稀有气体俗称惰性气体,包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn),故又称氦族气体。无色、无臭、无味,微溶于水,在地壳和大气层中含量很少,除氡外都可作为工业气体由空气分离而制得。通常具有化学惰性,但近年来已能制得氙、氪、氡的一些具有一定稳定性的化合物。
稀有气体用途广泛:
(1)灯泡充气,各种惰性气体充入霓虹灯管中,放电时可呈现不同的颜色。氩气具有高密度、低热导率及化学惰性,可填充普通灯泡和日光灯泡。氩-氦混合气可充入白炽灯内,以增加灯泡亮度和使用寿命。电子管、辐射计数器、测量宇宙辐射的电离室中也需充入氩气或氖气,充有低压氖气的二极辉光放电管常用于电子电路中。氙气具有极高的发光强度,在照明中用作充气光电管、闪光灯、高压灯。氙高压灯具有高强度紫外光辐射,可用于医疗。
(2)金属焊接和切割,镁、铝、锆、钛等金属和合金钢等在焊接时,以氩气或氦气形成气体屏蔽,使其不受氧化或氢化,达到优良的焊接效果。氩-氢弧能达到近10000°C的高温,可用于切割高镍钢等金属材料。
(3)用作保护气,在锆、钛等金属冶炼和硅等半导体精炼时,用氦气或氩气作保护气体。不锈钢常用氧-氩脱碳法生产,氩气既是控制温度的稀释剂,又是清除气体的脱气剂。氦气、氩气也可用作原子核反应堆和加速器的保护气体。
(4)用于航天器,氦气是在液氢燃料火箭中唯一不会被液化的气体,可用于液体推进剂的加压气体。
(5)制备呼吸气,氦-氧混合气用于潜水作业,可避免潜水病。
(6)氦气用于灌装气艇、气球,提供浮力,具有安全性。
(7)用于气体激光器,如氦-氖激光发生器,能量由氦传递给激光气。
(8)用于色谱分析,氩气、氦气常用作载气。
(9)用作低温源,液氦是最冷的物质,使其蒸发后温度达1~1.2K,可在低温物理中应用。液氦提供的低温使超导介质得以实际应用(见彩图)。
(10) 氩-氢混合气作等离子体,温度可达5000~20000°C,可用于磁流体发电。(11)吸收X射线,氪可作X射线的遮光材料。
目前,氩气、氦气、氖气及氪气从少量的副产品成为专门生产的工业气体。高压惰性气体一般装入钢瓶运送,量大时也可用绝热槽车装运。
稀有气体的制取按原料来源不同分为五种。
(1)用深度冷冻法,由空气分离装置中制取。氩是由双级精馏塔上塔中部抽出的富氩馏分,氦、氖可由冷凝蒸发器上部抽出的不凝性气体,氪、氙在上塔底部提馏塔提出馏分,再经精馏分离而得。
(2)由天然气提取氦。利用液态甲烷、液态氮提供低温,采用冷凝法在氦精馏塔获得粗氦(见天然气深冷分离)。
(3)由合成氨弛放气提取。除去氨净化后的尾气,经精馏和吸收,分离氢、氮、甲烷,然后可进一步分离获得氩、氦、氖、氪、氙。
(4)由核反应堆的裂变气中提取氪和氙。先除去氮氧化物,使混合气通过氟利昂溶剂提取氪和氙。
(5)从镭盐中提取氡。将镭盐溶于水后,其逸出的气体中含有氡,经冷凝并抽去杂质而获得。