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氬   18Ar
氫(非金屬) 氦(貴氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(貴氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(貴氣體)
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外觀
無色氣體,放置在高電壓電場中呈現出淡紫色/紫色光芒。


氬的原子光譜
概況
名稱·符號·序數氬(argon)·Ar·18
元素類別貴氣體
·週期·18 ·3·p
標準原子質量39.948(1)
電子排佈[] 3s2 3p6
2, 8, 8
歷史
發現約翰·斯特拉特,第三代瑞立男爵 以及 威廉·拉姆齊(1894年)
分離約翰·斯特拉特以及威廉·拉姆齊(1894年)
物理性質
物態氣態
密度(0 °C, 101.325 kPa
1.784 g/L
沸點時液體密度1.40 g·cm−3
熔點83.80 K,−189.35 °C,−308.83 °F
沸點87.30 K,−185.85 °C,−302.53 °F
三相點83.8058 K(−189 °C),69 kPa
臨界點150.87 K,4.898 MPa
熔化熱1.18 kJ·mol−1
汽化熱6.43 kJ·mol−1
比熱容5R/2 = 20.786 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K   47 53 61 71 87
原子性質
氧化態0
電負性no data(鮑林標度)
電離能第一:1520.6 kJ·mol−1

第二:2665.8 kJ·mol−1
第三:3931 kJ·mol−1

更多
共價半徑106±10 pm
范德華半徑188 pm
雜項
晶體結構面心立方
磁序抗磁性[1]
熱導率17.72x10-3  W·m−1·K−1
聲速(gas, 27 °C) 323 m·s−1
CAS號7440-37-1
最穩定同位素
主條目:氬的同位素
同位素 豐度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
36Ar 0.337% 穩定,帶18個中子
37Ar 人造 35 ε 0.813 37Cl
38Ar 0.063% 穩定,帶20個中子
39Ar 微量 269 β 0.565 39K
40Ar 99.600% 穩定,帶22個中子
41Ar 人造 109.34 β 2.49 41K
42Ar 人造 32.9 β 0.600 42K

(Argon)元素的化學符號Ar原子序是18,位在週期表的第18族,是一種貴氣體[2]。氬佔大氣體積的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、(18 ppmv)的500倍以上。氬是地殼含量中最豐富的惰性元素,在地殼中佔了0.00015%。[3]

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 核聚變產生的產物。

"argon"這個名稱源自於希臘語中的 ἀργόν,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反應。氬在原子外部殼層完整的八隅體(8個電子)讓它變得更加穩定,也不容易與其它元素產生鍵結。它的三相點國際實用溫標定義為83.8058K

氬元素在工業製程上是藉由液態空氣英語liquid air分餾而得。氬常常作為遮蔽氣體英語shielding gas,應用在焊接或是其他可以增加物質反應能力的高溫工業製程。例如,在石墨電爐中加入氬氣以防止石墨燃燒。氬氣也用於白熾燈螢光燈、其他氣體放電管螢光輝光啟動器。氬在被激發後可放出青色的氣體激光。

歷史

氬(來自希臘語ἀργόν,帶有懶惰或無效的意思),命名是參考它的化學活性。這個第一個被發現的貴氣體的化學性質令命名者印象深刻。[4][5]1785年,亨利·卡文迪什懷疑貴氣體是組成大氣的一部分氣體。1849年,在倫敦大學學院約翰·斯特拉特,第三代瑞立男爵威廉·拉姆齊透過移除了氧氣二氧化碳以及的乾淨空氣樣本,使氬第一次從空氣裏被隔絕出來。[6][7][8] 他們已經確認從化學化合物生成的氮比大氣中的氮還要輕0.5%,差異細微,但已足夠重要吸引他們的注意力好幾個月。他們做出了結論:空氣中還有另一種氣體與氮氣混和在一起。[9]氬氣在1882也被H. F. Newall和沃爾特·諾爾·赫特利英語Walter Noel Hartley的研究偶然發現。他們發現新的發射光譜,並沒有符合在當時已經知道的元素。 直到1957年,氬的化學符號一直是"A",之後被改為"Ar"到現在。[10]

特性

氬,是一種貴氣體。無論是氣態還是液態,都是無色、無味而且無毒。它在中的溶解度比氮多出了2.5倍。雖然氬在一般的情況向都很穩定,不會與其它化合物元素化合,但是科學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月由芬蘭化學家馬庫·拉薩能(Markku Räsänen)領導的小組發現的氟氬化氫)。這個和氬的化合物在−265°C才能保持穩定。[11]此外,氬還可以作為客體分子,與水形成包合物[12]除了以上基態的物質外,目前已經發現含氬的離子和激發態配合物(像ArH+和ArF),而根據理論計算顯示氬應該可以形成在室溫下穩定的化合物,雖然目前還沒有發現它們存在的線索。[13]

氬氣常被注入燈泡內,因為氬即使在高溫下也不會與燈絲發生化學作用,從而延長燈絲的壽命。[14]不鏽鋼和其它特種金屬電弧焊接時、鋼鐵生產時,氬也用作保護氣體。[來源請求]

氬的發現

氬曾經在1785年由亨利·卡文迪什製備出來,但卻沒發現這是一種新的元素;直到1894年,約翰·斯特拉斯蘇格蘭的化學家威廉·拉姆齊才通過實驗確定氬是一種新元素。[15][16]他們主要是先從空氣樣本中去除二氧化碳水汽等後得到的氮氣與從分解出的氮氣比較,結果發現從裏分解出的氮氣比從空氣中得到的氮氣輕1.5%。雖然這個差異很小,但是已經大到誤差的範圍之外。所以他們認為空氣中應該含以一種不為人知的新氣體,而那個新氣體就是氬氣。[來源請求]

另外1882年H.F. 紐厄爾和W.N.哈特萊從兩個獨立的實驗中觀測空氣的顏色光譜時,發現光譜中存在已知元素光譜無法解釋的譜線,但並沒有意識到那就是氬氣。由於在自然界中含量很多,氬是最早被發現的貴氣體,目前它的符號為(在1957年以前,它的符號為)。[17]


天然含量

氬在地球大氣中的含量以體積計算為0.934%,而以質量計算為1.29%,在地殼中,由於氬在自然情況下不與其他化合物反應,而無法形成固態物質,但可以被「困在」放射性岩石中。鑑於空氣中的氬更易得,工業用的氬大多就直接從空氣中提取。主要是用分餾法提取,而像是等氣體也都是這樣從空氣中提取的。 [18] 而在火星大氣中,氬-40以體積計算的話佔有1.6%,而氬-36的濃度為5ppm;另外1973年水手號計劃太空探測器飛過水星時,發現它稀薄的大氣中佔有70%氬氣,科學家相信這些氬氣是從水星岩石本身的放射性同位素衰變而成的。卡西尼-惠更斯號土星最大的衛星,也就是泰坦上,也發現少量的氬。[19]

同位素

氬穩定的同位素有氬-40()天然含量99.6%、 氬-36()天然含量0.34%和氬-38()天然含量0.06%。一般來說穩定的氬-40是由地殼中的-40()經由電子俘獲或正子發射衰變來的。11.2%的-40以這兩種方式衰變成氬-40,另外還有88.8%通過β衰變成為-40()。這個特性可以被用來測定岩石的年齡。[20]

在地球大氣中,不穩定的氬-39()可經由宇宙射線轟擊氬-40而生成,另外也可以經由鉀-39()的中子俘獲而來。至於氬-37,則可以從()核試驗中形成的鈣的人造同位素衰變而來,氬-37的壽命非常短,半衰期只有35[20]

化合物

由於氬氣擁有的八個價電子,佔滿了其原子軌域的最外層,因此不容易與其他的原子結合,化學性質非常不活潑。在1962年以前,一般認為氬和其他的貴氣體是完全無法與其他物質產生化學反應,但不久之後比氬重的的化合物就陸續被合成,因此也激勵了科學家發現新的貴氣體化合物。1982年在星際空間探測到氬氫離子,是氬的一種多原子離子。[21]在2000年8月,第一個氬的化合物在芬蘭赫爾辛基大學由馬庫·拉薩能領導的小組首先被製備出來,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 °C)的低溫下保持穩定。[22]另外在2003年發現了一種新氬化合物存在的蹤跡,二氟化氬(ArF2[來源請求],但目前還沒有任何可靠的證據可以證實。

製備

一小塊正在熔化的固態氬
一小塊正在熔化的固態氬

工業上

目前在工業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,移除液氧之後繼續冷卻就可以液化沸點為87.3K的氬氣,最後留下沸點77.35K的氣。目前以這種方法製造的氬氣在全世界高達七十萬/年。[23]

其他方法

另外用-40的衰變也可以製造氬氣,但這種製備法的效率並不高,因為-40的半衰期長達1.26×109年,所以並不常用。如果要製造氬的放射性同位素的話,就必須要靠迴旋加速器和重離子加速器來將其他元素轉換成氬的同位素。[來源請求]

用途

裝有氬和汞蒸氣的霓虹燈。
裝有蒸氣霓虹燈
這些桶子裏裝有氬氣,可用於滅火。
這些桶子裏裝有氬氣,可用於滅火

因為氬氣具有惰性、低傳熱率等性質,因此它被廣泛地運用在許多方面。[24]

氬氣最主要的用處就是它的惰性,可以保護一些容易與週遭物質發生反應的東西。[25]雖然其他的貴氣體也有這些特性,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,具有經濟效益。另外氬氣便宜的原因還有它是製造液氧液氮的副產品,而由於它們兩個都是工業上重要的原料,生產很多,所以每年都有很多的液氬副產品。[來源請求]

以氬惰性的用途主要有:

  1. 電燈泡裏的填充氣體,由於氬氣不會與燈芯產生化學反應,而又能保持氣壓減緩昇華,可延長燈絲使用壽命。
  2. 氬可當作焊接時所用的保護氣體,其中包括MIG銲接、GTA焊接與GMA銲接等,在這時氬通常會和二氧化碳混合在一起使用。[26]
  3. 可用於滅,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。
  4. 是用於感應耦合等離子體氣體之一。[27]
  5. 用於保護加工中的和其他容易發生反應金屬:例如
  6. 保護成長中的晶體晶體,這晶體主要用於半導體學
  7. 博物館裏,會在一些重要文物的玻璃專櫃裏填充氬氣,避免氧化[28]
  8. 啤酒罐中的填充物,雖然也可以用氮氣代替。
  9. 釀酒的過程中,啤酒桶裏的填充物,它可以把氧氣置換,以避免啤酒桶裏的原料被氧化乙酸
  10. 藥學裏,氬可以用於保護一些靜脈內的治療的藥物,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。
  11. 用於冷卻AIM-9響尾蛇飛彈的追蹤器,氬當時都是以高儲存,然後當釋放氣體後就可以帶走一些熱量。[29]
  12. 為石墨電熔爐中的保護氣體,以免它被氧化
  13. 廣告用的霓虹燈裏,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,一旦通電後,氬氣受到電的刺激,會放出青色的光芒。
  14. 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。[30]
  15. 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裏而造成氮麻醉,氬氣則可以減輕這種症狀(雖然一般來說,貴氣體也會造成這種症狀)。[31]

使用特定的方法可以使氬氣離子化並且發光,這種功能可用於等離子體燈粒子物理學中的能量器。以氬作成的氬激光會發出藍光,它在醫學外科中可用於連接動脈、去除腫瘤和治療眼睛的缺陷等。[32]氬氣還可以用於濺鍍。另外氬-39有269年的半衰期,可以用於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的過程來用於測定火成岩的年齡。[33]

危害

一般來說,氬氣是對身體毫無危害的,但是如果長期暴露在高濃度的氬氣中會因為缺氧窒息,液態氬則可能造成爆炸凍傷[34]

參見

延伸閱讀

  • (英文) Emsley, J., Nature’s Building Blocks; Oxford University Press: Oxford, NY, 2001; pp. 35–39.
  • (英文) Brown, T. L.; Bursten, B. E.; LeMay, H. E., In Chemistry: The Central Science, 10th ed.; Challice, J.; Draper, P.; Folchetti, N. et al.; Eds.; Pearson Education, Inc.: Upper Saddle River, NJ, 2006; pp. 276 and 289.
  • (英文) Triple point temperature: 83.8058 K - Preston-Thomas, H. The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90). Metrologia. 1990, 27: 3–10 [2008-05-05]. (原始內容存檔於2011-04-20). 
  • (英文) Triple point pressure: 69 kPa - Section 4, Properties of the Elements and Inorganic Compounds; Melting, boiling, triple, and critical temperatures of the elements. CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th edition. Boca Raton, Florida: CRC Press. 2005. 

參考資料

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  3. ^ 存档副本. [2020-02-04]. (原始內容存檔於2020-02-03). 
  4. ^ Hiebert, E. N. In Noble-Gas Compounds. (編) Hyman, H. H. Historical Remarks on the Discovery of Argon: The First Noble Gas. University of Chicago Press. 1963: 3–20. 
  5. ^ Travers, M. W. The Discovery of the Rare Gases. Edward Arnold & Co. 1928: 1–7. 
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外部連結

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