主页 > E嗨生活 >十大美丽化学实验--巴特莱特(Bartlett)合成钝气(N >

十大美丽化学实验--巴特莱特(Bartlett)合成钝气(N

E嗨生活 2020-06-20

)合成钝气(Noble Gas)化合物
国立台湾大学化学系林雅凡博士责任编辑

学过週期表的人,一定都知道在整张表的最右边有一行惰性气体(noble gas),它们静静地躺在那里,好似过着与世无争的生活。不过科学家就是爱搞怪,越是乖宝宝的物质,越是要试看看它们能不能和活泼的物质反应,第一位挑战者便是惰性气体化学的老祖宗--拉姆谢(William Ramsay,1904年诺贝尔化学奖,图一)。

十大美丽化学实验--巴特莱特(Bartlett)合成钝气(N

图一:研究惰性气体化学的老祖宗--拉姆谢(William Ramsay,1904年诺贝尔化学奖)。

惰性气体的发现几乎都是拉姆谢一手包办,拉姆谢从液化空气中发现氖(neon,Ne)、氩(argon,Ar)、氪(krypton,Kr)、氙(xenon,Xe),也分离鉴定氦(helium,He)与氡(radon,Rn)。因为氩在空气中的含量(0.94%)仅次于氮气与氧气,因此拉姆谢最先分离出的惰性气体就是氩气,他把氩气和其他物质东加西加,发现氩气完全不和其他化合物say hello,闻风不动。惰性气体之所以反应性相当差,是因为它们的价壳层电子完全填满,要硬塞给它们一个电子或强夺一个电子都非常不容易,难以应用他们的价电子与其他物质反应。

1916年,考索尔(Walther Kossel)根据元素的游离能数据,推测氪和氙应能与氟结合形成化合物。自此之后,钝气化合物的挑战者始终络绎不绝,不乏鼎鼎大名的化学家参与战役。包括公认史上氟化学的最强者,德国化学家瑞福(Otto Ruff)也嚐试失败。1933年,鲍林(Linus Pauling,1954年诺贝尔化学奖)发表论文预测H4XeO6、XeF6、KrF6的存在;鲍林的同侪尤斯特(Don Yost)与凯(Albert Kaye)试图合成XeF6,但是他们始终无法取得足够的产物来分析证明。

十大美丽化学实验--巴特莱特(Bartlett)合成钝气(N

图二:巴特莱特的发现,他最初的实验对象并非钝气,而是铂的氟化物。

也许「无心插柳柳成荫」可用来形容巴特莱特(Neil Bartlett,1932-2008,图二)的发现,他最初的实验对象并非钝气,而是铂的氟化物。已知二氟化铂(PtF2)可和氟气反应成四氟化铂(PtF4)。巴特莱特于1960年操作同样的实验,不过这回使用更高的温度,他发现会得到两种产物,一种是氟化程度更高的五氟化铂(PtF5),另外还有一种铂的氟氧化物,巴特莱特进行元素分析定出结构为四氟氧化铂(PtOF4)。等等,反应物不是只有二氟化铂和氟气吗?氧是哪里来的?仔细检验发现,氧是由氟在高温下与实验器皿的玻璃(主成分为二氧化硅,SiO2)反应得到。

不过在进行更精确、完整的元素分析后,巴特莱特发现第二种产物的简式并非PtOF4,而是PtO2F6。更特别的是,将此铂盐水解会得到PtF6–的阴离子。因为酸根不会是在水溶液中才形成,所以原先在铂盐里就是六个氟原子接在铂原子上,意味此盐类应该是(O2)+(PtF6)–,巴特莱特于1962年订正他之前所发表的结果。

O2+?哇!因为氧通常容易抓电子形成阴离子而非丢电子,所以这是相当罕见的阳离子,巴特莱特发现了一个美丽的意外。不过巴特莱特的思考不仅于此,他看出这个实验背后的可能性:氧气的第一游离能(O2 –> O2+)是12.2电子伏特(eV,1eV = 96kJ/mole),与氙的第一游离能(12.1电子伏特)相近。这意味着六氟化铂若可氧化氧气,应该也可以氧化氙,形成氙的化合物。在1962年稍晚,巴特莱特提出他划时代的杰作,实验在低温下缓慢将氙加入六氟化铂,反应形成一种橘黄色的固体,那就是六氟铂酸氙(XePtF6),世界上第一种钝气化合物。

虽然一开始四氟化铂的反应出乎巴特莱特意料之外,但是他成功的解释实验现象,把错误化成转捩点,并且洞见钝气的发展性,再次证实「机会是留给有準备的人」。在巴特莱特之后,化学家也已合成出氩、氪、氡的化合物,只剩下最后的两座山头需要攻下:氦、氖。令人兴奋的是,这次战役台湾也共襄盛举,2005年中正大学化生系胡维平教授在美国化学会誌(JACS)上发表论文,以理论计算推估FHeO–阴离子有存在的可能性,若预测属实,钝气化合物的化学将会再往前跨一大步,就让我们拭目以待吧!

参考文献:
1. Neil Bartlett, “Xenon Hexafluoroplatinate(v) Xe+[PtF6“>–” Proc. Chem. Soc., 1962, 218.
2. Neil Bartlett and D. H. Lohmann “Dioxygenyl Hexafluoroplatinate(v) O2+ [PtF6“>– ”Proc. Chem. Soc., 1962, 115.
3. Neil Bartlett and D. H. Lohmann “Two New Fluorides of Platinum” Proc. Chem. Soc., 1960, 14.
4. Karl O. Christe “Neil Bartlett (1932–2008) Founder of noble-gas chemistry” Nature, 2008, 455, 182

您可能有兴趣文章:

推荐内容