为什么化学实验中常常使用氮气或氦气保护，却极少选择廉价易得的氩气？
在化学实验中，氮气和氦气常常被用作保护气，这背后涉及到气体性质、实验要求以及成本效益等多方面的考量。虽然氩气廉价易得，但在许多关键的化学实验中，它确实不如氮气和氦气“好用”。下面我将详细解释原因。
核心问题：为什么不常用氩气？
虽然氩气也是一种惰性气体，但它在某些方面存在劣势，使其在很多对气体纯度、反应性要求极高的实验中不如氮气和氦气受欢迎。主要原因如下：
1. 惰性程度与潜在反应性（虽然不高但存在）：
氮气 (N₂) : 氮气分子中的氮氮三键非常牢固，需要极高的能量才能断裂，因此在常温常压下，氮气表现出极强的惰性，是优良的保护气。
氦气 (He) : 氦气是所有元素中第二小的原子，其电子壳层已经填满，非常稳定，是公认的极其惰性的气体，几乎不与任何物质发生反应。
氩气 (Ar) : 氩气是最外层电子处于全满状态（3s²3p⁶）的元素，具有非常稳定的电子结构。理论上它也是惰性气体。然而，与氮气强大的三键和氦气极小的原子半径相比，氩气的惰性在某些极端条件下可能略逊一筹。虽然氩气在大多数化学反应中确实不起反应，但有一些高能的反应或金属有机化学等领域，研究者倾向于使用惰性更强的气体来确保绝对的稳定性。
关键点： 尽管氩气的惰性也很好，但当实验要求绝对无任何潜在反应时，科学家会选择惰性程度更高的气体。例如，在涉及强还原剂、金属有机化合物（如格氏试剂、有机锂试剂）或某些高活性金属的实验中，即使是很微弱的反应性也可能导致实验失败或产物污染。
2. 密度和传质效率：
氮气 (N₂) : 相对密度约为14（相对于空气），比空气轻。
氦气 (He) : 相对密度约为2（相对于空气），比空气轻很多。
氩气 (Ar) : 相对密度约为1.38（相对于空气），比空气重。
重要性： 在化学实验中，保护气的主要作用是隔绝空气中的氧气和水分。这通常通过向反应体系中通入保护气，将空气“吹走”来实现。
氦气和氮气的优势： 由于氦气和氮气都比空气轻，它们在反应容器中更容易形成一个“向上”的保护层，或者在通入时更容易将容器内的空气置换出去，并且不易沉淀在容器底部。
氩气的劣势： 氩气比空气重，在通入反应容器时，它倾向于向下填充，可能无法有效地将容器顶部和角落的空气完全置换出去，特别是在一些形状不规则的玻璃仪器中。同时，如果容器有开口，氩气也更容易“漏”出，而未被有效置换的空气（含氧气和水蒸气）可能更容易渗透进来。这会降低保护效果。
3. 在特定分析技术中的应用：
气相色谱法 (GC) : 在气相色谱法中，载气（流动相）是至关重要的。
氦气 (He) : 氦气具有极低的黏度，这意味着它在色谱柱中流动时产生的压降小，对柱效影响小，且扩散速度快，可以实现更高的流速，从而缩短分析时间，提高分离效率，并且对检测器（如FID、TCD）的基线稳定性和灵敏度有积极影响。
氮气 (N₂) : 氮气相对便宜，也是常用的载气。但其黏度比氦气大，流速通常需要较低，可能导致分析时间延长。而且，在某些高灵敏度的检测器（如ECD）中，氮气可能引入背景信号。
氩气 (Ar) : 氩气在气相色谱法中很少用作载气，主要原因包括：
黏度和扩散性： 氩气的黏度介于氦气和氮气之间，扩散性也不如氦气，可能导致分离效果不如氦气。
检测器兼容性： 许多重要的GC检测器（如FID）对氩气作为载气的响应不如对氦气稳定，甚至可能影响检测器寿命。特别是对于某些需要惰性背景的检测器（如放射性离子化检测器，RID），氩气可能不适用。
更重要的是，很多时候氩气被用作电子捕获检测器（ECD）的辅助气体，而不是载气本身。
质谱法 (MS) : 在与GC联用进行GCMS分析时，载气和电离室的背景气体非常重要。
氦气 (He) : 作为GC载气时，可以顺畅地进入质谱仪的离子源，其低分子量和惰性使其干扰质谱信号最小。
氩气 (Ar) : 在某些质谱技术中，如电感耦合等离子体质谱（ICPMS），氩气是必需的，因为它能够电离出等离子体。但在GCMS中，它通常不作为载气使用，因为其离子化电位和质量与样品成分可能产生更多干扰。
4. 易得性和价格（虽然你提到了廉价，但对比氮气和氦气仍有差距）：
氮气 (N₂) : 空气中约78%是氮气，从空气分离和提纯氮气是成熟且成本低廉的工业过程。因此，高纯度的氮气非常便宜且易得。
氦气 (He) : 氦气主要来源于地下天然气田的副产品，提取和提纯相对复杂，并且资源是有限的。虽然不是“廉价”的，但由于其独特的性质，在对纯度和性能要求高的领域（如半导体、MRI、气相色谱等）需求量大，价格也相对稳定，并且其“非再生性”意味着一旦使用，就很难回收利用。
氩气 (Ar) : 空气中约0.93%是氩气，虽然不如氮气丰富，但也比氦气更容易从空气中分离。从纯度和价格的角度来看，确实氩气比氦气便宜得多，且比氮气也容易获得（虽然纯度要求下成本也可能上升）。
那么为什么即便氩气便宜，很多实验还是不用？
这恰恰说明了：在许多高端化学实验中，性能（惰性程度、传质效率、对检测器兼容性）的优先度远高于成本。 如果使用氩气会导致实验结果不准确、产物受污染或仪器损坏，那么即使价格便宜，也是得不偿失的。
5. 分子大小和渗透性：
氦气 (He) : 氦气是最小的原子，其分子非常小。这使得它在某些情况下更容易渗透过微小的泄漏点。
氮气 (N₂) : 分子比氦气稍大，渗透性低于氦气。
氩气 (Ar) : 作为单原子气体，其原子大小介于氦气和氮气之间（但我们通常比较的是分子大小，所以这里有点拗口。更准确的说法是氩原子的范德华半径比氮气分子和氦原子都要大）。
重要性： 在需要极高真空度或绝对隔绝微量杂质的实验中（如超高真空技术、某些光化学反应），较小的分子更易渗透。然而，在化学实验中，更多时候是担心空气中的氧气和水蒸气渗透进来，而不是保护气“渗出去”。 氩气作为单原子气体，其传递特性可能不如双原子气体（如氮气）那样在某些特定物理场景下（如通过多孔介质）表现出差异，但这不是选择保护气的主要考量。
总结一下为什么氮气和氦气更常用，而氩气相对少用：
氮气：
优点： 极高的惰性（N≡N键牢固），极其廉价易得，比空气轻，与大多数检测器兼容性好。
应用： 大多数常规有机合成、无机合成、样品储存、气体保护层形成等。是实验室中最普遍的保护气。
氦气：
优点： 极高的惰性（电子结构极其稳定），原子最小，黏度低，扩散快，对分析仪器的干扰最小。
应用： 对惰性要求极高的反应（如某些有机金属化学、高温反应），气相色谱载气，核磁共振谱仪的超导磁体冷却，甚至在一些需要低密度气体的场合。虽然贵，但其独特的性能不可替代。
氩气：
优点： 惰性气体，比氦气便宜易得。
缺点/限制：
惰性程度可能略逊于氦气和氮气（在极端条件下）。
密度比空气重，置换空气效果可能不如氮气和氦气。
在气相色谱和许多质谱检测器中兼容性不如氦气或氮气，可能影响分析结果或仪器性能。
虽然便宜，但在性能和通用性上不如氮气，在关键应用上不如氦气。
应用： 相对较少作为普遍的“保护气”。在某些特定应用中会使用，例如：
电感耦合等离子体质谱 (ICPMS) 的等离子体气体。
某些焊接保护气（但不是化学实验的常用保护气）。
作为某些光谱技术（如原子吸收光谱）的辅助气。
在一些要求不高但又要用惰性气时，作为廉价替代品（但效果可能不如意）。
举例说明：
如果你要做一个需要长时间保持无水无氧环境的格氏试剂合成，那么：
氮气 是一个很好的选择，因为它廉价且惰性足够好，可以有效隔绝空气。
氦气 也能使用，并且由于其原子最小，渗透性极低，在理论上保护效果可能更好，但成本较高。
氩气 理论上也可以用，但如果反应体系对微量氧气或水蒸气极度敏感，或者在非常长的反应时间内，其保护效果不如氮气和氦气那么令人放心，且一旦出现微小泄漏，氩气比空气重，可能更容易被空气从上方侵入。同时，如果后面需要用到GCMS进行产物分析，使用氩气作为保护气就更不合适了。
总而言之，化学实验中选择保护气的依据是多方面的综合评估，而不仅仅是价格。虽然氩气便宜，但在实验室的实际应用中，氮气和氦气因其优越的性能（尤其是惰性程度、传质效率和对分析仪器的兼容性）而占据了更重要的地位。
核心问题：为什么不常用氩气？
虽然氩气也是一种惰性气体，但它在某些方面存在劣势，使其在很多对气体纯度、反应性要求极高的实验中不如氮气和氦气受欢迎。主要原因如下：
1. 惰性程度与潜在反应性（虽然不高但存在）：
氮气 (N₂) : 氮气分子中的氮氮三键非常牢固，需要极高的能量才能断裂，因此在常温常压下，氮气表现出极强的惰性，是优良的保护气。
氦气 (He) : 氦气是所有元素中第二小的原子，其电子壳层已经填满，非常稳定，是公认的极其惰性的气体，几乎不与任何物质发生反应。
氩气 (Ar) : 氩气是最外层电子处于全满状态（3s²3p⁶）的元素，具有非常稳定的电子结构。理论上它也是惰性气体。然而，与氮气强大的三键和氦气极小的原子半径相比，氩气的惰性在某些极端条件下可能略逊一筹。虽然氩气在大多数化学反应中确实不起反应，但有一些高能的反应或金属有机化学等领域，研究者倾向于使用惰性更强的气体来确保绝对的稳定性。
关键点： 尽管氩气的惰性也很好，但当实验要求绝对无任何潜在反应时，科学家会选择惰性程度更高的气体。例如，在涉及强还原剂、金属有机化合物（如格氏试剂、有机锂试剂）或某些高活性金属的实验中，即使是很微弱的反应性也可能导致实验失败或产物污染。
2. 密度和传质效率：
氮气 (N₂) : 相对密度约为14（相对于空气），比空气轻。
氦气 (He) : 相对密度约为2（相对于空气），比空气轻很多。
氩气 (Ar) : 相对密度约为1.38（相对于空气），比空气重。
重要性： 在化学实验中，保护气的主要作用是隔绝空气中的氧气和水分。这通常通过向反应体系中通入保护气，将空气“吹走”来实现。
氦气和氮气的优势： 由于氦气和氮气都比空气轻，它们在反应容器中更容易形成一个“向上”的保护层，或者在通入时更容易将容器内的空气置换出去，并且不易沉淀在容器底部。
氩气的劣势： 氩气比空气重，在通入反应容器时，它倾向于向下填充，可能无法有效地将容器顶部和角落的空气完全置换出去，特别是在一些形状不规则的玻璃仪器中。同时，如果容器有开口，氩气也更容易“漏”出，而未被有效置换的空气（含氧气和水蒸气）可能更容易渗透进来。这会降低保护效果。
3. 在特定分析技术中的应用：
气相色谱法 (GC) : 在气相色谱法中，载气（流动相）是至关重要的。
氦气 (He) : 氦气具有极低的黏度，这意味着它在色谱柱中流动时产生的压降小，对柱效影响小，且扩散速度快，可以实现更高的流速，从而缩短分析时间，提高分离效率，并且对检测器（如FID、TCD）的基线稳定性和灵敏度有积极影响。
氮气 (N₂) : 氮气相对便宜，也是常用的载气。但其黏度比氦气大，流速通常需要较低，可能导致分析时间延长。而且，在某些高灵敏度的检测器（如ECD）中，氮气可能引入背景信号。
氩气 (Ar) : 氩气在气相色谱法中很少用作载气，主要原因包括：
黏度和扩散性： 氩气的黏度介于氦气和氮气之间，扩散性也不如氦气，可能导致分离效果不如氦气。
检测器兼容性： 许多重要的GC检测器（如FID）对氩气作为载气的响应不如对氦气稳定，甚至可能影响检测器寿命。特别是对于某些需要惰性背景的检测器（如放射性离子化检测器，RID），氩气可能不适用。
更重要的是，很多时候氩气被用作电子捕获检测器（ECD）的辅助气体，而不是载气本身。
质谱法 (MS) : 在与GC联用进行GCMS分析时，载气和电离室的背景气体非常重要。
氦气 (He) : 作为GC载气时，可以顺畅地进入质谱仪的离子源，其低分子量和惰性使其干扰质谱信号最小。
氩气 (Ar) : 在某些质谱技术中，如电感耦合等离子体质谱（ICPMS），氩气是必需的，因为它能够电离出等离子体。但在GCMS中，它通常不作为载气使用，因为其离子化电位和质量与样品成分可能产生更多干扰。
4. 易得性和价格（虽然你提到了廉价，但对比氮气和氦气仍有差距）：
氮气 (N₂) : 空气中约78%是氮气，从空气分离和提纯氮气是成熟且成本低廉的工业过程。因此，高纯度的氮气非常便宜且易得。
氦气 (He) : 氦气主要来源于地下天然气田的副产品，提取和提纯相对复杂，并且资源是有限的。虽然不是“廉价”的，但由于其独特的性质，在对纯度和性能要求高的领域（如半导体、MRI、气相色谱等）需求量大，价格也相对稳定，并且其“非再生性”意味着一旦使用，就很难回收利用。
氩气 (Ar) : 空气中约0.93%是氩气，虽然不如氮气丰富，但也比氦气更容易从空气中分离。从纯度和价格的角度来看，确实氩气比氦气便宜得多，且比氮气也容易获得（虽然纯度要求下成本也可能上升）。
那么为什么即便氩气便宜，很多实验还是不用？
这恰恰说明了：在许多高端化学实验中，性能（惰性程度、传质效率、对检测器兼容性）的优先度远高于成本。 如果使用氩气会导致实验结果不准确、产物受污染或仪器损坏，那么即使价格便宜，也是得不偿失的。
5. 分子大小和渗透性：
氦气 (He) : 氦气是最小的原子，其分子非常小。这使得它在某些情况下更容易渗透过微小的泄漏点。
氮气 (N₂) : 分子比氦气稍大，渗透性低于氦气。
氩气 (Ar) : 作为单原子气体，其原子大小介于氦气和氮气之间（但我们通常比较的是分子大小，所以这里有点拗口。更准确的说法是氩原子的范德华半径比氮气分子和氦原子都要大）。
重要性： 在需要极高真空度或绝对隔绝微量杂质的实验中（如超高真空技术、某些光化学反应），较小的分子更易渗透。然而，在化学实验中，更多时候是担心空气中的氧气和水蒸气渗透进来，而不是保护气“渗出去”。 氩气作为单原子气体，其传递特性可能不如双原子气体（如氮气）那样在某些特定物理场景下（如通过多孔介质）表现出差异，但这不是选择保护气的主要考量。
总结一下为什么氮气和氦气更常用，而氩气相对少用：
氮气：
优点： 极高的惰性（N≡N键牢固），极其廉价易得，比空气轻，与大多数检测器兼容性好。
应用： 大多数常规有机合成、无机合成、样品储存、气体保护层形成等。是实验室中最普遍的保护气。
氦气：
优点： 极高的惰性（电子结构极其稳定），原子最小，黏度低，扩散快，对分析仪器的干扰最小。
应用： 对惰性要求极高的反应（如某些有机金属化学、高温反应），气相色谱载气，核磁共振谱仪的超导磁体冷却，甚至在一些需要低密度气体的场合。虽然贵，但其独特的性能不可替代。
氩气：
优点： 惰性气体，比氦气便宜易得。
缺点/限制：
惰性程度可能略逊于氦气和氮气（在极端条件下）。
密度比空气重，置换空气效果可能不如氮气和氦气。
在气相色谱和许多质谱检测器中兼容性不如氦气或氮气，可能影响分析结果或仪器性能。
虽然便宜，但在性能和通用性上不如氮气，在关键应用上不如氦气。
应用： 相对较少作为普遍的“保护气”。在某些特定应用中会使用，例如：
电感耦合等离子体质谱 (ICPMS) 的等离子体气体。
某些焊接保护气（但不是化学实验的常用保护气）。
作为某些光谱技术（如原子吸收光谱）的辅助气。
在一些要求不高但又要用惰性气时，作为廉价替代品（但效果可能不如意）。
举例说明：
如果你要做一个需要长时间保持无水无氧环境的格氏试剂合成，那么：
氮气 是一个很好的选择，因为它廉价且惰性足够好，可以有效隔绝空气。
氦气 也能使用，并且由于其原子最小，渗透性极低，在理论上保护效果可能更好，但成本较高。
氩气 理论上也可以用，但如果反应体系对微量氧气或水蒸气极度敏感，或者在非常长的反应时间内，其保护效果不如氮气和氦气那么令人放心，且一旦出现微小泄漏，氩气比空气重，可能更容易被空气从上方侵入。同时，如果后面需要用到GCMS进行产物分析，使用氩气作为保护气就更不合适了。
总而言之，化学实验中选择保护气的依据是多方面的综合评估，而不仅仅是价格。虽然氩气便宜，但在实验室的实际应用中，氮气和氦气因其优越的性能（尤其是惰性程度、传质效率和对分析仪器的兼容性）而占据了更重要的地位。
网友意见
值得一提的是：氮气并不是惰性气体。
不信邪的可以试试用氮气保护你们的锂，我敢保证你5分钟之内，你们的锂就再也不能用了。
另外，你拿氮气做保护气，超高温烧碳，得到的产物，与用氩气做保护气完全不同，因为氮是可以dope到碳里面的，会显著改变碳的电子结构。
谢谢邀请，知乎传统，先问是不是，再问为什么。
题主说“极少选择氩气”，我面对GC-MS、ICP-MS和石墨炉边上的一个个氩气钢瓶陷入了沉思......
可能是时代变了？我从2011年进入高校化学实验室到现在，整整十年了，第一次听说有人在化学实验中用氦气做保护气的……
我们实验室里就只见过普氮，高纯氮，高纯氩，一部分做合成的同学偶尔会用氩氢混合气，再有就都不是保护气了，比如氧气或者甲烷之类的，氦气瓶这种从没见过，液氦也是见过没用过……液氮倒是挺经常用的
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