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利用“惰性”大展身手的氩

来源:科普时报 字号: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

氩,元素周期表第18号元素。氩气,是单原子分子,无色、无味,是空气中含量最多的惰性气体。

1785年,亨利·卡文迪什就发现了空气中含有惰性气体的迹象——大约有1%的空气成分是不参与化学反应的。由于当时的技术条件限制,他无法将这部分气体分离出来,也无法鉴定它的化学性质,更无法知道它是不是一种新元素。直到1892年,瑞利和苏格兰化学家威廉·拉姆齐发现,通过化学方法从空气样本中去除了氧气、二氧化碳、水蒸气等以后得到的氮气,与通过氨气分解制备出的氮气有些不一样,它们存在密度上的差异。两年后,他们意识到,密度上的偏差,有可能就是卡文迪什所提到的惰性气体引起的,随后通过光谱分析,真正发现在这些气体中存在已知元素无法解释的谱线,从而发现了第一种惰性气体——氩。为了肯定他们在惰性气体方面的研究,瑞利和拉姆齐分别被授予了1904年的诺贝尔物理学奖和化学奖。

氩,化学性质极不活泼,不能燃烧也不能助燃,根本不与其他物质发生反应。即便如此,“惰性”也是它的优势,作为保护气,保护一些容易与周围物质发生反应的东西。例如,充入灯泡中,灯丝在高温下不与氩气发生化学反应,而且不易导热,可以延长灯丝的寿命;在高温冶炼纯金属时,氩气很稳定,可以防止金属氧化、氮化、氢化等作用;在用电弧焊接不锈钢、镁铝等金属时,也可以利用氩气的惰性来保护不锈钢、镁铝等金属不被其他气体氧化;氩气不燃烧也不助燃的特性,还可以做特殊仪器的灭火剂,更好地保护仪器不被水、氧气或二氧化碳侵蚀。

氩气的化学性质很稳定,科研人员还是发现了少量含氩化合物,其发现过程也与以往有所不同。1995年,人们发现了惰性气体氢化物。通过初步的量子化学计算,科研人员预测出在低温条件下氩原子的化合物有存在的可能性。在随后的几年里,更多大规模计算研究提示出这种化合物的存在,终于在1999年12月21日第一次检测到了这种新物质,它就是在极端条件下制成的第一个含氩化合物氟氩化氢——需要在-265℃的温度下才能保持稳定。根据理论计算,人们还预测出了室温下能稳定存在的含氩化合物,但目前还没有实验能证实它们的存在,需要通过后续的实验来验证。但我们可以看到,随着优秀计算工具不断被研发出来,再辅以一定的实验工作,未来人们可以更好地探索出惰性气体与其他元素之间新型键合方式,从而设计和合成出更多类似的含氩化合物。

除了作为保护气,人们也发现了氩元素的其他用途。例如,利用氩同位素氩-39、氩-40的半衰期,设计的钾-氩、氩-氩定年法,可以用于测定地下水、冰层或者火成岩的年龄。这种特定方法使氩气离子化,可使其发出蓝光,可用于等离子灯和粒子物理学中的能量器,在医学外科中也可以用于连接动脉、医治肿瘤和眼疾等。

氩元素虽然很“懒”,但一样有其大展身手的领域。

(作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)

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