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氦为什么不能形成化合物?

首先,这个问题已经被否定了。2016 年的时候已经证实,氦可以形成化合物钠氦(Na2He),成果由南开大学领衔的一支团队完成,并刊登在《自然化学》杂志上。

氦隶属于零族元素,这一族的几个成员,氦氖氩氪氙氡以及 118 号的 Og,光是确定名字就费了好大的劲,一会儿叫稀有气体,一会儿又叫惰性气体,结果发现,它们既不稀有也不惰性。当然,相比于氮氧氟氯来说,它们是挺惰性的,但也不是完全不会参与化学反应。估计以后翻译 Noble Gas 的时候,只能从本义出发,翻译成贵气体或者贵族气体了……

不扯闲篇儿了,先说为什么零族元素不容易发生反应。

道理说起来其实并不复杂。

对于化学反应而言,没有所谓的惰性“原子”,有的只是惰性的“电子”和“轨道”,因为化学反应的过程就是电子参与成键。我们可以用“传统”的婚姻观来打个比方,电子就好比是嫁妆,而轨道就好比是房子,要想两个原子之间结合,那么嫁妆和房子首先要匹配,也就是门当户对,对于化学反应而言,这就是能量的问题,电子要舒舒服服地填入到轨道中,两个原子的结合才能完成,否则就不稳定。

并不是所有的轨道都能够入住电子,在 MO(分子轨道)理论中,轨道分为三种类型:成键轨道、非键轨道和反键轨道,还是用房子打比方吧,成键轨道就是精装修的好房子,住起来特别踏实;非键轨道是租的房子,要花钱的,住起来也没什么感觉;反键轨道是毛坯儿房,赶上雨大了得出去避雨的那种,实在是没辙了才不得不住。所以,原子之间是否能结合,就看化学键是否稳定,更本质来说,其实就看电子和轨道的结合,是不是尽可能都在成键轨道上完成。

具体而言,化学键又有很多种形式,这在初高中就已经学过了,离子键、共价键和金属键。对于零族元素而言,成键确实困难一些,因为它们不仅不能提供电子,而且低能轨道都被占满了,如果形成化学键,不会很稳定。但是,这也只是说困难,而不是说禁止。

实际上,自从 1933 年鲍林怹老人家预测了零族元素的化合物之后,自 1962 年起,已经有大量零族元素通过各种途径,迎娶白富美,走上了人生巅峰,而且既有离子键,也有共价键。会不会形成金属键,目前还没有案例,但是如果真的哪天出现了由零族元素参与形成的合金,也不是没可能,毕竟我们现在对物质世界的认识还是很初级。当然,很多人早就已经用上了氪金狗眼,那就不提了。

氦是个奇葩,奇葩就奇葩在,它的第一电离能实在是太高了。

当年鲍林为什么预测氪、氙之类的可以形成化合物,其实主要是因为这些元素的第一电离能并没有高得很离谱,甚至还不如氧高,所以,鲍林就想了,氧、氟之类的强氧化性元素是不是有机会呢?实际上,第一个被发现的零族元素化合物也是在这个思路上完成的,六氟化铂的氧化性能够将氧气分子都氧化,那么是不是有可能氧化氙呢?于是这才有了氟铂酸氙。

这条路对于氦来说,基本是条死路。它那么强的电离能,哪个原子能把它的电子拔出来?

所以,在寻找氦化合物的过程中,一直尝试的路线都是类似于四氟化氙这样的共价化合物。

不过,在经过漫长的尝试之后,这条路终究也没能成功。于是,研究人员反其道行之,既然强氧化性的元素不合适,那么强还原性的元素呢?这也就是用钠去和氦结合的理由。

这个过程是个典型的大力出奇迹的方法,具体而言,就是在超高压强之下(113 GPa),让钠和氦发生反应。我们知道,大气压是 0.1 MPa,所以,这就是超过了 100 万个大气压的条件下才发生的过程。

只是出乎意料的是,目前已有的研究表明,钠氦其实还不是共价化合物。在这个物质中,钠发生了电离,电子成为阴离子,而钠则是阳离子,而氦则是夹在其中,与钠离子构成了 CaF2 型的晶体。

不管怎么说,这个钠氦还是刷新了人类对零族元素的认知,也是第一个被确认的含氦化合物,至此,元素周期表上也就不存在绝对“惰性”的元素了——好像,except Ne!

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