氬是一種化學(xué)元素,其化學(xué)符號為Ar,原子序數(shù)為18,原子量為39.948 u,位在周期表的第18族,是一種稀有氣體。氬占大氣體積的0.934%(9340 ppmv),是地球大氣層第三多的氣體,是水蒸氣的兩倍以上(平均4000 ppmv左右,但變化很大)、二氧化碳(400 ppmv)的23倍之多、氖(18ppmv)的500倍以上。氬是地殼含量中最豐富的惰性元素,在地殼中占了0.00015%。
已知的氬的同位素共有14種,包括氬33至氬46。地球大氣中大部分的氬元素是氬-40(由地殼中的鉀-40衰變而來)。氬-36是宇宙中最為常見的氬同位素,因為它是最容易由超新星核聚變產(chǎn)生的產(chǎn)物。
"argon"這個名稱源自于希臘語中的 ?ργ?ν,意思是“懶惰的”、“不活躍的”,如此命名是因為這個元素幾乎不進行化學(xué)反應(yīng)。氬在原子外部殼層完整的八隅體(8個電子)讓它變得更加穩(wěn)定,也不容易與其它元素產(chǎn)生鍵結(jié)。它的三相點以國際實用溫標(biāo)定義為83.8058K。
氬元素在工業(yè)制程上是借由液態(tài)空氣分餾而得。氬常常作為遮氣體,應(yīng)用在焊接或是其他可以增加物質(zhì)反應(yīng)能力的高溫工業(yè)制程。例如,在石墨電爐中加入氬氣以防止石墨燃燒。氬氣也用于白熾燈、螢光燈、其他氣體放電管和螢光輝光啟動器。氬在被激發(fā)后可放出青色的氣體激光。
氬,是一種稀有氣體。無論是氣態(tài)還是液態(tài),都是無色、無味而且無毒。它在水中的溶解度比氮多出了2.5倍。雖然氬在一般的情況下都很穩(wěn)定,不會與其它化合物或元素化合,但是科學(xué)家還是有辦法在極端的條件下形成一些氬化合物,像是2000年8月由芬蘭化學(xué)家馬庫·拉薩能(Markku R?s?nen)領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)的氟氬化氫(HArF)。這個氟、氫和氬的化合物在?265°C才能保持穩(wěn)定。此外,氬還可以作為客體分子,與水形成包合物。除了以上基態(tài)的物質(zhì)外,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含氬的離子和激發(fā)態(tài)配合物(像ArH+和ArF),而根據(jù)理論計算顯示氬應(yīng)該可以形成在室溫下穩(wěn)定的化合物,雖然目前還沒有發(fā)現(xiàn)它們存在的線索。
氬氣常被注入燈泡內(nèi),因為氬即使在高溫下也不會與燈絲發(fā)生化學(xué)作用,從而延長燈絲的壽命。在不銹鋼、錳、鋁、鈦和其它特種金屬電弧焊接時、鋼鐵生產(chǎn)時,氬也用作保護氣體。
氬在地球大氣中的含量以體積計算為0.934%,而以質(zhì)量計算為1.29%,在地殼中,由于氬在自然情況下不與其他化合物反應(yīng),而無法形成固態(tài)物質(zhì),但可以被“困在”放射性巖石中。鑒于空氣中的氬更易得,工業(yè)用的氬大多就直接從空氣中提取。主要是用分餾法提取,而像是氮、氧、氖、氪、氙等氣體也都是這樣從空氣中提取的。而在火星的大氣中,氬-40以體積計算的話占有1.6%,而氬-36的濃度為5ppm;另外1973年水手號計劃的太空探測器飛過水星時,發(fā)現(xiàn)它稀薄的大氣中占有70%氬氣,科學(xué)家相信這些氬氣是從水星巖石本身的放射性同位素衰變而成的??ㄎ髂?惠更斯號在土星最大的衛(wèi)星,也就是泰坦上,也發(fā)現(xiàn)少量的氬。
由于氬氣擁有的八個價電子,占滿了其原子軌道的最外層,因此不容易與其他的原子結(jié)合,化學(xué)性質(zhì)非常不活潑。在1962年以前,一般認(rèn)為氬和其他的稀有氣體是完全無法與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),但不久之后比氬重的氙和氪的化合物就陸續(xù)被合成,因此也激勵了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的稀有氣體化合物。1982年在星際空間探測到氬氫離子,是氬的一種多原子離子。在2000年8月,第一個氬的化合物在芬蘭的赫爾辛基大學(xué)由馬庫·拉薩能領(lǐng)導(dǎo)的小組首先被制備出來,他們利用紫外線照射含有微量氟化氫的氬氣冰塊,形成了氟氬化氫,分子式為HArF,這種化合物可以在40K(?233℃)的低溫下保持穩(wěn)定。另外在2003年發(fā)現(xiàn)了一種新氬化合物存在的蹤跡,二氟化氬(ArF2),但目前還沒有任何可靠的證據(jù)可以證實。
目前在工業(yè)上得到氬的方法就是把空氣蒸餾。用冷凝器可以先把沸點90.2K的氧液化,移除液氧之后繼續(xù)冷卻就可以液化沸點為87.3K的氬氣,最后留下沸點77.35K的氮氣。目前以這種方法制造的氬氣在全世界高達七十萬噸/年。
因為氬氣具有惰性、低傳熱率等性質(zhì),因此它被廣泛地運用在許多方面。
氬氣最主要的用處就是它的惰性,可以保護一些容易與周遭物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的東西。雖然其他的稀有氣體也有這些特性,但是氬氣在空氣中的含量最多,也是最容易取得,因此相對就比較便宜,具有經(jīng)濟效益。
以氬惰性的用途主要有:
電燈泡里的填充氣體,由于氬氣不會與燈芯產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),而又能保持氣壓減緩鎢絲升華,可延長燈絲使用壽命。
氬可當(dāng)作焊接時所用的保護氣體,其中包括MIG焊接、GTA焊接與GMA焊接等,在這時氬通常會和二氧化碳混合在一起使用。
可用于滅火,用氬氣滅火的好處是幾乎不會破壞任何火場的物品,通常使在火場有特殊儀器時才使用。
是用于感應(yīng)耦合等離子體的氣體之一。
用于保護加工中的鈦和其他容易發(fā)生反應(yīng)的金屬:例如銣和銫。
保護成長中的硅晶體和鍺晶體,這晶體主要用于半導(dǎo)體學(xué)。
在博物館里,會在一些重要文物的玻璃專柜里填充氬氣,避免氧化。
在啤酒罐中的填充物,雖然也可以用氮氣代替。
在釀酒的過程中,啤酒桶里的填充物,它可以把氧氣置換,以避免啤酒桶里的原料被氧化成乙酸。
在藥學(xué)里,氬可以用于保護一些靜脈內(nèi)的治療的藥物,舉個例子,像是對乙酰氨基酚。一樣的,這也是防止藥物受到氧氣的破壞。
用于冷卻AIM-9響尾蛇導(dǎo)彈的追蹤器,氬當(dāng)時都是以高壓儲存,然后當(dāng)釋放氣體后就可以帶走一些熱量。
為石墨電熔爐中的保護氣體,以免它被氧化。
廣告用的霓虹燈里,有時也會加入氬氣,加了氬氣的霓虹燈管,白天看起來是無色透明的,一旦通電后,氬氣受到電的刺激,會放出青色的光芒。
氬氣的低傳熱率也是它的特性之一,像它可以作為隔熱窗戶中兩層玻璃之間的填充物。
因為氬的低傳熱率和惰性,氬氣在水肺潛水可以用來作為膨脹潛水衣的氣體。氬氣還可以在水肺中代替氮氣(吸收純氧對身體不好,因此水肺中要添加其他氣體),因為氮氣在高壓下會溶進血液里而造成氮麻醉,氬氣則可以減輕這種癥狀(雖然一般來說,稀有氣體也會造成這種癥狀)。
使用特定的方法可以使氬氣離子化并且發(fā)光,這種功能可用于等離子體燈和粒子物理學(xué)中的能量器。以氬作成的氬激光會發(fā)出藍光,它在醫(yī)學(xué)外科中可用于連接動脈、去除腫瘤和治療眼睛的缺陷等。氬氣還可以用于濺鍍。另外氬-39有269年的半衰期,可以用于測定地下水和冰層的年齡,而鉀-氬年代測定法適用鉀-40衰變成氬-40的過程來用于測定火成巖的年齡。