惰性元素的化合物 [复制链接]

第5版()
专栏：

　　惰性元素的化合物
　　袁翰青
人们总结一九六二年世界自然科学方面的成就，在化学研究领域中，指出三项重大的进展：一是制备惰性元素化合物的成功；二是发现多种无机物和有机物具有莱塞（光激射器）的作用；三是确定了蛋白质合成过程中生物密码的组成和性能。关于莱塞和生物密码，国内的报刊已经登载过一些文章，作了介绍。至于制备惰性元素的化合物，却尚少介绍。本文就这项重大进展，作一简要的阐述。
惰性元素制得稳定的化合物，这是科学上的一件大事。这一发现打破了七十年来化学上的传统观念，连中学化学教科书的内容都得有所修订，同时在化学工业方面，也因此潜在着革新某些生产方法的可能。我们认为，对于推动化学科学的发展来说，一九六二年开始的这项新进展，具有阶段性的重要意义。
所谓惰性元素，包括氦、氖、氩、氪、氙、氡六种气态物质，在元素周期表中位于零族。当门捷列夫在一八六九年发现化学元素周期律并制成周期表时，人们还不知有这些元素的存在，所以表中只有第一族到第八族，共八个族的位置。早期周期表的八个族足够巧妙地解释当时已知元素的化合价以及其他性能。天文学家曾从太阳光谱中发现了太阳上有一种新元素，后被证明为氦。十九世纪末年，化学家在空气中和某些矿石中，陆续发现氩、氦、氖、氪、氙这些稀有气体；不久在二十世纪初年，又从镭化合物里发现蜕变而成的氡，这是一种有放射性的比重最大的气体元素。这六种元素，经过了种种化学试剂的试验，都表现不出化学作用。因此，科学界称它们为惰性元素或惰性气体，并且在周期表里增加了零族，将它们列在零族中以表示其化合价为零，即不与任何别种元素化合之意。
自从原子结构的理论得到了大量实验证明之后，人们知道元素的化学性质一般是由原子核外的最外层电子决定的，而惰性元素的原子所特有的饱和的最外层电子，乃一种稳定的结构。这使惰性元素不易参加化学反应的特性，得到一定程度的理论解释。
尽管惰性元素的原子具有特别稳定的结构，可是化学键的生成是多种多样的，这些原子的最外层电子并不能认为绝无构成化学键的可能。换句话说，辩证地从理论上来看，惰性元素决非绝对没有化学性。有人曾试由量子化学理论推测，估计惰性元素生成化合物还是可能的，重要的问题是要能找到适当的条件。
由于传统的观点束缚了很多人的思想，多少年来，只有极少数的科学家还在实验室里，试图制备惰性元素的化合物。在科学文献中，曾经有过很少几篇似乎成功的记录。例如，一九五○年有论文报道，苯二酚在四十个大气压的氩、氪或氙中结晶，获得含有相应气态元素的晶体。还有人报道，在摄氏表零下一百三十度的低温之下，氩可与氟化硼相结合。此外，也曾有过水化物的记载。后来人们证明，这些产物并不是真正具有化学键的化合物，仅仅是气体被包结在晶体孔穴之中的笼型物。不但惰性元素能被包结，好些其它气体如氧气、硫化氢、二氧化碳等，也都能被晶体所笼包。因此，直到一九六一年年底，化学界公认，制备惰性元素化合物的实验工作，尚无成功的结果。
一九六二年年初，加拿大的一位化学家发表了一篇简短的论文，报道他以六氟化铂与氙起作用，制成了氙、氟和铂三元素相结合的一种黄色固体化合物，化学分子式是XePtF6，具有一般化合物的稳定性。这是人们制成的惰性元素的第一个化合物。这位加拿大科学家的研究成果启发了许多化学工作者，在好几处不同的实验室里，同时进行着惰性元素氟化物的研究工作。到今年一月为止，短短的一年之内，人们制成而公开发表的惰性元素化合物，除了上述的六氟化铂氙之外，已有不少更单纯的产物，如二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙和四氟化氪，以及肯定制得但成分未定的氟化氡。与六氟化铂氙相似的六氟化铑氙也已制成。此外，还有虽未制得纯物质，但用质谱法证明有微量三氟氧化氙和四氟氧化氙的产生。
　 总之，惰性元素化合物的存在已经不是孤证，而是得到好多科学实验的确切证明，成了无可怀疑的事实了。
在这些惰性元素化合物之中，以二氟化氙、四氟化氙和六氟化氙这三个产物的研究比较详细。关于它们的制备方法，分析数据、物理性质、化学性质、晶体结构、光谱测定等等方面的实验工作，都有了相当详尽的文字报道。
现在以六氟化氙为例，来说明有关实验工作进行的概况。在一次典型的制备实验里，人们将五点二五毫克分子的氙和一百一十毫克分子的氟放在一个镍质的反应器中，温度升至摄氏表三百度，压力为六十大气压。待反应在器中进行完毕后，温度降至室温，再浸于摄氏表零下七十八度的冷却皿中，多余的氟用泵抽出。所得固体产物用升华法予以提纯。几次的实验结果，产率都高达百分之九十以上。它的分子式经过定量分析，证实其每一分子含有一原子氙和六原子氟。六氟化氙为无色结晶体，易于升华，升华的气体为淡黄色，冷却又成无色固体。它是相当稳定的化合物，在室温下储于镍管中并不分解。它和氢气、水都能迅速地反应，重变为元素状氙，可是能溶于无水氟化氢中而不起化学变化。它的红外光谱呈现有和其它六氟化物频率相似的带，所以无疑的是正常的六氟化物。
二氟化氙是将氙和氟在室温之下，经过用高压水银灯为光源的光化学作用制得的。四氟化氙是将氟和氙用五比一的比例混合起来，在摄氏表四百度加热一小时制成的。这两种氟化氙也都是易于升华的无色结晶。
这些研究工作是在好几处不同的实验室里进行的，所得的结果却相同。实验结果相继发表之后，立即引起了化学物理学家的注意，他们从理论上来进行探讨，企图阐明这些化合物分子中化学键的性质和分子构型。这方面的理论工作可以替化学键学说开拓新的领域。至今已有几篇理论性的论文发表，大体用变局限键学说予以解释，基本上还是属于习见的共价键的性质。键长和价角的计算值和实验值相符合。二氟化氙的分子是直线型的，四氟化氙的分子由四个氟原子以平面四方形连结在氙原子上。六氟化氙和其它已知惰性元素化合物的分子构型尚在继续研究之中。
惰性元素化合物的制备和研究，已成为当前化学工作中备受重视的崭新领域。这一年来的成就还是这方面工作的开端，预料不久的将来，一定还会有更大的进展和更多的成果出现。新的理论、新的实验技巧、新型化合物、新颖的反应以及新的用途，可能层出不穷地涌现。这是科学发展史中的一条规律，每在突破了科学部门中久久未能突破的一点之后，科学上的嫩叶新枝就会像春笋般地丛生怒发。我们认为，对于惰性元素化合物的发现来说，这条规律是可以适用的。
化学中一九六二年的这项新成就，在哲学上还具有重要的意义。在已知的一百零三种化学元素之中，硬把六种稀有气体划为不参加化学反应的物质，本来不符合自然界唯物辩证法的观点。对所有元素来说，化学反应性的强弱是相对的而不是绝对的。几十年来，零族元素和其它元素之间的这道机械的鸿沟，现在被科学实验证明其在本质上不存在。这原是自然辩证法所可预见到的。这又一次说明了，自然科学的研究愈深入，唯物辩证法的正确性愈显明，内容也从而愈丰富。
我们可以看出，现有惰性元素化合物的制备，并未使用十分繁杂的技巧和极珍贵的药品，其所以迟迟至最近才实现，多少不等可说与科学界忽视唯物辩证法的观点有一定的关系。如果唯物辩证法的观点普遍地被科学工作者所掌握，像这类的实验工作应早受到更多的重视而获得成功，从而化学的发展也可加速。这不妨视为自然科学研究工作中的教训，并且值得我们来深思。
除了拓展化学中的科学理论和丰富辩证唯物主义的重要作用之外，惰性元素化合物在工农业生产上的用途，一时还难于准确地预见到。不过我们还是有根据做一些猜测性的估计的。我们知道，首先，氟是工业上的重要原料，可是由于它的反应性过分强烈，使其储藏和运输成为很困难的问题，所以在一定程度上限制了它的利用。惰性元素的氟化物能加热分解为氟，这大有可能成为储氟中间物，因而扩大氟的应用。其次，好些氟化物已经是化学工业中的重要催化剂，零族元素的新氟化物应当也可以在催化作用中显现身手，从而引起化学工艺中某些方法的革新。还有，现有的惰性元素化合物都还是无机物；从无机物到有机物的发展，在深入了解化学键的理论之后，是大有可能的。惰性元素有机化合物一旦出现，势将为许多化学工业带来新的产品和开拓新的工艺流程。这些是我们对于这项重大发现在生产上应用可能性的一点初步估计。
一个新生的婴儿的前途是无限量的。科学研究中一项新的重大发现的前途也是无限量的。科学界正在以这样的眼光，注视着新生的惰性元素化合物。