你不知道的这些神奇气体，它们就在每天呼吸的空气中

出品：科普中国

制作：中国科学院亚热带农业生态研究所刘春梅

监制：中国科学院计算机网络信息中心

直到两百多年前，人们才陆续揭开空气的面纱，知道了空气的主要组成成分和作用。其中，占21%的氧气供给人类及生物体呼吸，占78%的氮气维持氮素循环，占0.03%的二氧化碳是主要的温室气体，而对于剩余的0.98%的惰性气体和0.03%的其他气体，你还了解多少？

其实，这些气体虽然体积含量小，但是却有它们独特而又神奇的作用。

1、惰性气体：化学性质很稳定

惰性气体包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和氡（Rn）。它们原本常被称为稀有气体，但后来发现，氩气（Ar）在地球大气层的含量占0.923%，胜过二氧化碳（0.03%）；而氦气（He）在地球大气层的含量确实很少，但在宇宙中，它占有23%，仅次于氢（75%）。

宇宙中的氦由氢聚变产生的，存在于各恒星的表面。所以，它们又改称为惰性气体，表示它们化学性质很稳定。这些惰性气体虽然含量极少，但是其作用却很广，让我们来了解一下它们的神奇之处。

这些惰性气体大都有这些共同作用[1]：

1）广泛应用于航空航天和飞机制造业，从制造到飞行的整个过程。

2）在焊接精密零件或镁、铝等活泼金属，制造半导体晶体管的过程中，以及机械加工原子能反应堆的核燃料钚，常用惰性气体作保护气。

3）惰性气体还可用于准分子激光器，这是因为，它们可形成短暂存在的电子激发态受激子。这些用于激光器的受激子可能是稀有气体二聚体（如Ar2、Kr2或Xe2）。

准分子激光有诸多工业、医药和科学用途：集成电路制造过程中的显微光刻法和微制造必须用到准分子激光；激光手术，例如血管再成形术和眼部手术也需用到准分子激光。

4）这些气体在电压下通电会发不同的光，世界上第一盏霓虹灯就是填充氖气制成的。通电时，氦气发出淡红色光，氖灯发出红光，氩气发出蓝紫光，氪发出蓝绿色光，氙发出亮白色光。有了它们，我们夜晚的城市才被装点的如此绚烂多彩。

除了这些技术上的用途，氦气还有一个非常有趣的反应。看过《生活大爆炸》的朋友就知道，当Sheldon吸入了氦气，他说话的声音神奇的发生了变化，变得尖声细气，就好像卡通“唐老鸭”的声音一样，达到变声的效果。

专家介绍，人之所以能发出声音是靠口腔、声带的共鸣，氦气的密度比空气小，共鸣频率比空气高，所以吸氦气变声之后，人的嗓音听起来变得尖细。

另外，同样的原理，六氟化硫变声则是声音变得粗狂，因为SF6气体的密度比空气大，在声带聚集时，共鸣频率比空气低，所以显得声音低沉粗哑。

虽然氦在宇宙中的比例很高，但在地球中含量很低。因为其分子量小，气体容易逃逸。氢气也容易逃逸，但是氢气能生成稳定化合物，即水。

另外，氦气又难以形成化学键。它唯一存在的方式就是，被岩石封在地壳内部，核裂变是其唯一的生成方式。

氦气还有非常重要的作用，即形成接近绝对零度的超低温，这个作用是任何其他物质都无法做到的。超低温在超导等领域有很重要的作用。

所以，氦气作用大，难以在地球中保存，生成来源少，是一种“用一点少一点”的材料，用来变声太浪费了。

2、氧化亚氮(N2O)：吸入它会让你发笑

氧化亚氮(N2O)，俗称“笑气”，你一定想不到，假如吸入一定量的笑气，就会让人忍不住发笑，并让人感到轻松、快乐。

其实，笑气在临床医学上用作吸入性麻醉药，比如在牙科治疗上，让患者吸入笑气，能使拔牙的疼痛感降到最低[2]。这是通过抑制中枢神经系统兴奋性神经递质的释放和神经冲动的传导及改变离子通道的通透性而产生麻醉作用。

笑是一种复杂的神经反射作用，不是单一的所谓笑神经控制的行为。

但需格外注意的是，若长期或大剂量滥用笑气，会影响维生素B12的吸收及代谢，造成恶性贫血，导致末梢神经及脊髓病变，出现手脚麻木、无力等症状，还可能造成精神异常，如嗜睡、抑郁或精神错乱等，症状严重时甚至会危及生命。

国外很多不良青少年常常会以吸笑气气球为娱乐，以寻求快感，这是万万不能的，会对身体造成严重损害。

3、一氧化氮(NO)：可以治病和缓解疲劳

作为1998年诺贝尔医学奖研究主题，一氧化氮(NO)是个像双鱼座一样，具有两条鱼游向不同方向特质的矛盾气体分子。

NO含有未配对电子的自由基,十分活跃不安定,生命周期很短,半衰期约 3-5秒,只要约十秒，NO就会氧化成亚硝酸盐 (NO2-)和硝酸盐 (NO3-)。

除了大家熟知的它是有害气体、汽车尾气的组成成分以外，其实一氧化氮气体还有很多神奇的功效！

我们都知道，炸药主要成分是硝酸甘油（1，2，3-丙三醇三硝酸酯），而硝酸甘油除了可以当炸药外，还是治疗心脏病的特效药。为何能够有这种效果？

人吃了硝酸甘油以后，在酶的作用下，硝酸甘油可以生成一氧化氮和1，2-甘油二硝酸酯，然后NO作为信号分子，它透过细胞膜并传递特定的生物信号以调整细胞的活动，并指导机体舒张血管平滑肌，阻止诱发心脏病的血栓形成，从而达到疗效。

一氧化氮传导信息的功能和作用机制根据制造它出来的地方的不同而不一样。其功能主要有三种:

(l)在神经突触上，一氧化氮当作神经传导因子,这和脑部学习及记忆有关。

(2)在血管内皮上，一氧化氮是使血管的平滑肌细胞放松而扩张血管,从而降低血压。

(3)在巨噬细胞上，一氧化氮则可损坏肿瘤细胞，进而将其杀死或停止其繁殖。

三种功能的作用机制简易图（引自参考文献3）

另外，最新研究发现，一氧化氮还能缓解视觉疲劳。很多上班族都有这样的感觉，在办公室里对着电脑坐上一天，虽然没干什么体力活儿，可是下班回家还是觉得全身疲惫，有的人甚至还会出现头痛、失眠的现象。

其实，这是用眼过度造成的。眼睛极易受到疲劳侵袭，当双眼疲劳时，眼眶周围会难受、疼痛、颈肩酸痛、全身困乏。当用眼过度时，补充一氧化氮是个缓解视疲劳的好方法。

一氧化氮一方面可以扩张血管，增加血流量，起到调节中枢神经系统以及眼球内外的动脉和视网膜毛细血管的血液循环作用，而且它可以改善因长期使用眼睛造成的眼部疲劳、视力受损等症状。另一方面，一氧化氮作为神经递质，它还参与视觉发育、视信息的整合及传递，从而保护视力[4]。

说了这么多，你有没有被这些稀少却又神奇的气体震撼到？其实，生活中肯定还存在其他常常被我们忽略，却同样发挥着重要作用的特殊气体，等着你去发现！

参考文献

[1]王先彬. 稀有气体地球化学与宇宙化学及其应用前景[J]. 地质地球化学,1988,(08):39-47.

[2]刘鹍鹏. 笑气吸入对口腔科手术患者的麻醉镇痛效果评价[J]. 西部医学,2014,26(11):1509-1511.

[3]黄顶立. 神奇的一氧化氮[J]. 知识经济,2006,(11):17-21. [2017-08-19].

[4][美]斐里德·穆拉德（Dr. Ferid Murad）《神奇的一氧化氮：诺贝尔生理医药奖得主穆拉德教你多活30年》译林出版社出版时间：2011年10月

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发表于 2017-08-29 00:00
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