述化学对人类、对社会方方面面的影响,十分不错!
钱一二 回复 小分子团水 不错
2018-02-26 15:41 回复
笑笑 2017-12-28 20:32
个人一点心得愚见,算几点体会:文章节奏特别稳当,彰显了作者深厚的文字功底和隐藏的相关知识的广博,文中俏皮地使用了一些幽默的句子,还选定了化学元素这一主题,非常契合学生业余生活的需要,引导大家深入记忆这些元素。另外跟本人正相反,使用了大量图片,这些图片本人仔细研究了一下,不是从网上复制的,而且图片整体效果规整,高人耶~
科普作品
元素家族
| 目录  (共17章)
评委点评 评语汇总

虽然,化学元素的科普,是一个很老的题材。但作者显然将最新的科研进展,融合到化学元素的科普中,时效性、时代性都很强。 写作风格幽默风趣,配图恰当,适合手机、网络等新媒体传播。

2018-01-08 20:01 郑永春 ——

全作以较为通俗的语言讲述了,十种元素从发现,到部分生活中的实际应用等方面的内容,从文字角度应该是不错的作品,老少皆宜。但在选取图片上,感觉部分图片选取的质量不高,需要改进。

2018-01-10 13:37 匿名 ——

一篇内容非常丰富的科普文章,相信如果不限制字数的他作者完全可以把现在所有已知元素全部写一遍。而且文中的科普内容不光是这些元素的化学性质,还有他们奇妙的特性以及科学家们发现他们的故事。可以勾起读者继续把他读完的欲望。而且据我所知作者鲁超自己也在运营一个科普相关的公众账号,这种不计回报的科普精神值得学习。

2018-01-24 15:39 匿名 ——

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