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氬
單原子分子、稀有氣體
氬氣瓶示意圖
氬（英語：Argon）為非金屬元素，原子序數(shù)為18，元素符號為Ar，原子最外層電子構(gòu)型為3s23p?，是天然放射性同位素鉀40的衰變產(chǎn)物，常以單質(zhì)狀態(tài)（氬氣）存在。氬氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為無色、無臭、無味的惰性氣體，在空氣中約占1.28%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），不易燃，也不能助燃，可溶于有機(jī)液體，微溶于水，溶解度是氮?dú)?/a>的兩倍多，與氧氣相近，并且是空氣中含量最多的稀有氣體?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除可與水、對苯二酚和苯酚反應(yīng)生成弱鍵包合物外，幾乎不與其它任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。氬氣比空氣重，含量過高時(shí)可能因空氣置換而引起人體窒息。此外，氬也被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)、食品行業(yè)、金屬加工和焊接、半導(dǎo)體、照明、鋁的制備和煉鋼，以及巖石固化測定等領(lǐng)域。
基本信息
中文名
氬
別名
氬-40/氬氣40/氬原子
拼音
yà
CAS編號
7440-37-1（氬氣）
性質(zhì)
外觀
無色氣體（20 ℃，101.325 kPa）
氣味
無味
密度
0.0017838 g/cm3（101.3kPa，0℃）
熔點(diǎn)
-189.2 °C（101.325 kPa，0 ℃）
沸點(diǎn)
-185.847 °C
溶解性
33.6 cm3/kg 水 （20 ℃，101.325 kPa）
log P
0.74
黏度
21.20 μPa·s（101.325 kPa，0 ℃）
發(fā)現(xiàn)歷史
1785年，英國化學(xué)家凱文迪西（H.Cavendish）在他的經(jīng)典著作中論述關(guān)于空氣的組分時(shí)指出，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)將空氣樣品經(jīng)過量的氧氣反復(fù)火花放電后，會(huì)產(chǎn)生少量氣體殘余物，并且該氣體殘余物不能用化學(xué)方法去除，經(jīng)過嚴(yán)格精確的實(shí)驗(yàn)測量后，他得出“這種氣體殘余物的體積不超過整個(gè)氣體的1/120”的結(jié)論，但遺憾的是，他未進(jìn)一步鑒定該氣體殘余物的組成成分。
1894年，當(dāng)英國物理學(xué)家雷萊（L.Rayleigh）重復(fù)英國化學(xué)家H.Cavendish一百多年前做過的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)從空氣中分餾得到的氮?dú)饷可?.2572 g，而英國物理學(xué)家雷姆賽（W.Ramsay）用化學(xué)方法分解氮的化合物（如硝酸銨）得到的氮?dú)饷可?.2505g，這兩個(gè)數(shù)據(jù)在第三位小數(shù)上存在些許差別，并且經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這第三位小數(shù)上的差別并不是實(shí)驗(yàn)誤差所導(dǎo)致的。后來，雷萊和雷姆賽經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)空氣中除了含有氮?dú)夂脱鯕馔?，還存在1%的其他氣體，這種氣體略重于氮?dú)?，并且?guī)缀醪慌c其它任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在放電管中卻能產(chǎn)生特殊的輝光和有特征的波長。最后，雷姆賽通過光譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)該氣體中存在一種新元素，并將其命名為氬，而氬名稱正是來源于希臘文 argos（惰性的）。氬的發(fā)現(xiàn)也被稱為科學(xué)史上的“第三位小數(shù)的勝利”。
分布情況
氬在自然界中以單質(zhì)狀態(tài)存在。在地球大氣中，惰性氣體約占1%，而氬氣作為惰性氣體的主要組成成分，空氣中的體積分?jǐn)?shù)約為0.934%（其中，氬-40占99.6%），質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.28%，是大氣中含量第三的元素，即空氣中含量最多的稀有氣體。此外，氬在地殼中的含量約為0.0004%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
火星大氣中含有1.6%的氬-40和5ppm的氬-36。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
氬原子的電子層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為最外層有8個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，化合價(jià)為零，導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并且以單原子分子的形式存在，原子之間僅存在著微弱的范德華力（主要是色散力）。其固體結(jié)構(gòu)為面心立方最密堆積。
同位素
氬存在多種同位素，其中Ar3?、Ar3?、Ar?o是氬的三種穩(wěn)定的天然同位素，天然存在的氬即為這三種同位素的混合物，其它剩余同位素均為放射性同位素。
下表為氬的天然同位素的相對豐度百分比。
同位素 | 相對豐度百分比 | 半衰期 |
氬-36（Ar3?） | 0.3365 | 穩(wěn)定 |
氬-38（Ar3?） | 0.0632 | 穩(wěn)定 |
氬-40（Ar?o） | 99.6003 | 穩(wěn)定 |
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氬為無色、無臭、無味的氣體，熔點(diǎn)為-189.38℃，沸點(diǎn)為-185.87℃，密度為0.0017838 g/cm3，不具有毒性，為非極性單原子分子。氬氣不能燃燒，也不能助燃，低溫下可以凝聚形成液相和固相，高溫下直接離解生成正離子和電子。可溶于有機(jī)溶劑，微溶于水，20℃時(shí)，在1 kg的水中只能溶解33.6 cm3氬氣，高溫下不溶于液態(tài)金屬。當(dāng)溫度非常低的液化氬氣與水接觸時(shí)，由于溫差較大，可能導(dǎo)致氬氣劇烈沸騰，甚至迅速蒸發(fā)。如果水溫較高，則可能導(dǎo)致液體“過熱”，從而引起爆炸。此外，當(dāng)液化氬氣與密閉容器中的水接觸時(shí)，可能導(dǎo)致壓力升高，引起危險(xiǎn)。
化學(xué)性質(zhì)
氬的氫醌包合物
由于氫醌晶格中存在空穴，當(dāng)氬的壓力為1013~4052 kPa時(shí)，氫醌[p-C?H?(OH)?]可在水或乙醇中結(jié)晶形成包合物。在氫醌分子的結(jié)晶過程中，氬可被捕集到氫醌的晶格空隙中形成氬的氫醌包合物，當(dāng)晶體溶于水或受熱時(shí)可逸出。由于在氫醌晶體中，每三個(gè)氫醌分子可通過氫鍵結(jié)合形成一個(gè)類似球體的空穴，并且該空穴的大小與氬氣原子的大小十分接近，使得氬一旦被捕集到氫醌晶格的空穴中就很難逃脫出來，因此，該晶體在室溫可下穩(wěn)定存在一年。
氬的水合物
氬的水合物也是一種包合物，當(dāng)水在氬氣氣氛下結(jié)冰時(shí)可生成氬的水合物，其組成近似表現(xiàn)為Ar·6H?O。
氟氬化氫
氟氬化氫是人工合成的氬的第一個(gè)化合物，通過使氬與氟化氫在特定條件下發(fā)生反應(yīng)制備得到，它只能在寒冷的物體表面并在低溫狀態(tài)下以膠狀存在，一旦遇熱會(huì)分解成氬和氟化氫。
制備方法
液態(tài)空氣分級蒸餾法
空氣是制備氬氣的重要原料，因此，純凈的氬氣可通過分餾液態(tài)空氣得到。液態(tài)空氣分級蒸餾法利用各稀有氣體間沸點(diǎn)的不同進(jìn)行分離。即，將液態(tài)空氣進(jìn)行蒸餾，沸點(diǎn)低的氮（-195.8℃）、氦（-268.9℃）和氖（-246.1℃）先逸出形成混合氣體，然后，將含有氬、氪、氙的液氧再進(jìn)行蒸餾，由于氬的沸點(diǎn)（-185.9℃）低于氧（-183℃），氬先逸出，得到粗制的氬（含有其他稀有氣休和氧等），再將得到的粗制氬依次通過氫氧化鈉和灼熱的銅絲以除去其中所含的二氧化碳和氧氣，最后通過灼熱的鎂屑使氣體中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>氮化鎂而除去，此時(shí)，剩下的氣體便是以氬氣為主的稀有氣體混合物。
混合氣體分離法
從混合稀有氣體中分離出各氣體常用的方法有低溫分餾和低溫選擇性吸附兩種。例如，由于各稀有氣體的分子間作用力不同，從而導(dǎo)致其氣體吸附能力和沸點(diǎn)均不同。即，在低溫下，原子序數(shù)越大的稀有氣休越容易液化，也越容易被活性炭所吸附。因此，可通過控制不同的溫度，使活性炭對各種稀有氣體進(jìn)行吸附和解吸，從而得到純度更高的氬氣。
從活性炭吸附或解吸分離稀有氣體
合成氨尾氣分離法
合成氨尾氣中氬的含量相當(dāng)高，是提取氬的重要原料。將合成氨的尾氣進(jìn)行冷凍分離，并用各種物理和化學(xué)方法處理可以制得純凈的氬氣。其中，高度純化的氬氣可通過在850°C下使氣體通過鈦床獲得；也可通過合成沸石分子篩將氧氣與氬氣分離得到。
提純方法
瓶裝氬氣中的主要雜質(zhì)為氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、氫氣?/span>烴類和水分等。提純時(shí)，首先將氣體分別通過灼熱的氧化銅和充填了氫氧化鈉的塔以除去氫氣和烴類物質(zhì)，以及其中的二氧化碳和大部分水分，接著用五氧化二磷將剩余氣體干燥后，使氣體通過加熱的活性銅層以除去所含的氧氣。最后，再通過化學(xué)或物理方法除去氣體中剩余的微量氮?dú)?，即可得到高純度氬氣。其中，化學(xué)方法通過利用高溫下金屬鎂、鈣、鈦、鋁和鋇等均可以與氮反應(yīng)生成氮化物的性質(zhì)除去氣體中剩余的微量氮?dú)?，即，在高溫下使氣體通過裝有這些金屬屑的反應(yīng)管生成氮化物，從而吸收掉氣體中的氮。但所使用的金屬不同，反應(yīng)管內(nèi)的反應(yīng)溫度也應(yīng)當(dāng)不同。除去氬氣中微量氮的物理方法是用硅膠或沸石分子篩進(jìn)行吸附，經(jīng)這樣處理后的氬氣純度可達(dá)99.999%。
應(yīng)用領(lǐng)域
醫(yī)療行業(yè)
氬等離子體凝固器是一種用于組織非接觸式熱凝固的裝置。該設(shè)備首先用于開放和腹腔鏡外科手術(shù)，并于1991年適用于內(nèi)窺鏡檢查。此后，氬等凝在各種胃腸道疾病的治療中擴(kuò)大了其臨床應(yīng)用。
氬激光可作為醫(yī)用射線并以等離子的狀態(tài)應(yīng)用于手術(shù)中，并且，因氬激光對血管中的血紅蛋白有很強(qiáng)的吸收功能，也將其用于血管瘤和毛細(xì)血管擴(kuò)張的治療。
氬氣可用于治療打鼾嚴(yán)重的患者和鼻炎患者。治療時(shí)青白色的氬氣等離子，即離子化后的氬氣氣體可使炎癥或出血的組織迅速凝結(jié)，從而起到良好的治療效果。
食品行業(yè)
氬氣可用于制備紫外線消毒柜，即，將殺菌燈管中的玻璃管制成真空狀態(tài)，然后在里面加入一定量的水銀和氬氣以及一些惰性氣體的混合物。當(dāng)兩極的電流接通后會(huì)釋放出熱電子，氬氣作為媒介使這些熱電子發(fā)生放電現(xiàn)象，進(jìn)而引起玻璃管內(nèi)電子的流動(dòng)，這時(shí)，流動(dòng)的電子與水銀氣體發(fā)生碰撞后就產(chǎn)生了紫外線。
金屬加工和焊接工業(yè)
氬可用于金屬冶煉（氧、氬吹煉）和冶煉鈦、鋯、鍺等特殊金屬；作為惰性保護(hù)氣體用于焊接金屬，防止金屬在焊接過程中被氧化，以及使用氬氣作為保護(hù)氣體產(chǎn)生的煙霧較少，便于控制焊接熔池和電弧；在金屬和合金的退火及輥軋過程中創(chuàng)造無氧無氮環(huán)境，對其進(jìn)行保護(hù)，以及用于沖洗熔化金屬以消除鑄件中的氣孔。
半導(dǎo)體工業(yè)
在半導(dǎo)體工業(yè)中，氬氣常為超純半導(dǎo)體中使用的鍺和硅晶體提供保護(hù)氣氛和熱傳導(dǎo)。
照明行業(yè)
由于氬不易導(dǎo)熱，氬以及氬和氮的混合氣體常用來填充燈泡，以避免鎢絲在高溫時(shí)被氧化；氬也可與氪氣混合充入日光燈管。此外，在放電管中裝入少量氬，再通以高壓電可以產(chǎn)生紫色輝光。氬也常應(yīng)于霓虹燈方面。
氬激光是可視光中最強(qiáng)的激光，且青色和綠色的激光是最強(qiáng)的照明光，因此這兩種光被用于激光展以及用于舞臺(tái)的燈光照明。
制鋁工業(yè)
在鋁的制造過程中，氬氣用來替代空氣或氮?dú)猱a(chǎn)生惰性氣氛；在脫氣過程中，氬氣被用于幫助去除不需要的可溶性氣體和熔鋁中溶解氫氣和其他顆粒。
煉鋼工業(yè)
煉鋼工業(yè)中，氬氣主要被應(yīng)用于以下五個(gè)方面：
（1）用于置換氣體或蒸氣以防止工藝流程中的氧化；
（2）起攪拌作用，并以此來保持恒定的溫度和同一的成分；
（3）在脫氣過程中，用于去除不需要的可溶性氣體；
（4）通過將氬氣作為載體氣體，用層析法來確定樣品成分；
（5）用于不銹鋼精煉中使用的氬氧脫碳工藝（AOD），以達(dá)到去除一氧化碳和減少鉻的損失的目的。
巖石固化測定
常規(guī)鉀氬測定法
由于氬是K-40衰變的產(chǎn)物，同位素Ar?o總是大量存在于含有鉀的礦物質(zhì)中，而巖石中含有大量的鉀。所以，鉀氬測定法就是通過測定巖石中的氬含量，根據(jù)?oAr/?oK的比值來確定巖石固化的年代。
氬39-氬40測年法
該方法通過中子照射將樣品中的?oK變?yōu)??Ar，再根據(jù)測定得到的?oAr/3?Ar的比值來計(jì)算巖石或礦物的年齡。該方法相比于常規(guī)的鉀氬測定法具有靈敏度和精度高的特點(diǎn)，并且可以用分段加熱技術(shù)研究樣品的熱歷史，是研究過剩氬的重要手段。
安全事宜
健康危害
氬氣比空氣重，可能積聚在較低空間內(nèi)并沿著地面擴(kuò)散，短期內(nèi)吸入高濃度氬氣，可能導(dǎo)致人體缺氧，引起嗜睡、頭暈或頭痛，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致窒息。此外，與液化氬氣接觸可能會(huì)導(dǎo)致人體凍傷。
預(yù)防措施
身體防護(hù)：穿長袖特殊工作服，并將褲子遮擋在靴子或高幫鞋外，以排出溢出的液體；
手部防護(hù)：佩戴化學(xué)防護(hù)手套；
眼部防護(hù)：佩戴護(hù)目鏡或面罩。
吸入防護(hù)：佩戴自給式呼吸器，保持處于逆風(fēng)位置，避免吸入蒸氣、霧氣或氣體。
急救措施
吸入治療：將受傷者轉(zhuǎn)移到新鮮空氣中，根據(jù)受傷者的呼吸狀況，進(jìn)行人工呼吸或佩戴吸氧裝置，并立即就醫(yī)；
皮膚治療：凍傷時(shí)，用大量清水沖洗凍傷處，干燥后，使用無菌的敷料敷在皮膚凍傷處。應(yīng)注意凍結(jié)在皮膚上的衣服在脫下前應(yīng)先解凍，如果與液化氬氣接觸，應(yīng)用溫水解凍，始終讓受害者保持冷靜和溫度，并立即就醫(yī)。
火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)
清理方法
在溢出或泄漏區(qū)域的各個(gè)方向至少100米（330英尺）處進(jìn)行隔離，并讓未經(jīng)允許的人員撤離出去，進(jìn)入前給封閉的空間通風(fēng)，然后用吸收性材料（如布、羊毛）擦拭被污染區(qū)域，若被污染區(qū)域處于密閉空間較低處，則清理人員需佩戴自給式呼吸器。
儲(chǔ)存運(yùn)輸
氬氣可在低于-184℃的溫度下以液態(tài)形式儲(chǔ)存和運(yùn)送，但焊接和實(shí)驗(yàn)室用氬氣大多裝人灰色并標(biāo)注有綠色“氬”字的高壓鋼瓶中進(jìn)行儲(chǔ)存，并將鋼瓶直立放置在干燥通風(fēng)的地方，以供后續(xù)使用，目前我國常用氬氣瓶的容積為33L、40L和44L，最高工作壓力為15MPa。
氬氣瓶在儲(chǔ)存和使用過程中嚴(yán)禁敲擊和碰撞，瓶閥凍結(jié)時(shí)，不得用火烘烤，并且不得用電磁起重搬運(yùn)機(jī)搬運(yùn)氬氣瓶。夏季時(shí)，應(yīng)將氬氣瓶放置于陰涼處，避免日光暴曬，導(dǎo)致氬氣瓶發(fā)生爆炸，引起危險(xiǎn)。此外，應(yīng)注意瓶內(nèi)氣體不能完全用盡，返廠氬氣瓶內(nèi)余氣壓力應(yīng)不小于0.2MPa。
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作者
