氡

天然放射性惰性稀有气体

( 英语 :Radon),是位于 元素周期表 的第六周期0族的 稀有气体 元素, 化学符号 为 Rn , 原子序数 为86, 原子量 为222.01758,在标准状态下是一种无色无味的惰性单原子稀有气体,也是密度最大的一种气体。氡易被压缩成无色发 磷光 的液体,可溶于水,易溶于 甲苯 、 煤油 、 二硫化碳 等 有机溶剂 。氡还可以被 活性炭 、 硅碳 等 吸附 ,加热时解吸。氡及其 同位素 氡222、氡220对人类有致癌性,氡对大多数化学反应呈惰性,能与 、 氟化物 反应,与水、酚、甲苯等反应生成 配位化合物 。氡可以通过镭和镭化合物放射产生或使用 碳原子 轰击铅、 质子 轰击 原子等方式制得,其应用领域非常广泛,可用于矿种寻找、 地震预测 、 油气勘探 、食品和医学领域等。

发现历史

1899年, 蒙特利尔 麦吉尔大学 的 罗伯特·B·欧文斯 (Robert B. Owens)和 欧内斯特·卢瑟福 (Ernest Rutherford)在测量来自钍氧化物的辐射时,发现辐射量会发生波动变化。 卢瑟福 发现,钍的化合物会持续散发某种放射性气体,这种气体会在数小时内保持放射性,将其称为“Emanation”( 散发物 ),后来又称为“ 钍 Emanation”( 钍射气 )。1899年晚些时候, 居里夫妇 在研究 镭 的放射性时探测到了 半衰期 为3.8天的 同位素 ²²²Rn,不过当时他们并不确定镭排放出的放射性物质是不是一种气体。

1900年, 德国 物理学家家 弗里德里希·道恩 (Friedrich Ernst Dorn)在研究镭的放射性时发现一种具有放射性的气体,将其称为“镭射气”,即氡-222。

1901年, 欧内斯特·卢瑟福 和 布鲁克斯 (H.T. Brooks )证明镭发出的是一种放射性气体,不过他们把这一发现归功于最早观测到这一现象的 居里 夫妇。

1903年, 安德烈-路易·德贝尔恩 (André-Louis Debierne)在 元素的实验中观测到了类似的散发物,即“ 锕 Emanation”(锕射气)。

1903年, 英国 化学家 威廉·拉姆齐 (William Ramsay )和 索迪 (Soddy)合作,将镭射气和空气一起充入 放电管 ,密封使之放电,在光谱中发现了一种未知元素的光谱线,而后他发现 钍射气 的光谱中也有同样的光谱线。 诺曼·拉姆齐 意识到镭射气、钍射气和锕射气是同一种物质,是一种全新的元素,他和 索迪 将这种新元素命名为“Niton”。

1910年, 索迪 等人发现了新元素的 同位素 ,并且确认了镭射气、钍射气和锕射气是同一种元素的不同同位素。

1923年国际 化学 会议上对该元素重新命名,因为在所有同位素中,镭射气最稳定,故将这种新元素命名为“Radon”,中文音译成氡。

来源与分布

自然界存在3个天然放射系(钍系、锕系、 系),均有氡产生。铀和钍在 地壳 中分布较广,铀 钍衰变链 中的气态衰变子体氡会向水和空气扩散,溶解在水中的镭衰变会直接产生氡随空气和水向大气中扩散。

氡在地壳中总重量约为115 t,岩石中的氡含量随 SiO₂ 含量增高而增加,酸性岩石中氡含量最高。氡在土壤中的含量为8.3x10⁻¹¹ g/(g土壤),在 水圈 的含量为6x10⁻¹⁴ ml/L,海水中含量为为6x10⁻¹⁶ ml/L,在大气中氡的浓度随高度增加而降低,氡在3000 m高空浓度接近于0。

氡在日常生活中普遍存在,水中氡浓度一般为37 Bq/kg,使用水产生的室内氡附加浓度约为3.7 Bq/ 立方米 ,另外还有天然气(使用天然气对室内氡浓度的贡献和水差不多)、 建筑材料 和装修材料、 地基 土壤也是室内氡的重要来源。

化学结构

氡原子的电子组态为[Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶,核外电子均匀排布,最外围电子数为8,不易得失电子,这导致氡的 化学性质 不活泼。氡 原子 不能 解离 为 电子 ,是典型的亲气元素,通常以气体的形式存在。

理化性质

物理性质

氡是一种无色无味的单原子稀有气体,具有天然放射性,在暗处发 磷光 。氡的 熔点 为-71 ℃, 沸点 为-61.7 ℃,在0 ℃,101.325 kPa时的密度为9.73 g/cm³,易被压缩成液体,液态的最初是无色的,会随着衰变产物的产生而变浑浊并使容器的 玻璃 壁发出 荧光 ,固态氡不透明并且可以发出明亮的浅蓝色光。氡可溶于水,易溶于 甲苯 、 煤油 、 二硫化碳 等有机 溶剂 。氡还可以被 活性炭 、 硅碳 等 吸附 ,加热时解吸。

化学性质

氡属于稀有气体,对大多数化学反应呈惰性。其 电子 排布会形成稳定的低能排布,此时 外层 电子紧紧束缚在 原子 中。其 第一 电离能 为1037 kJ/ 摩尔 。但根据元素 周期性 ,氡的 电负性 比同族元素—— 要低,所以 化学 活性会比氙高。早期研究发现,水合氡的稳定程度与氯( Cl₂ )和 二氧化硫 ( SO₂ )的 水合物 相当,且明显比 硫化氢 (H₂S)的水合物高。

与氟反应

氡能在一定温度、压力下与氟反应:

与氟化物反应

氡能在室温下与液态 三氟化溴 反应,反应方程式如下:

氡能在室温下与液态 三氟化氯 或-195 ℃下与固态三氟化氯反应:

生成络合物

氡能与水、酚、 甲苯 、 对氯苯酚 等反应生成 络合物 。常温下将足够数量的氡通入水中,即可获得 分子式 为 Rn · H₂O 的 水合物 的 晶体粉末 。

同位素

氡(Rn)是一种天然存在的惰性放射性气体,有27种同位素,即²⁰⁰ Rn 一²²⁶ Rn ,其中最重要的是²²² Rn 、²²⁰ Rn 和²¹⁹ Rn 。其中²²⁰Rn是钍的最稳定同位素²³²Th的自然衰变产物,通常称为“thoron”。它会释放 α粒子 , 半衰期 为55.6秒。²¹⁹Rn则是锕的最稳定同位素²²⁷Ac的产物,可称“actinon”。它同样释放α粒子,半衰期为3.96秒。

²²⁰Rn来源于钍 衰变 系列,第一个衰变 核素 是钍的²³²Th,其半衰期为140亿年,也就是说 地球 自诞生到现在(46亿年),²³²Th仅仅经历过了三分之一个半衰期,在这个衰变系列中生成的²²⁰Rn,在空气中含量仅为²²²Rn的3%,且²²⁰Rn半衰期短仅为55.6秒,因此其重要性远不如²²²Rn,只有在钍含量高的地区才考虑²²⁰Rn的实际危害。

²¹⁹Rn来自 地壳 中的另一个衰变系列——锕系,第一个衰变核素是铀²³⁵U,其 半衰期 为7亿年,从地球诞生至今它经过了6个多半衰期,所以地壳中²³⁵U已经很少了,仅为²³⁸U含量的千分之七,且²¹⁹Rn的半衰期仅为3.96秒。

由于²²⁰Rn和²¹⁹ Rn 的含量太少,半衰期又短,因此氡 放射性污染 主要研究对象是²²²Rn。²²²Rn来源于地壳中的铀 衰变 系列,该系列第一个衰变 核素 是²³⁸U,它的半衰期是45亿年,即自 地球 诞生至今,²³⁸U经过了一个半衰期,经过一系列衰变后生成²²⁶Ra,其半衰期为1602年,它是²²²Rn的直接母体,²²²Rn的半衰期为3.82天,是整个衰变链衰变产物中唯一的气态物质。接下去的衰变,顺序生成²¹⁸Po,²¹⁴Pb,²¹⁴Bi,²¹⁴Po,再衰变成²¹⁰Pb,其 半衰期 为22.3年,再经过一系列的衰变最后衰变成稳定的²¹⁰Pb。铀系 衰变 链中的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²¹⁴Po称为氡的短寿命衰变子体,简称 氡子体 。铀系衰变链见图3。

制备方法

任何一种含镭或镭化物的固体或液体均能放射出氡,通常用含1%的 溴化镭 或 氯化镭 的 溴氢酸 溶液或 盐酸 溶液来提取氡,可以将原始溶液加热至沸腾来促进射气的释放。每克镭一天可产生30-50 cm³含氧和氢的爆炸性气体以及0.48 cm³的氦,将混合气体通入被抽真空的仪器,通过加热的 铜丝 除去氧、氢,使用 氢氧化钾 和磷酐去除酸和 水蒸气 ,最终剩下的气体中含有氡、氦以及微量杂质。将剩余气体焊封于 毛细管 中待用。

氡的 同位素 可以通过加速 α粒子 、 核 和 质子 轰击钍 原子 获得,或者使用加速过的 碳原子 轰击铅人工合成镭,经由镭 蜕变 生成氡。上述两种方法可制得²¹⁹ Rn 和²º⁹ Rn ,²²³ Rn 可以通过 中子 轰击天然的氡获得。

应用领域

资源勘探

氡等放射性 核素 几乎和水、空气一样无处不在,利用放射性核素与矿种的伴生关系,可以寻找非放射性矿种赋存的空间。如通过氡法能够寻找金、铜铅锌、 ree 等。

测氡方法可以辅助油气勘探,如用来探测已知油气田的边界和推断油气圈闭的含油气性等。由于测氡方法难以用来进行垂向分层,因此,应尽量避免在油层迭合连片的地区使用,以免导致错误的结果。

地质领域

预测地震: 氡气 、 氦气 和 铀 同位素 比值法 能够比较准确地预报中近期地震。地震前、震时、震后 地下水 的化学成分会发生显著变化,如氡、氦、 浓度的增大,其他如铀、碳、氩的同位素成分同样也会发生变化。

研究现代 地球 动力学运动:任何起源的现代地球动力过程都会引起气体异常,而射气( 钍射气 -氡)测量可以发现这种异常。氡可用于绘制地球动力学带、观测滑坡、研究岩溶等。

研究地质:地质 断层 上方的氡浓度较高,所以通过测量氡在土壤中的浓度,可以 测绘学 地表断层地图; 氡的 半衰期 有3.8天,所以可在地底裂缝刚形成后不久被探测到。氡浓度的上升是新的地底裂缝形成的迹象。裂缝促进了 地下水 的流动,使氡得以释放出来。

工业

²²² Rn 、²²º Rn 可用于研究固体物质的 物理化学 性质(固相转化),如 料位计 、 厚度计 、 密度计 等。

食品业及医学

由于氡的惰性性质,氡可在啤酒保鲜中得到应用。由于氡的放射性,可以用于治疗亚性肿瘤;用于治疗 自身免疫性 疾病 ;用于氡浴以治疗某些关节病和 末梢 神经系统 的疾病等等。但后续由于氡的放射性对人产生的危害,氡在医学上逐渐被其他药品所替代。

其他应用

同位素 静电 消除:在纺织、印染、胶片、 电子 工业等部门的某些生产环节中会产生静电,静电会影响正常生产,可以通过氡同位素产生的电荷粒子使空气 电离 ,与静电发生“中和”。

离子感烟报警器:报警器的 探测器 由 放射源 和内、外 电离 室 组成,氡放射出的 射线 能对空气产生电离作用,在内、外电离室相联的电路中产生隐恒的电离电源, 烟雾 进入外电离室并且浓度超过规定限度时,会使内、外电离室的分压发生变化,从而输出信号报警。

制作 中子源 :具体做法是将 铍粉 和氡密封于管中,氡 衰变 时放出的 α粒子 与铍 原子核 进行(α,n) 核反应 ,产生中子,可用来研究放射性物质。

气体示踪剂 :氡作为气体示踪剂,可帮助研究气体运动以及管道 泄流 。

安全事宜

健康危害

氡及其子体对人体健康的危害主要是通过 电离 和激发来破坏肌体的正常机能以致使人患病致癌。氡是导致人类 肺癌 的第二大“杀手”,是除吸烟以外引起肺癌的第二大因素, 世界卫生组织 把它列为使人类致癌的19种物种之一。 已有充分的研究证据表明,氡及衰变产物具有致癌性,主要会导致肺癌。氡在一定条件下可以诱发或激发多种疾病,包括 胃癌 、 皮肤癌 、 脊髓 性的 白血病 等。

暴露途径

住房内的氡

世界卫生组织建议的住宅室内空气氡水平为100 Bq/ 立方米 ,情况特殊的国家也不应超过300 Bq/m³。 对大多数人而言,与氡最多的接触发生在住房内。住房内的氡浓度取决于以下因素:

通过以下措施可以降低住房内的氡浓度:

饮用水中的氡

迄今为止, 流行病学 研究尚未发现饮用含氡饮用水与 胃癌 风险增加之间存在关联。溶于饮用水的氡可释放到室内空气中。通常,吸入的氡含量要高于饮水摄入的量。

世界卫生组织 《 饮用水水质准则 》(2011年发表)中建议水中氡的筛查水平应以空气中的国家参考水平和各国氡在住宅内的分布规律为基础。在预计饮用水含氡较高的情况下,需要测量氡浓度,如果确认氡浓度过高,可以通过曝气或使用不带 离子交换 的颗粒 活性炭 吸附 降低饮用水中的氡浓度。

矿井中的氡

矿井空气中的氡主要来源有:矿岩壁析出、爆炸后爆下 矿石 析出、 地下水 析出、地面空气中的氡随风进入。一些老矿区由于开采面积大、崩落区多,氡的主要来源可能是 采空区 中累积的氡。《 煤矿安全规程 》、《 金属非金属地下矿山 安全规程》(GBI6423-2006)规定井下作业地点空气中氡最高允许浓度为3.7 kBq/ 立方米 。

中毒救治

每年注意体检,若发现肺部病变或经常咳嗽、感冒、发热,需要查明原因并对症治疗。发现 肺癌 及时化疗或手术切除病变。

参考资料

  1. 2023-01-18
  2. 2023-01-18