氡气

编辑:各种网互动百科 时间:2020-02-25 13:44:45
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氡元素符号为Rn,原子序数是86, 位于元素周期表中第六周期,零族。氡气分子是氡原子的单原子分子,氡气是气体中最重的一个,也是唯一一个常规条件下全部由放射性同位素构成的气体。
氡有27种同位素,常见有三种,均为放射性核素。大气中氡本身不参加化学反应, 但其衰变产生的射线及衰变产生的短寿命衰变产物对人体健康具有危害作用。对人体危害最大的主要是222Rn及其衰变产物。
中文名
氡气
英文名
radon;alphatron;niton /(222)radon/;radium emanation
化学式
Rn
分子量
86
熔    点
-71 ℃
沸    点
-62 ℃
水溶性
氡溶于煤油甲苯、血、水、易被脂肪、橡胶、硅胶、活性炭吸附
密    度
(0 °C, 101.325 kPa)9.73 g/L
外    观
无色气体
应    用
辐射源
安全性描述
当人体吸入氡后,会导致肺癌
危险性描述
放射性
半衰期
 3.8天以内
存在情况
天然空气内含有氡气

氡气基本信息

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元素名称:氡
中文读音:dōng
英文名称:Radon
元素符号:Rn
相对原子质量:[222]
元素类型:稀有气体
电子层:K-L-M-N-O-P
外围电子层排布::6s²6p6
原子体积:(立方厘米/摩尔) 50.5
元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面 0.00000000000001
电离能 (kJ /mol) M - M+ 1037
发现人:多恩(F.E.Dorn)
发现年代:1900年
发现过程:1900年由德国人多恩(F.E.Dorn)在镭制品中发现。
元素来源:由镭、钍等放射性元素蜕变而获得。
元素用途:由于氡具有放射性,衰变后成为放射性钋和α粒子,因此可供医疗用。用于癌症的放射治疗:用充满氡气的金针插进生病的组织,可杀死癌细胞;虽然利用钴-60和粒子加速器对疾病进行辐射治疗。它通常从辐射源泵并密封于小玻璃瓶中,然后植入患者体内肿瘤部位。人们称这种氡粒子为“种子”。
研究历史
弗里德里希·道恩在1900年发现了氡元素。当时氡是继之后第五个被发现的放射性元素。道恩发现在一些试验中,镭化合物会散发一种放射性气体。他将其称为“镭射气”(Radium Emanation,简称Ra Em)。1899年,居里夫妇曾观察到镭所发出的气体在一个月后仍保持其放射性。同年,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·卢瑟福在测量来自氧化钍的辐射时,注意到了辐射量的波动变化。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。他将其称为“散发物”(Emanation),后来又称为“钍射气”(Thorium Emanation,简称Th Em)。1901年,他证明此散发物确实具有放射性,但把元素发现者的名誉留给了居里夫妇。1903年,安德烈-路易·德贝尔恩(André-Louis Debierne)在锕元素中观测到了类似的散发物,即“锕射气”(ActiniumEmanation,简称Ac Em)。
人们为这三种气体提出了多套命名方案:1904年的exradio、exthorio和exactinio,1918年的radon、thoron和akton,1919年的radeon、thoreon和actineon以及1920年最终的radon、thoron和actinon。由于这些气体的光谱与氩、氪和氙相似,而且气体呈化学惰性,所以威廉·拉姆齐于1904年猜测,散发物可能含有属于稀有气体一族的新元素。
1910年,拉姆齐和罗伯特·怀特洛-格雷(Robert Whytlaw-Gray)分离出了氡气,并对其密度进行了测量,确定它是已知最重的气体。他们写道“镭射气这一词十分累赘”,并提出了新的命名“niton”(符号为Nt)。该名称来自拉丁文“nitens”,意为“发光的”,因为气体能够辐射发光。国际原子量委员会于1912年采用了这一命名。1923年,国际化学元素委员会和国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)决定从radon(Rn)、thoron(Tn)和actinon(An)三者中选择命名。之后,各元素的同位素不再拥有不同的名称,而是以数字标号,统一命名。因此最稳定同位素radon就成了元素的正式命名,而Tn和An则分别改称220Rn和219Rn。直到1960年代,文献一般都只是以“散发物”称之。1962年合成的氟化氡是首个被合成的氡化合物。
矿场中氡辐射量可以高达1,000,000 Bq/m3。1530年,帕拉塞尔苏斯曾描述矿工所患的一种疾病,格奥尔格·阿格里科拉因此建议为矿井添加通风系统,以避免这种“山病”(Bergsucht)。1879年,这种病症被判定为肺癌。对波希米亚亚希莫夫地区的铀采矿所作出的调查,是第一项有关氡对健康的影响的研究。在美国,冷战初期美国西南部铀矿工人经过数十年的健康问题之后,直到1971年才有安全标准得以实施。
早在1950年,就有关于室内空气中氡气含量的记录。1970年代开始,人们开始研究室内氡气的来源、影响浓度的因素、对身体的影响以及减轻氡含量的方法。室内氡气问题于1984年在美国获得了广泛的关注和深入的调查。当年,一位工程师在对宾夕法尼亚州一座核电站进行例行监察的时候,被发现受到放射性污染。最终找到的放射性源头,是其家中浓度过高的氡气。[1-2] 

氡气性质

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氡气物理性质

氡气无色、无臭、无味。在标准温度和压力下,氡是一种单原子气体,密度为9.73 kg/m3,约为海平面地球大气密度(1.217 kg/m3)的8倍。氡是密度最高的稀有气体,也是室温下密度最高的气体之一。虽然在标准温度和压力下无色,但它在冷却至冰点202 K以下后会因放射性发光,随温度降低而从黄色渐变为橘红色。在凝结之后,氡同样会因放射性发光。
氡作为稀有气体,其化学活性很低。不过,氡-222同位素的半衰期为3.8天,适合做物理科学中的放射性示踪剂。[3] 

氡气化学性质

氡属于稀有气体。它对于多数常见化学反应呈惰性,例如燃烧反应,因为其拥有8个外层价电子。这种电子排布会形成稳定的低能量状态,此时外层电子紧紧束缚在原子中。其第一电离能为1037 kJ/mol。但根据元素周期表的趋势,氡的电负性比位于上一周期的元素要低,所以化学活性会比氙高。
  氡略溶于水,其可溶性相对比它轻的稀有气体高。在有机化合物液体中,氡的可溶性则高得多。早期研究发现,水合氡的稳定程度应该与氯(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。
  由于价格高、放射性强,所以科学家不常进行氡的化学研究。已知的氡化合物很少,都属于氟化物或氧化物。氡可以被氟等强氧化剂氧化,形成挥发性低的二氟化氡
  在250 °C以上温度,二氟化氡会分解成各组成元素单质。由于氡寿命之短和放射性之强,研究未能确定该化合物的具体属性。理论性研究则预测,二氟化氡分子中的氡-氟键长为2.08pm,且它的热力学稳定性比同系物二氟化氙(XeF2)更高,挥发性更低。另一种氟化物RnF6的分子结构为八面体型,其生成焓预计将比二氟化氡更低。有研究称RnF4和RnF6等较高氟化物是存在的,而且根据计算它们都是稳定化合物,但一些化学家则怀疑这项研究的结论。
  其他可能存在的氡化合物还包括氧化氡,其中只有三氧化氡已经确认存在。根据预测,羰基氡(RnCO)是一种具有直线形分子构型的稳定化合物。根据计算,Rn2和RnXe分子的稳定性因自旋-轨道作用而大大提高。有科学家提出把氡原子包在富勒烯分子中,作为治疗肿瘤的一种药物。虽然氙可以形成Xe(Ⅷ),但氡却没有发现能够形成Rn(Ⅷ)化合物。就算存在,RnF8的化学稳定性也会非常低(XeF8为热力学不稳定化合物)。最稳定的Rn(Ⅷ)化合物预计会是高氡酸钡(Ba8RnO8),类似于高氙酸钡[4-5] 

氡气氡的同位素

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氡已知的放射性同位素共有36种,其相对分子质量在193和228之间。最稳定的同位素是222Rn,它是226Ra的衰变产物,而226Ra则是235U的衰变产物。[222Rn的子同位素还包括极微量的不稳定同位素218Rn。
除此之外半衰期超过一小时的同位素还有三种:211Rn、210Rn和224Rn。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,半衰期为55.6秒。219Rn则是的最稳定同位素227Ac的产物,可称“actinon”。它同样释放α粒子,半衰期为3.96秒。237Np)衰变系不会产生大量的氡同位素,唯一产生的是微量极不稳定的217Rn。

氡气氡的衰变特性

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222Rn是镭和铀-238的衰变系成员之一,其半衰期为3.8235天。它的主要衰变途径会产生四种寿命很短的元素(八种核素218Po、214Pb、214Bi、214Po、210Pb、210Bi、210Po、206Pb,所以通过测量产物的瓦解,可以得知最初氡的分布情况。

氡气氡的危害

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氡是世界卫生组织(WHO) 公布的19 种主要致癌物质之一, 是仅次于香烟引起人类肺癌的第二大元凶。
国际癌症研究署( IARC) 认为氡及其子体是人类的致癌因子, 无阈值。
联合国原子辐射效应科学委员会( UNSCEAR )估计, 来自天然的辐射对公众的年有效剂量为 2.4mSv ,其中氡及其子体的贡献占 54% 。[5] 
动物实验研究表明, 氡的生物学效应主要集中在呼吸道肿瘤、肺纤维化、肺气肿和寿命减少方面。人体各器官受到氡子体辐射剂量的程度是不同的, 其中肺部受到的剂量最大。 而氡子体在肺部产生的剂量分布也是不均匀的,,气管、支气管上皮细胞层的剂量大大高于肺区或全肺的平均剂量。 流行病学研究显示低剂量的放射性污染物质氡长期作用是人群肺癌发生的危险因素之一,有研究揭示室内环境中氡浓度升高与肺癌的高发有密切关系。
氡对人类的健康影响表现为确定性效应 (determination effect) 和 随机效应( stochastic effect )。确定性效应表现为:在高浓度氡的暴露下,机体出现血细胞的变化如外周血液中红细胞增加,中性白细胞减少,淋巴细胞增多,血管扩张,血压下降,并可见到血凝增加和高血糖。氡对人体脂肪有很高的亲和力,特别是神经系统与氡结合产生痛觉缺失。随机效应主要表现为肿瘤的发生,由于氡是放射性气体,当人们吸入后,氡衰变过程产生的α粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤,诱发肺癌。流行病学研究表明:氡及其衰变子体的吸入是矿工肺癌发病的重要原因。美国估计每年有 7000-10000 例肺癌由于是室内氡所引起的,即除吸烟以 外引起肺癌的第二大因素。荷兰认为由氡引肺癌为交通事故的 2/3 。 在瑞典,氡在所有癌症诱因中排第五位。 氡是 ICRP 推荐的慢性照射行动水平具体数据的唯一核素,被 WHO (世界卫生组织)公布为 19 种主要的环境致癌物质之一 。 1987 年氡被国际癌症研究机构列入室内重要致癌物质。不过人们对由居室内氡引起的照射的潜在健康的认识仍然有限。
氡及其子体使外周血红细胞、淋巴细胞数量减少,脂质过氧化增强,其对骨髓细胞的效应为双向性,即在低剂量时刺激骨髓细胞的增生,而高剂量下则为抑制作用。苯使外周血中各系血细胞数量减少,机体脂质过氧化增强,并抑制骨髓细胞的增生。氡及其子体和苯联合作用时,表现为增毒作用,即对机体的毒作用大于两者单独作用的效应之和。[6] 

氡气氡的使用

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氡气医学

20世纪初,庸医曾利用氡来治疗各种疾病。病人在密封的小房间内接触氡,以获取“治疗功效”。很快人们便发现,氡的致电离辐射能够致癌。虽然氡的放射性可以杀死癌细胞,但它对健康细胞同样有损害。致电离辐射会导致自由基的形成,进而在细胞及基因上造成更大的伤害,甚至会引发癌症。
  曾有人提出用氡的辐射激效来治疗关节炎等自体免疫性疾病。20世纪末至21世纪初,美国蒙大拿州杰佛逊县的一些“健康矿井”吸引了不少渴望消除关节炎等疾病的人来饮用放射性井水和暴露在氡气之中。然而因为高剂量辐射会对身体产生负面影响,所以这一疗法并不受到医生的鼓励。
  捷克亚希莫夫自1906年起便有使用放射性水浴,而奥地利巴特加斯泰因则在氡被发现之前就已有放射性水浴的使用。日本鸟取县三朝町也有富含镭的温泉。德国巴德布兰巴赫则有饮用放射性水的疗法。奥地利加斯泰纳-海尔施多兰(Gasteiner-Heilstollen)、波兰希维拉杜夫-兹德鲁伊、切尔涅瓦-兹德鲁伊(Czerniawa-Zdrój)、科瓦雷、隆代克-兹德鲁伊等地、罗马尼亚米耶尔库雷亚丘克和美国蒙大拿州杰佛逊县都有吸入含氡空气的疗法。在美国和欧洲有各种氡水疗,人们相信在这种高氡含量环境下暴露几分钟至几个小时,所受到的辐射有提神的作用。
  氡可用于放射治疗,但大部份已被粒子加速器及核反应炉所产生的其他放射性同位素所取代。氡可以经金或玻璃“种子”植入体内,用于治疗癌症。镭所放出的氡气经一个泵进入一条金制长管进行收集,长管再经挤压、切割,形成多个较短的部份。金可以包住氡气,并阻止α和β粒子的逃离,只滤出氡及其衰变链中的短寿命同位素(218Po、214Pb、214Bi、214Po)所发出的伽马射线,从而杀死病变细胞。每个种子的辐射量在0.05至5毫居里(2至200 MBq)之间。
  氡以及衰变链中的首几个衰变产物都具有较短的寿命,因此种子一开始留在体内。在12个半衰期(43天)之后,氡的辐射量已达到原先的2000分之一。此时主要的残余辐射来自氡的衰变产物之一210Pb,以及它的子同位素210Bi和210Po。210Pb的半衰期为22.3年,即氡的2000倍,辐射量因此是氡的2000分之一。
  20世纪初,一些受210Pb污染的金进入了美国珠宝业。这是因为曾经含有222Rn的金种子在氡衰变殆尽后,经过重新熔化流入了市场。

氡气环境科学

泥土发出氡气的量随土壤类型和表面铀含量而改变。一些大气学家利用这一现象来追踪空气的流动。由于氡会迅速流失到大气之中并且衰变,所以可在水文学中用于研究地下水和溪水之间的相互作用。溪中若含有较高浓度的氡,就意味着附近有地下水的注入。
  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,可以测绘地表断层地图。同样,氡浓度可以用来测量低温梯度。
  一些科学家利用地下水氡浓度的变化作地震预测。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。有科学家猜想,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,使氡得以逃逸出来。新裂缝有可能是大型地震的前兆。然而在1970至1980年代,人们通过测量发现,断层附近的氡浓度并未因地震而升高,有时测量到氡以后也没有发生地震。因此以氡作为地震发生的指标并不可靠。截至2009年,美国国家航空航天局将氡气列为地震发生的可能前兆之一,正在调查当中。
  氡是地热发电厂的污染物之一,因为从地底深处所抽出的物质含有氡。但是氡能快速散发,所以不少调查都发现其放射性不会造成危害。另外,地热发电过程一般会将抽出的物质再次打入地底,所以对环境的影响较小。
  氡曾在1940至50年代用于工业放射性摄像。第二次世界大战后不久,其他价格更低、α辐射危害较低的X射线源便取代了氡

氡气氡的来源与防治

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氡气来源

氡是由放射性元素镭衰变产生 , 镭又是由放射性元素铀衰变而来 , 铀起了一个氡的永久源作用。室内氡的主要来源如下 :
1 、 从建材中析出的氡;
2 、 从房基土壤中析出的氡;
3 、 由于通风从户外空气中进入室内的氡;
4、 从供水及用于取暖和厨房设备的天然气中释放出的氡
表1不同建材室内的氡浓度[5] 
Table1 Indoor Rn concentrations resulted from various building materials Bq/m3
建材类型粘土砖混凝土煤渣砖粉煤灰陶粒花岗岩磷石膏石煤炭化砖
室内氡浓度47.4±24.632.2±4.891.8±12.423.3±5.531.5131±7.2363±15
表2 中国几处地下水的氡含量[5] 
Table2Radon concentration of ground warm waterin some areas of China kBq/m3
地点广东从化广西庐山温泉新疆乌苏南温泉辽宁汤河陕西临潼华清池辽宁抚顺温泉安徽泮汤温泉北京小汤山
水中氡浓度11118522727201461194370-44496

氡气防治

1、建筑施工单位对于建筑过程中的选址、建筑材料及装饰材料的使用必须严格把关, 从污染源上控制, 以减少氡向室内的释放;
2 、生活用水方面, 减少地下热水的使用. 用水、用煤、用气时应保持户内外的有效通风;
3 、日常生活中应养成良好的生活习惯, 经常开窗换气, 以保持室内环境空气的清洁。

氡气环境标准

氡及其衰变子体对于人体健康的危害主要与室内环境中氡的浓度和人在室内滞留的时间长短有关, 也就是说与暴露浓度与暴露时间有关. 一般室内空气中都有氡的存在( 室外亦是如此) , 那么室内空气中氡浓度在多大情况下人体健康有害, 对于人体健康而言有无安全浓度范围, 这一问题可从世界各国政府及有关组织所制订的室内氡浓度的上限值和行动值得到回答. 室内氡浓度上限值的含义是指人在其中生活而终生不受氡危害的室内空气氡浓度的范围, 该值一般为70~ 150 Bq*m-3。室内氡浓度超过上限值较多, 而达到行动值 时, 就应采取措施。 室内氡浓度的/行动值一般为150~ 400 Bq*m-3。.
存在状况
天然空气空气中含有微量的氡气,但很少,其含量不到百分之0.1。(天然空气指的是天然形成的空气,例如被汽车尾气污染的空气不是天然空气。)
参考资料
  • 1.    凌永乐. 世界化学史简编[M] . 沈阳: 辽宁教育出版社, 1988. 289- 295, 380- 385.
  • 2.    赵匡华. 化学通史[M] . 北京: 高等教育出版社, 1981. 242- 245.
  • 3.    ( 美) 切尔尼克C L. 惰性气体[M] . 北京: 原子能出版社, 1981.
  • 4.    李华隆.惰性气体与稀有气体化学:四川师范大学,2002:388-392
  • 5.    卢新卫.室内空气中氡的来源、危害及控制措施分析:桂林工学院,2004:87-92
  • 6.    孙军霞.氡及其子体对大鼠靶器官的损伤效应及氡防护剂防护效果的研究:苏州大学,2012
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科学 理学 学科