氬氣科普知識

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　　氬，元素周期表第18號元素。氬氣，是單原子分子，無(wú)色、無(wú)味，是空氣中含量最多的惰性氣體。

　　1785年，亨利·卡文迪什就發(fā)現了空氣中含有惰性氣體的跡象——大約有1%的空氣成分是不參與化學(xué)反應的。由于當時(shí)的技術(shù)條件限制，他無(wú)法將這部分氣體分離出來(lái)，也無(wú)法鑒定它的化學(xué)性質(zhì)，更無(wú)法知道它是不是一種新元素。直到1892年，瑞利和蘇格蘭化學(xué)家威廉·拉姆齊發(fā)現，通過(guò)化學(xué)方法從空氣樣本中去除了氧氣、二氧化碳、水蒸氣等以后得到的氮氣，與通過(guò)氨氣分解制備出的氮氣有些不一樣，它們存在密度上的差異。兩年后，他們意識到，密度上的偏差，有可能就是卡文迪什所提到的惰性氣體引起的，隨后通過(guò)光譜分析，真正發(fā)現在這些氣體中存在已知元素無(wú)法解釋的譜線(xiàn)，從而發(fā)現了第一種惰性氣體——氬。為了肯定他們在惰性氣體方面的研究，瑞利和拉姆齊分別被授予了1904年的諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎。

　　氬，化學(xué)性質(zhì)極不活潑，不能燃燒也不能助燃，根本不與其他物質(zhì)發(fā)生反應。即便如此，“惰性”也是它的優(yōu)勢，作為保護氣，保護一些容易與周?chē)�物質(zhì)發(fā)生反應的東西。例如，充入燈泡中，燈絲在高溫下不與氬氣發(fā)生化學(xué)反應，而且不易導熱，可以延長(cháng)燈絲的壽命；在高溫冶煉純金屬時(shí)，氬氣很穩定，可以防止金屬氧化、氮化、氫化等作用；在用電弧焊接不銹鋼、鎂鋁等金屬時(shí)，也可以利用氬氣的惰性來(lái)保護不銹鋼、鎂鋁等金屬不被其他氣體氧化；氬氣不燃燒也不助燃的特性，還可以做特殊儀器的滅火劑，更好地保護儀器不被水、氧氣或二氧化碳侵蝕。

　　氬氣的化學(xué)性質(zhì)很穩定，科研人員還是發(fā)現了少量含氬化合物，其發(fā)現過(guò)程也與以往有所不同。1995年，人們發(fā)現了惰性氣體氫化物。通過(guò)初步的量子化學(xué)計算，科研人員預測出在低溫條件下氬原子的化合物有存在的可能性。在隨后的幾年里，更多大規模計算研究提示出這種化合物的存在，終于在1999年12月21日第一次檢測到了這種新物質(zhì)，它就是在極端條件下制成的第一個(gè)含氬化合物氟氬化氫——需要在-265℃的溫度下才能保持穩定。根據理論計算，人們還預測出了室溫下能穩定存在的含氬化合物，但目前還沒(méi)有實(shí)驗能證實(shí)它們的`存在，需要通過(guò)后續的實(shí)驗來(lái)驗證。但我們可以看到，隨著(zhù)優(yōu)秀計算工具不斷被研發(fā)出來(lái)，再輔以一定的實(shí)驗工作，未來(lái)人們可以更好地探索出惰性氣體與其他元素之間新型鍵合方式，從而設計和合成出更多類(lèi)似的含氬化合物。

　　除了作為保護氣，人們也發(fā)現了氬元素的其他用途。例如，利用氬同位素氬-39、氬-40的半衰期，設計的鉀-氬、氬-氬定年法，可以用于測定地下水、冰層或者火成巖的年齡。這種特定方法使氬氣離子化，可使其發(fā)出藍光，可用于等離子燈和粒子物理學(xué)中的能量器，在醫學(xué)外科中也可以用于連接動(dòng)脈、醫治腫瘤和眼疾等。

　　氬元素雖然很“懶”，但一樣有其大展身手的領(lǐng)域。

　　理化性質(zhì)

　　熔點(diǎn)：-189.2℃

　　沸點(diǎn)：-185.9℃

　　密度：1.784kg/m3[4]；1394kg/m（飽和液氬，1atm）[9]

　　外觀(guān)：無(wú)色無(wú)臭氣體

　　溶解性：微溶于水

　　主要應用

　　氬氣是工業(yè)上應用很廣的稀有氣體。它的性質(zhì)十分不活潑，既不能燃燒，也不助燃。在飛機制造、造船、原子能工業(yè)和機械工業(yè)部門(mén)，對特殊金屬，例如鋁、鎂、銅及其合金和不銹鋼在焊接時(shí)，往往用氬作為焊接保護氣，防止焊接件被空氣氧化或氮化。

　　①鋁業(yè)。用來(lái)替代空氣或氮氣，在鋁的制造過(guò)程中產(chǎn)生惰性氣氛；在脫氣過(guò)程中幫助去除不需要的可溶氣體；以及去除熔鋁中溶解氫氣和其他顆粒。

　　②煉鋼。用于置換氣體或蒸氣并防止工藝流程中的氧化；用于攪拌鋼水來(lái)保持恒定的溫度和同一的成分；在脫氣過(guò)程中幫助去除不需要的可溶氣體；作為載體氣體，氬可以用層析法來(lái)確定樣品的成分；氬還能用于不銹鋼精煉中使用的氬氧脫碳工藝（AOD），目的是去除一氧化碳和減少鉻的損失。

　　③金屬加工。氬在焊接中用作惰性保護氣；在金屬和合金的退火及輥軋中提供無(wú)氧無(wú)氮保護；以及用于沖洗熔化金屬以消除鑄件中的氣孔。

　　④焊接保護氣。氬氣在焊接過(guò)程中作為保護氣體，可以避免合金元素的燒損以及由此而產(chǎn)生的其他焊接缺陷，從而使焊接過(guò)程中的冶金反應變得簡(jiǎn)單而易于控制，以確保焊接的高質(zhì)量。[4]通過(guò)對HT250灰鑄鐵進(jìn)行激光重熔試驗,研究了不同氣氛保護條件下試樣重熔區氣孔的產(chǎn)生機理。研究結果表明,在氬氣保護條件下,重熔區中的氣孔為析出性氣孔;在開(kāi)放條件下,重熔區的氣孔為析出性氣孔和反應性氣孔。

　　⑤其他用途。電子、照明、氬氣刀等。

　　制備方法

　　在干空氣中氬的含量約為0.934%，合成氨尾氣中含氬3%~8%，工業(yè)上一般從空氣和合成氨尾氣中提取氬。

　　空氣分離提取氬

　　深冷空分的主要產(chǎn)品為純氧和純氮，其副產(chǎn)品為生產(chǎn)氬氣的主要來(lái)源。氬餾分（含8%~12%Ar）是由空分裝置的蒸餾塔上提取，其中含有氧和氮等組分，制氬流程有常規制氬和全精餾制氬兩種，而純氬的制取主要是脫除氬餾分中的氧、氮和氫等雜質(zhì)。

　　合成氨尾氣提取氬

　　合成氨尾氣由其弛放氣和氨罐排放氣組成，其組成為：60%~70%H2、20%~25%N2、3%~8%Ar、8%~12%CH4及約3%NH3。合成氨尾氣提氬有低溫精餾法和冷凝蒸發(fā)法，典型流程有三塔提氬流程和兩塔提氬流程及帶熱泵循環(huán)提氬裝置三種，其生產(chǎn)工藝包括原料氣凈化、脫氫、脫甲烷和脫氮四步工序。

　　危險危害

　　侵入途徑：吸入。

　　常壓下無(wú)毒。高濃度時(shí)，使氧分壓降低而發(fā)生窒息。氬濃度達50%以上，引起嚴重癥狀；75%以上時(shí)，可在數分鐘內死亡。當空氣中氬濃度增高時(shí)，先出現呼吸加速，注意力不集中，共濟失調；繼之，疲倦無(wú)力、煩躁不安、惡心、嘔吐、昏迷、抽搐、甚至死亡。

　　危險性類(lèi)別：第2.2類(lèi)，不燃氣體。

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