氩（单原子分子、稀有气体）
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更新时间：2023-05-20
氩
单原子分子、稀有气体
氩气瓶示意图
氩（英语：Argon）为非金属元素，原子序数为18，元素符号为Ar，原子最外层电子构型为3s²3p⁶，是天然放射性同位素钾40的衰变产物，常以单质状态（氩气）存在。氩气在标准状况下为无色、无臭、无味的惰性气体，在空气中约占1.28%（质量分数），不易燃，也不能助燃，可溶于有机液体，微溶于水，溶解度是氮气的两倍多，与氧气相近，并且是空气中含量最多的稀有气体。化学性质稳定，除可与水、对苯二酚和苯酚反应生成弱键包合物外，几乎不与其它任何物质发生反应。氩气比空气重，含量过高时可能因空气置换而引起人体窒息。此外，氩也被广泛应用于医疗行业、食品行业、金属加工和焊接、半导体、照明、铝的制备和炼钢，以及岩石固化测定等领域。
基本信息
中文名
氩
别名
氩-40/氩气40/氩原子
拼音
yà
CAS编号
7440-37-1（氩气）
性质
外观
无色气体（20 ℃，101.325 kPa）
气味
无味
密度
0.0017838 g/cm³（101.3kPa，0℃）
熔点
-189.2 °C（101.325 kPa，0 ℃）
沸点
-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 ℃）
发现历史
1785年，英国化学家凯文迪西（H.Cavendish）在他的经典著作中论述关于空气的组分时指出，科学研究发现当将空气样品经过量的氧气反复火花放电后，会产生少量气体残余物，并且该气体残余物不能用化学方法去除，经过严格精确的实验测量后，他得出“这种气体残余物的体积不超过整个气体的1/120”的结论，但遗憾的是，他未进一步鉴定该气体残余物的组成成分。
1894年，当英国物理学家雷莱（L.Rayleigh）重复英国化学家H.Cavendish一百多年前做过的实验时，发现从空气中分馏得到的氮气每升重1.2572 g，而英国物理学家雷姆赛（W.Ramsay）用化学方法分解氮的化合物（如硝酸铵）得到的氮气每升重1.2505g，这两个数据在第三位小数上存在些许差别，并且经过反复实验证实这第三位小数上的差别并不是实验误差所导致的。后来，雷莱和雷姆赛经过系统的实验研究，发现空气中除了含有氮气和氧气外，还存在1%的其他气体，这种气体略重于氮气，并且几乎不与其它任何物质发生化学反应，但在放电管中却能产生特殊的辉光和有特征的波长。最后，雷姆赛通过光谱实验发现并证实该气体中存在一种新元素，并将其命名为氩，而氩名称正是来源于希腊文 argos（惰性的）。氩的发现也被称为科学史上的“第三位小数的胜利”。
分布情况
氩在自然界中以单质状态存在。在地球大气中，惰性气体约占1%，而氩气作为惰性气体的主要组成成分，空气中的体积分数约为0.934%（其中，氩-40占99.6%），质量分数约为1.28%，是大气中含量第三的元素，即空气中含量最多的稀有气体。此外，氩在地壳中的含量约为0.0004%（质量分数）。
火星大气中含有1.6%的氩-40和5ppm的氩-36。
物质结构
氩原子的电子层结构表现为最外层有8个电子的稳定结构，化合价为零，导致其化学性质稳定，难与其它物质发生反应，并且以单原子分子的形式存在，原子之间仅存在着微弱的范德华力（主要是色散力）。其固体结构为面心立方最密堆积。
同位素
氩存在多种同位素，其中Ar³⁶、Ar³⁸、Ar⁴º是氩的三种稳定的天然同位素，天然存在的氩即为这三种同位素的混合物，其它剩余同位素均为放射性同位素。
下表为氩的天然同位素的相对丰度百分比。
同位素 | 相对丰度百分比 | 半衰期 |
氩-36（Ar³⁶） | 0.3365 | 稳定 |
氩-38（Ar³⁸） | 0.0632 | 稳定 |
氩-40（Ar⁴º） | 99.6003 | 稳定 |
理化性质
物理性质
标准状况下，氩为无色、无臭、无味的气体，熔点为-189.38℃，沸点为-185.87℃，密度为0.0017838 g/cm³，不具有毒性，为非极性单原子分子。氩气不能燃烧，也不能助燃，低温下可以凝聚形成液相和固相，高温下直接离解生成正离子和电子。可溶于有机溶剂，微溶于水，20℃时，在1 kg的水中只能溶解33.6 cm³氩气，高温下不溶于液态金属。当温度非常低的液化氩气与水接触时，由于温差较大，可能导致氩气剧烈沸腾，甚至迅速蒸发。如果水温较高，则可能导致液体“过热”，从而引起爆炸。此外，当液化氩气与密闭容器中的水接触时，可能导致压力升高，引起危险。
化学性质
氩的氢醌包合物
由于氢醌晶格中存在空穴，当氩的压力为1013~4052 kPa时，氢醌[p-C₆H₄(OH)₂]可在水或乙醇中结晶形成包合物。在氢醌分子的结晶过程中，氩可被捕集到氢醌的晶格空隙中形成氩的氢醌包合物，当晶体溶于水或受热时可逸出。由于在氢醌晶体中，每三个氢醌分子可通过氢键结合形成一个类似球体的空穴，并且该空穴的大小与氩气原子的大小十分接近，使得氩一旦被捕集到氢醌晶格的空穴中就很难逃脱出来，因此，该晶体在室温可下稳定存在一年。
氩的水合物
氩的水合物也是一种包合物，当水在氩气气氛下结冰时可生成氩的水合物，其组成近似表现为Ar·6H₂O。
氟氩化氢
制备方法
液态空气分级蒸馏法
空气是制备氩气的重要原料，因此，纯净的氩气可通过分馏液态空气得到。液态空气分级蒸馏法利用各稀有气体间沸点的不同进行分离。即，将液态空气进行蒸馏，沸点低的氮（-195.8℃）、氦（-268.9℃）和氖（-246.1℃）先逸出形成混合气体，然后，将含有氩、氪、氙的液氧再进行蒸馏，由于氩的沸点（-185.9℃）低于氧（-183℃），氩先逸出，得到粗制的氩（含有其他稀有气休和氧等），再将得到的粗制氩依次通过氢氧化钠和灼热的铜丝以除去其中所含的二氧化碳和氧气，最后通过灼热的镁屑使气体中的氮转变为氮化镁而除去，此时，剩下的气体便是以氩气为主的稀有气体混合物。
混合气体分离法
从混合稀有气体中分离出各气体常用的方法有低温分馏和低温选择性吸附两种。例如，由于各稀有气体的分子间作用力不同，从而导致其气体吸附能力和沸点均不同。即，在低温下，原子序数越大的稀有气休越容易液化，也越容易被活性炭所吸附。因此，可通过控制不同的温度，使活性炭对各种稀有气体进行吸附和解吸，从而得到纯度更高的氩气。
从活性炭吸附或解吸分离稀有气体
合成氨尾气分离法
合成氨尾气中氩的含量相当高，是提取氩的重要原料。将合成氨的尾气进行冷冻分离，并用各种物理和化学方法处理可以制得纯净的氩气。其中，高度纯化的氩气可通过在850°C下使气体通过钛床获得；也可通过合成沸石分子筛将氧气与氩气分离得到。
提纯方法
瓶装氩气中的主要杂质为氧气、氮气、二氧化碳、氢气、烃类和水分等。提纯时，首先将气体分别通过灼热的氧化铜和充填了氢氧化钠的塔以除去氢气和烃类物质，以及其中的二氧化碳和大部分水分，接着用五氧化二磷将剩余气体干燥后，使气体通过加热的活性铜层以除去所含的氧气。最后，再通过化学或物理方法除去气体中剩余的微量氮气，即可得到高纯度氩气。其中，化学方法通过利用高温下金属镁、钙、钛、铝和钡等均可以与氮反应生成氮化物的性质除去气体中剩余的微量氮气，即，在高温下使气体通过装有这些金属屑的反应管生成氮化物，从而吸收掉气体中的氮。但所使用的金属不同，反应管内的反应温度也应当不同。除去氩气中微量氮的物理方法是用硅胶或沸石分子筛进行吸附，经这样处理后的氩气纯度可达99.999%。
应用领域
医疗行业
氩等离子体凝固器是一种用于组织非接触式热凝固的装置。该设备首先用于开放和腹腔镜外科手术，并于1991年适用于内窥镜检查。此后，氩等凝在各种胃肠道疾病的治疗中扩大了其临床应用。
氩气可用于治疗打鼾严重的患者和鼻炎患者。治疗时青白色的氩气等离子，即离子化后的氩气气体可使炎症或出血的组织迅速凝结，从而起到良好的治疗效果。
食品行业
氩气可用于制备紫外线消毒柜，即，将杀菌灯管中的玻璃管制成真空状态，然后在里面加入一定量的水银和氩气以及一些惰性气体的混合物。当两极的电流接通后会释放出热电子，氩气作为媒介使这些热电子发生放电现象，进而引起玻璃管内电子的流动，这时，流动的电子与水银气体发生碰撞后就产生了紫外线。
金属加工和焊接工业
氩可用于金属冶炼（氧、氩吹炼）和冶炼钛、锆、锗等特殊金属；作为惰性保护气体用于焊接金属，防止金属在焊接过程中被氧化，以及使用氩气作为保护气体产生的烟雾较少，便于控制焊接熔池和电弧；在金属和合金的退火及辊轧过程中创造无氧无氮环境，对其进行保护，以及用于冲洗熔化金属以消除铸件中的气孔。
半导体工业
在半导体工业中，氩气常为超纯半导体中使用的锗和硅晶体提供保护气氛和热传导。
照明行业
氩激光是可视光中最强的激光，且青色和绿色的激光是最强的照明光，因此这两种光被用于激光展以及用于舞台的灯光照明。
制铝工业
在铝的制造过程中，氩气用来替代空气或氮气产生惰性气氛；在脱气过程中，氩气被用于帮助去除不需要的可溶性气体和熔铝中溶解氢气和其他颗粒。
炼钢工业
炼钢工业中，氩气主要被应用于以下五个方面：
（1）用于置换气体或蒸气以防止工艺流程中的氧化；
（2）起搅拌作用，并以此来保持恒定的温度和同一的成分；
（3）在脱气过程中，用于去除不需要的可溶性气体；
（4）通过将氩气作为载体气体，用层析法来确定样品成分；
（5）用于不锈钢精炼中使用的氩氧脱碳工艺（AOD），以达到去除一氧化碳和减少铬的损失的目的。
岩石固化测定
常规钾氩测定法
由于氩是K-40衰变的产物，同位素Ar⁴º总是大量存在于含有钾的矿物质中，而岩石中含有大量的钾。所以，钾氩测定法就是通过测定岩石中的氩含量，根据⁴ºAr/⁴ºK的比值来确定岩石固化的年代。
氩39-氩40测年法
该方法通过中子照射将样品中的⁴ºK变为³⁹Ar，再根据测定得到的⁴ºAr/³⁹Ar的比值来计算岩石或矿物的年龄。该方法相比于常规的钾氩测定法具有灵敏度和精度高的特点，并且可以用分段加热技术研究样品的热历史，是研究过剩氩的重要手段。
安全事宜
健康危害
氩气比空气重，可能积聚在较低空间内并沿着地面扩散，短期内吸入高浓度氩气，可能导致人体缺氧，引起嗜睡、头晕或头痛，严重时甚至导致窒息。此外，与液化氩气接触可能会导致人体冻伤。
预防措施
身体防护：穿长袖特殊工作服，并将裤子遮挡在靴子或高帮鞋外，以排出溢出的液体；
手部防护：佩戴化学防护手套；
眼部防护：佩戴护目镜或面罩。
吸入防护：佩戴自给式呼吸器，保持处于逆风位置，避免吸入蒸气、雾气或气体。
急救措施
吸入治疗：将受伤者转移到新鲜空气中，根据受伤者的呼吸状况，进行人工呼吸或佩戴吸氧装置，并立即就医；
皮肤治疗：冻伤时，用大量清水冲洗冻伤处，干燥后，使用无菌的敷料敷在皮肤冻伤处。应注意冻结在皮肤上的衣服在脱下前应先解冻，如果与液化氩气接触，应用温水解冻，始终让受害者保持冷静和温度，并立即就医。
火灾风险
清理方法
在溢出或泄漏区域的各个方向至少100米（330英尺）处进行隔离，并让未经允许的人员撤离出去，进入前给封闭的空间通风，然后用吸收性材料（如布、羊毛）擦拭被污染区域，若被污染区域处于密闭空间较低处，则清理人员需佩戴自给式呼吸器。
储存运输
氩气可在低于-184℃的温度下以液态形式储存和运送，但焊接和实验室用氩气大多装人灰色并标注有绿色“氩”字的高压钢瓶中进行储存，并将钢瓶直立放置在干燥通风的地方，以供后续使用，目前我国常用氩气瓶的容积为33L、40L和44L，最高工作压力为15MPa。
氩气瓶在储存和使用过程中严禁敲击和碰撞，瓶阀冻结时，不得用火烘烤，并且不得用电磁起重搬运机搬运氩气瓶。夏季时，应将氩气瓶放置于阴凉处，避免日光暴晒，导致氩气瓶发生爆炸，引起危险。此外，应注意瓶内气体不能完全用尽，返厂氩气瓶内余气压力应不小于0.2MPa。
