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科普知识——氩气

时间:2022-08-05 点击:0 次 来源:洛阳伊川宏源气体厂家

氩是一种化学元素,其化学符号为Ar,原子序数为18,原子量为39.948 u,位在周期表的第18族,是一种稀有气体。氩占大气体积的0.934%(9340 ppmv),是地球大气层第三多的气体,是水蒸气的两倍以上(平均4000 ppmv左右,但变化很大)、二氧化碳(400 ppmv)的23倍之多、氖(18ppmv)的500倍以上。氩是地壳含量中最丰富的惰性元素,在地壳中占了0.00015%。

已知的氩的同位素共有14种,包括氩33至氩46。地球大气中大部分的氩元素是氩-40(由地壳中的钾-40衰变而来)。氩-36是宇宙中最为常见的氩同位素,因为它是最容易由超新星核聚变产生的产物。

"argon"这个名称源自于希腊语中的 ἀργόν,意思是“懒惰的”、“不活跃的”,如此命名是因为这个元素几乎不进行化学反应。氩在原子外部壳层完整的八隅体(8个电子)让它变得更加稳定,也不容易与其它元素产生键结。它的三相点以国际实用温标定义为83.8058K。

氩元素在工业制程上是借由液态空气分馏而得。氩常常作为遮气体,应用在焊接或是其他可以增加物质反应能力的高温工业制程。例如,在石墨电炉中加入氩气以防止石墨燃烧。氩气也用于白炽灯、萤光灯、其他气体放电管和萤光辉光启动器。氩在被激发后可放出青色的气体激光。

氩,是一种稀有气体。无论是气态还是液态,都是无色、无味而且无毒。它在水中的溶解度比氮多出了2.5倍。虽然氩在一般的情况下都很稳定,不会与其它化合物或元素化合,但是科学家还是有办法在极端的条件下形成一些氩化合物,像是2000年8月由芬兰化学家马库·拉萨能(Markku Räsänen)领导的小组发现的氟氩化氢(HArF)。这个氟、氢和氩的化合物在−265°C才能保持稳定。此外,氩还可以作为客体分子,与水形成包合物。除了以上基态的物质外,目前已经发现含氩的离子和激发态配合物(像ArH+和ArF),而根据理论计算显示氩应该可以形成在室温下稳定的化合物,虽然目前还没有发现它们存在的线索。

氩气常被注入灯泡内,因为氩即使在高温下也不会与灯丝发生化学作用,从而延长灯丝的寿命。在不锈钢、锰、铝、钛和其它特种金属电弧焊接时、钢铁生产时,氩也用作保护气体。

氩在地球大气中的含量以体积计算为0.934%,而以质量计算为1.29%,在地壳中,由于氩在自然情况下不与其他化合物反应,而无法形成固态物质,但可以被“困在”放射性岩石中。鉴于空气中的氩更易得,工业用的氩大多就直接从空气中提取。主要是用分馏法提取,而像是氮、氧、氖、氪、氙等气体也都是这样从空气中提取的。而在火星的大气中,氩-40以体积计算的话占有1.6%,而氩-36的浓度为5ppm;另外1973年水手号计划的太空探测器飞过水星时,发现它稀薄的大气中占有70%氩气,科学家相信这些氩气是从水星岩石本身的放射性同位素衰变而成的。卡西尼-惠更斯号在土星最大的卫星,也就是泰坦上,也发现少量的氩。

由于氩气拥有的八个价电子,占满了其原子轨道的最外层,因此不容易与其他的原子结合,化学性质非常不活泼。在1962年以前,一般认为氩和其他的稀有气体是完全无法与其他物质产生化学反应,但不久之后比氩重的氙和氪的化合物就陆续被合成,因此也激励了科学家发现新的稀有气体化合物。1982年在星际空间探测到氩氢离子,是氩的一种多原子离子。在2000年8月,第一个氩的化合物在芬兰的赫尔辛基大学由马库·拉萨能领导的小组首先被制备出来,他们利用紫外线照射含有微量氟化氢的氩气冰块,形成了氟氩化氢,分子式为HArF,这种化合物可以在40K(−233℃)的低温下保持稳定。另外在2003年发现了一种新氩化合物存在的踪迹,二氟化氩(ArF2),但目前还没有任何可靠的证据可以证实。

目前在工业上得到氩的方法就是把空气蒸馏。用冷凝器可以先把沸点90.2K的氧液化,移除液氧之后继续冷却就可以液化沸点为87.3K的氩气,最后留下沸点77.35K的氮气。目前以这种方法制造的氩气在全世界高达七十万吨/年。

因为氩气具有惰性、低传热率等性质,因此它被广泛地运用在许多方面。

氩气最主要的用处就是它的惰性,可以保护一些容易与周遭物质发生反应的东西。虽然其他的稀有气体也有这些特性,但是氩气在空气中的含量最多,也是最容易取得,因此相对就比较便宜,具有经济效益。

以氩惰性的用途主要有:

电灯泡里的填充气体,由于氩气不会与灯芯产生化学反应,而又能保持气压减缓钨丝升华,可延长灯丝使用寿命。

氩可当作焊接时所用的保护气体,其中包括MIG焊接、GTA焊接与GMA焊接等,在这时氩通常会和二氧化碳混合在一起使用。

可用于灭火,用氩气灭火的好处是几乎不会破坏任何火场的物品,通常使在火场有特殊仪器时才使用。

是用于感应耦合等离子体的气体之一。

用于保护加工中的钛和其他容易发生反应的金属:例如铷和铯。

保护成长中的硅晶体和锗晶体,这晶体主要用于半导体学。

在博物馆里,会在一些重要文物的玻璃专柜里填充氩气,避免氧化。

在啤酒罐中的填充物,虽然也可以用氮气代替。

在酿酒的过程中,啤酒桶里的填充物,它可以把氧气置换,以避免啤酒桶里的原料被氧化成乙酸。

在药学里,氩可以用于保护一些静脉内的治疗的药物,举个例子,像是对乙酰氨基酚。一样的,这也是防止药物受到氧气的破坏。

用于冷却AIM-9响尾蛇导弹的追踪器,氩当时都是以高压储存,然后当释放气体后就可以带走一些热量。

为石墨电熔炉中的保护气体,以免它被氧化。

广告用的霓虹灯里,有时也会加入氩气,加了氩气的霓虹灯管,白天看起来是无色透明的,一旦通电后,氩气受到电的刺激,会放出青色的光芒。

氩气的低传热率也是它的特性之一,像它可以作为隔热窗户中两层玻璃之间的填充物。

因为氩的低传热率和惰性,氩气在水肺潜水可以用来作为膨胀潜水衣的气体。氩气还可以在水肺中代替氮气(吸收纯氧对身体不好,因此水肺中要添加其他气体),因为氮气在高压下会溶进血液里而造成氮麻醉,氩气则可以减轻这种症状(虽然一般来说,稀有气体也会造成这种症状)。

使用特定的方法可以使氩气离子化并且发光,这种功能可用于等离子体灯和粒子物理学中的能量器。以氩作成的氩激光会发出蓝光,它在医学外科中可用于连接动脉、去除肿瘤和治疗眼睛的缺陷等。氩气还可以用于溅镀。另外氩-39有269年的半衰期,可以用于测定地下水和冰层的年龄,而钾-氩年代测定法适用钾-40衰变成氩-40的过程来用于测定火成岩的年龄。