Аргон газ инертный: Технические характеристики и применение аргона

alexxlab | 25.05.2018 | 0 | Разное

Содержание

Технические характеристики и применение аргона

Инертные газы практически не вступают в реакцию с другими веществами, поэтому их нельзя использовать, например, для отопления жилища или производства химических соединений. Несмотря на свой «асоциальный характер» такие элементы получили очень большое распространение в промышленности, благодаря наличию очень интересных физических свойств. Газ аргон относится именно к таким элементам.

Об основных качествах аргона, а также о сферах его применения будет подробно рассказано в этой статье.

Аргон: технические характеристики

Аргон представляет собой бесцветный газ, который не оказывает никакого действия на органы вкуса и обоняния. Этот одноатомный элемент является одним из самых распространённых инертных газообразных веществ на земле.

Аргон был открыт в конце XIX века британским учёным Джоном Стреттом. Исследователь проводил опыты по выделению азота из воздуха. В результате экспериментов было выяснено, что азот полученный таким образом имеет немного большую плотность, чем в случае, когда для получения этого газа использовались органические вещества. Учёный предположил, что азот из атмосферы содержит примесь неизвестного на тот момент газообразного вещества. Впоследствии, эти догадки были подтверждены, и аргон был получен в чистом виде и тщательно исследован.

Аргон: технические характеристикиУчёных, которые пытались произвести различные опыты с аргоном, ошеломил тот факт, что этот газ не вступал в реакцию с другими химическими элементами. Таким образом удалось впервые получить благородный газ с подобными характеристиками.

Несмотря на отсутствие соединений аргон, как и другие вещества, обладает физическими свойствами. К наиболее важным характеристикам газа относятся:

  • Плотность: 1,784 кг/м3.
  • Температура кипения: -185,8 ˚С.
  • Тройная точка: -189,8˚С.
  • Содержание в воздухе: 0,9% объёма.

Аргон практически не растворяется в воде, а также абсолютно безопасен в плане пожарной активности. Этот газ не ядовит, поэтому при работе с ним не требуется использовать каких-либо средств защиты.

Где применяется аргон

Аргон получил большое распространение в промышленности. Инертные свойства этого газа особенно востребованы в различных производственных процессах, где необходимо вытеснить один из самых активных элементов – кислород. Использование аргона очень дёшево, в сравнении с другими инертными летучими веществами, поэтому газ незаменим в том случае, когда требуется защитная среда при сваривании металлов, а также вытеснение влаги и кислорода в ёмкостях, где хранятся пищевые продукты.

Наполнение колб ламп  накаливания инертным газом, позволяет значительно увеличить ресурс работы осветительного прибора. Кроме повышенного срока использования такие элементы обладают большей яркостью. Используется инертный газ и при производстве люминесцентных ламп. Применение аргона позволяет облегчить запуск разряда электрической дуги, а также значительно увеличить ресурс электродов.

При изготовлении стеклопакетов, инертным газом заполняются полости между стёклами, что позволяет значительно улучшить теплоизоляционные свойства. Учитывая тот факт, что аргон является абсолютно прозрачным, использование его никак не ограниченно даже при изготовлении многослойных конструкций.

Аргон: технические характеристики

Инертный газ аргон используется также в установках плазменной резки металлов. Преимущество использования этого газа заключается в том, что для возникновения дуги не требуется слишком высокого напряжения, поэтому такие установки могут иметь очень простую конструкцию. При генерации плазмы с использованием аргона образуется минимальное количество вредных газообразных веществ во время выполнения резки, поэтому этот метод идеально подходит для ручных приборов.

Благодаря возможности образовывать плазму при относительно невысоком напряжении, этот благородный газ используется в медицине для проведения аргоновой коагуляции. Такой метод успешно используется для удаления новообразований, а также для остановки кровотечений.

Аргон применяется и в химической промышленности. Благодаря отсутствию взаимодействия с другими элементами этот газ используется для получения сверхчистых веществ, а также для их анализа. В металлургической промышленности благородный газ позволяет обрабатывать такие металлы, как: титан, тантал, ниобий, бериллий, цирконий и др. Кроме этого, газ используется для перемешивания расплавленных веществ и снижения окисления хрома при производстве хромированной стали.

Способы получения  аргона

Аргон является третьим по распространённости газом в земной атмосфере, поэтому наиболее логичным способом является добывание его из воздуха. Для этой цели используются специальные низкотемпературные ректификационные аппараты.

Процесс отделения инертного вещества осуществляется в такой последовательности:

  • Воздух очищается от пыли и подвергается сжатию до жидкого состояния.
  • Жидкий воздух, состоящий преимущественно из кислорода, азота и аргона подвергается ректификации.
  • После отделения азота, из получившейся при сжатии жидкости, осуществляется доочистка кислородно-аргоновой смеси.

Температура кипения аргона в ректификационной установке составляет минус 185,3˚С. При этом, кислород кипит при температуре на 3 градуса выше, а азот – на 13˚С ниже этого показателя. По причине небольшого отличия в переходе из одного агрегатного состояния в другое, на первом этапе отделения аргона смесь содержит большое количество жидкого кислорода. На заключительной стадии получения аргона производится отделение благородного газа из кислородно-аргоновой смеси. Процесс доочистки, как правило, осуществляется с помощью электролитического водорода. В результате реакции в контактном аппарате с кислородом образуется водяной пар, который затем утилизируется через влагоотделитель.

Аргон может быть получен не только из атмосферного воздуха. При некоторых производственных процессах этот газ может являться сопутствующим продуктом. Например, при производстве аммиака, аргон является примесью азота и является совершенно ненужным элементом, поэтому полученный таким образом газ имеет очень низкую себестоимость, в сравнении с криогенным аргоном.

Правила хранения и транспортировки

Хранение и перевозка газа осуществляется в специальных металлических баллонах. Несмотря на то, что аргон является инертным газом, к ёмкостям всё равно предъявляются определённые технические требования, нарушение которых приведёт к невозможности использовать сосуд в дальнейшем. Кроме этого, утечка благородного газа в закрытом помещении может вызвать тошноту и потерю сознания у людей, ведь этот газ тяжелее воздуха и способен вытеснить необходимый для дыхания кислород.

Баллоны, используемые для хранения и транспортировки аргона, представляют собой цилиндрические ёмкости, которые могут быть разделены на следующие категории:

  • Малого объёма: 0,4 – 12 л.
  • Среднего объёма: 20 – 50 л.
  • Большого объёма: более 50 л.

Стандартное давление в аргоновом баллоне составляет 150 атм, но в ёмкостях объёмом 40 литров разрешается хранить газ давлением до 200 атм. На ёмкости для хранения аргона наносится информация о дате изготовления и аттестации, а также такие параметры, как вес и объём.

Аргоновые баллоны имеют в верхней части горловины вентиль, с помощью которого можно надёжно перекрыть подачу газа, а также колпак, который защищает запорное устройство от механических повреждений.
Все баллоны, вне зависимости от объёма, окрашиваются в серый цвет и маркируются надписью «Аргон» зелёного цвета.

Транспортировка аргона должна осуществляться по правилам. Автомобили должны маркироваться специальным знаком, которые указывает на перевозку нетоксичных и невзрывоопасных веществ. Все документы оформляются в строгом соответствии с правилами ДОПОГ.

Кроме этого, при перевозке аргона необходимо:

  • Надёжно закрепить баллоны.
  • Размещение ёмкостей осуществляется в горизонтальной плоскости.
  • Возможно вертикальное размещение только при наличии специальных приспособлений, повышающих устойчивость баллонов.
  • Заправленные аргоном баллоны разрешается перевозить только при отсутствии утечек из ёмкости.

При перевозке аргона в количестве до 18 баллонов (объём 40 л) груз не является опасным, поэтому специальное разрешение не требуется. Тем не менее, даже при перемещении небольших партий следует придерживаться вышеописанных правил транспортировки ёмкостей с этим газом.

Похожие статьи

Газ аргон – химические свойства и сфера применения

В переводе с греческого «argon» означает «медленный» или «неактивный». Такое определение газ аргон получил благодаря своим инертным свойствам, позволяющим широко его использовать во многих промышленных и бытовых целях.

 

Химический элемент Ar

Ar – 18-й элемент периодической таблицы Менделеева, относящийся к благородным инертным газам. Данное вещество является третьим после N (азота) и O (кислорода) по содержанию в атмосфере Земли. В обычных условиях – бесцветен, не горюч, не ядовит, без вкуса и запаха.

 

Другие свойства газа аргона:

  • атомная масса: 39,95;
  • содержание в воздухе: 0,9% объема и 1,3% массы;
  • плотность в нормальных условиях: 1,78 кг/м³;
  • температура кипения: -186°С.

 

На рисунке название химического элемента и его свойства

 

Данный элемент был открыт Джоном Стреттом и Уильямом Рамзаем при исследовании состава воздуха. Несовпадение плотности при различных химических испытаниях натолкнуло ученых на мысль, что в атмосфере помимо азота и кислорода присутствует инертный тяжелый газ. В итоге в 1894 г. было сделано заявление об открытии химического элемента, доля которого в каждом кубометре воздуха составляет 15 г.

 

Как добывают аргон

Ar не поддается изменениям в процессе его использования и всегда возвращается в атмосферу. Поэтому ученые считают данный источник неисчерпаемым. Он добывается как сопутствующий продукт при разделении воздуха на кислород и азот посредством низкотемпературной ректификации.

 

Для реализации этого метода применяются специальные воздухоразделительные аппараты, состоящие из колонн высокого, низкого давления и конденсатора-испарителя. В результате процесса ректификации (разделения) получается аргон с небольшими примесями (3-10%) азота и кислорода. Чтобы произвести очистку, примеси убираются с помощью дополнительных химических реакций. Современные технологии позволяют достичь 99,99% чистоты данного продукта.

 

Представлены установки по производству данного химического элемента

 

Хранится и транспортируется газ аргон в стальных баллонах (ГОСТ 949-73), которые имеют серый окрас с полосой и соответствующей надписью зеленого цвета. При этом процесс наполнения емкости должен полностью соответствовать технологическим нормам и правилам безопасности. Детальную информацию о специфике заполнения газовых баллонов можно прочитать в статье: баллоны со сварочной смесью – технические особенности и правила эксплуатации.

 

Где применяется газ аргон

Данный элемент имеет достаточно большую сферу применения. Ниже приведены основные области его использования:

  1. заполнение внутренней полости ламп накаливания и стеклопакетов;
  2. вытеснение влаги и кислорода для долгого хранения пищевых продуктов;
  3. огнетушащее вещество в некоторых системах тушения пожара;
  4. защитная среда при сварочном процессе;
  5. плазмообразующий газ для плазменной сварки и резки.

 

В сварочном производстве он применяется как защитная среда в процессе сварки редких металлов (ниобия, титана, циркония) и их сплавов, легированный сталей разных марок, а также алюминиевых, магниевых и хромоникелевых сплавов. Для черных металлов, как правило, применяют смесь Ar с другими газами – гелием, кислородом, углекислотой и водородом.

 

Вид защитной среды при сварочном процессе, которую создает аргон

 

Являясь тяжелее воздуха, аргоновая струя надежно защищает металл во время сварки. Инертный газ на протяжении длительного времени является защитой для расплавленной и нагретой металлической поверхности. Больше о сварочном процессе с применением аргоновой защитной среды читайте в статье: сварка аргоном – технология и режимы работы оборудования.

 

Меры предосторожности при эксплуатации

Данный химический элемент не представляет абсолютно никакой опасности для окружающей среды, но при большой концентрации оказывает удушающее воздействие на человека. Он нередко скапливается в районе пола в недостаточно проветриваемых помещениях, а при значительном уменьшении содержание кислорода может привести к потере сознания и даже смертельному исходу. Поэтому важно следить за концентрацией кислорода в закрытом помещении, которая не должна падать ниже 19%.

 

Еще мы советуем посмотреть третью часть обучения сварке в защитной среде аргона:

 

Жидкий Ar способен вызвать обморожение участков кожи и повредить слизистую оболочку глаз, поэтому в процессе работы важно использовать спецодежду и защитные очки. При работе в атмосфере этого газа с целью предотвращения удушения необходимо применять изолирующий кислородный прибор или шланговый противогаз.

 

Заправить баллоны аргоном можно в компании «Промтехгаз», где соблюдается правильная технология заправки и предоставляется качественное обслуживание.

Если вы интересуетесь другими техническими газами, информацию можете найти здесь.

Аргон: применение, получение, история

Авторы:

сотрудники компании
Спектральные линии аргона

Аналитические линии плазмообразующего газа (аргона) на фрагменте спектра образца углеродистой низколегированной стали

Аргон – элемент с атомной массой 39,944 и порядковым номером 18. Принадлежит к 8-ой группе главной подгруппы таблицы Менделеева, относится к благородным инертным одноатомным газам. Не обладает ни запахом, ни цветом, ни вкусом. Негорючий и невзрывоопасный.

История открытия Аргона

Впервые неизвестный до этого газ, при химических и физических экспериментах, обнаружил в 1785 году Генри Кавендиш — английский физик и химик. Но он не смог разгадать загадку и прекратил исследования. Позднее на записи Кавендиша обратил внимание Джеймс Максвелл.

И лишь спустя более ста лет, в 1894 году, химик Уильям Рамзай и физик Джон Уильям Стретт (Лорд Рэлей) сделали доклад об открытии нового элемента, который, за свою химическую неактивность, назвали аргоном. Это случилось в Оксфорде на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей, физиков и химиков. Название нового газа произошло от греческого слова ἀργός, что в переводе означает — неактивный, медленный.

Спустя еще 10 лет, эти ученые получили Нобелевские премии за исследования газов, открытие аргона и других инертных газов в атмосфере.

Получение Аргона

Аргон — наиболее распространенный в воздухе инертный газ. В 1 м3 содержится примерно 0,09 см3 ксенона, 1,1 см3 криптона, 5,2 см3 гелия, 18,2 см3 неона, 9000 см3 аргона.

В атмосфере Земли аргон занимает третье место. На первом – азот, на втором - кислород. В процентном отношении это примерно 0,93% по объёму или 1.3% по массе. По этой причине он является самым легкодоступным и недорогим инертным газом.

Получение и промышленное производство этого газа происходит как выделение сопутствующего газа при добыче азота и кислорода из атмосферного воздуха. Наиболее простой метод — это глубокое охлаждение и ректификация с последующей доочисткой от примесей.

Кроме того, аргон получают при производстве аммиака. Доочистку аргона осуществляют по технологии гидрирования с платиновым катализатором или адсорбционным методом с использованием молекулярных сит или активного угля.

Применение Аргона

Основными потребителями аргона являются:

Металлургия. Применение аргона в современных технологических процессах выплавки стали — продувка расплава в ковше. Эта операция выполняет несколько функций: охлаждение металла, ускорение плавления вводимых в ковш лигатур и раскислителей, гомогенизация металла по химическому составу и температуре, очищение от неметаллических включений, образующихся от раскисляющих и легирующих добавок, углеродное раскисление металла и его обезуглероживание, удаление водорода и азота, ускорение десульфурации (удаление серы из расплава), вдувание раскисляющих и легирующих порошкообразных добавок.

В металлургии высококачественных сплавов аргон используется для защиты расплава от контакта с воздухом во время выплавки и разливки. Высокотемпературная обработка титана и его сплавов требует защитной аргоновой атмосферы. Незаменим аргон и в технологиях обработки таких редких металлов как цирконий, вольфрам, тантал, ниобий, бериллий, гафний и др.

Металлообрабатывающая промышленность. Основное использование аргона — создание защитной завесы при электродуговой (АРДЭС), контактной и лазерной сварке, термообработке. Аргон — плазмообразующий газ в установках сварки и резки активных, редких металлов, сплавов на их основе, например, алюминиевых и магниевых, нержавеющих, хромоникелевых, жаропрочных сплавов и легированных сталей.

Радиоэлектронная промышленность. Здесь аргон незаменим для создания инертной среды в установках плазменного напыления, заполнение колб электрических и люминесцентных ламп, электровакуумных приборов, газосветной рекламы. Например, сине-голубое свечение получается при заполнении трубок аргоном с парами ртути.

Пищевая промышленность. Благодаря своей химической нейтральности, аргон широко используют как пропеллтен («выталкивающий» газ) в аэрозольных упаковках, антифламинг (вещество снижающее образование пены) и «упаковочный» газ в пищевой промышленности.

Спектральный анализ и метрология. В данной сфере аргон наиболее часто используется как газ-носитель, инертная среда и плазмообразующий газ в контрольно-измерительных приборах, а также при производстве поверочных газовых смесей (ПГС) для различных газоанализаторов.

В данной сфере применения чистота аргона имеет ключевое значение. Даже при минимальных отклонениях качества аргона от соответствующих ГОСТов и ТУ, регламентированных для использования в конкретных приборах, изменяются условия работы и анализа, что приводит к серьезным искажениям результатов измерений, нарушению работоспособности оборудования, снижению качества продукции, снижению ресурса фильтров и, как следствие, серьезным экономическим убыткам.

Для предотвращения вышеописанного, могут использоваться специализированные фильтры, а также установки доочистки аргона (инертных газов) лабораторного или промышленного назначения.

Спектрометры нашего производства

Так как наша компания занимается разработкой и производством спектрометров, применение аргона в этих приборах мы решили рассмотреть более подробно. Ниже в статье этому будет посвящена отдельная глава.

Прочие сферы применения. Огнетушительные установки, заполнение стеклопакетов и поддув сухих гидрокостюмов водолазов для лучшей теплоизоляции, в медицине — очистка разрезов при хирургическом вмешательстве, в химической промышленности — инертная среда для нестабильных на воздухе соединений, а так же в прочих областях промышленности.

Продолжение >

Аргон: температура, состояния, сварка

Аргон (обозначается как Ar) — наиболее часто встречающийся в воздухе инертный газ. Он отличается полной химической инертностью. Это свойство позволяет широко применять газ в таких областях, как сварка, упаковка, производство материалов высокой чистоты, а также для тушения пожаров.

Инертный газ аргонИнертный газ аргон Инертный газ аргон

История открытия

Предыстория открытия Ar началась в 1785 году. Выдающийся ученый  и естествоиспытатель из Великобритании Генри Кэвендиш исследовал состав воздуха. Он подвергал азот окислению и взвешивал получившиеся окислы. По окончании опыта в сосуде оставался газ. Кэвендиш определил его объем в 0,8% от начального объема воздуха.

Состав этого газа ученый определить не смог. Спустя столетие к проблеме вернулись сэры Джон Рэлей и Уильям Рэмзи. В ходе проведенных опытов они обнаружили, что азот, выделенный из воздуха, имеет большую плотность, нежели азот, получаемый в ходе реакции разложения нитрита аммония.

в 1884 году им удалось выделить из воздуха некий газ, более плотный, чем азот. Это вещество имело одноатомную молекулярную структуру и было крайне инертным — т.е. не реагировало с другими веществами.

На заседании Королевского Общества новому газу было присвоено название «аргон», что в переводе с древнегреческого значило «спокойный, ленивый»

Аргон в природе

Ввиду практически полной инертности Ar  представлен в естественной среде исключительно в несвязанном виде. Его процентная доля в различных частях Земли равна приблизительно:

  • земная кора — 0,00012%;
  • морская вода — 0,00045%;
  • атмосфера — 0,926%.

Доля Ar в воздухе выше, чем суммарная доля всех остальных инертных газов. Основным источником для его добычи служит наша атмосфера.

Содержание газов в атмосфереСодержание газов в атмосфере

Содержание газов в атмосфере

В коре Земли аргон содержится также в виде радиоактивного изотопа Аргон-40 и появляется в ходе реакции распада изотопов Калия.

Современная наука вместе с остальными инертными газообразными элементами относит Ar  к VIII группе периодической системы.

Как добывают аргон

Благодаря значительному с промышленной точки зрения содержанию аргона в воздухе его получают в качестве дополнительного продукта криогенной ректификации O2  и N2.

Технология основана на том факте, что температура кипения (или сжижения) Ar  лежит между температурами N2  и O2.

Перед началом процесса воздух подвергается тщательной очистке от пыли в многоступенчатых фильтрах, осушается от водяных паров, а далее мощными компрессорами сжимается до тех пор, пока не перейдет в жидкое состояние. Жидкость перегоняют в ректификационной колонне, чтобы разделить ее на отдельные вещества.

Установка для добычи аргонаУстановка для добычи аргона

Установка для добычи аргона

Первым испаряется азот при -195 °С, его пары собираются на соответствующей тарелке ректификатора и отводятся в отдельный резервуар. Следующим по высоте (и при температуре кипения -185 °С) отбирается аргонная фракция, содержащая 12% Ar, менее полпроцента азота и кислород. Она подается в следующую ректификационную колонну, в которой процентная доля Ar доводится до 85, оставшееся приходится на кислород со следами азота. Такое вещество называется сырым аргоном, исходным материалом для получения очищенного газа.

В промышленности применяется несколько методов очистки сырого аргона от примесей.

Водород, добавляемый в состав сырья, окисляется на катализаторе и нагреве до 500 °С, таким образом, из состава смеси выводится кислород. Образовавшийся на катализаторе водяной пары удаляют при посредстве влагоотделителя. Газ после этого осушают. Аргон с оставшимся в нем азотом вновь ректифицируют.

Применяются и альтернативные методы получения Ar. Во время синтеза аммиака из азота и водорода в химических реакторах Ar получают как сопутствующий продукт производства. Технологический компонент это синтеза — продувочный газ — содержит до 20% Ar. Из этого газа и извлекают самый спокойный элемент. Стоимость производства, складывающаяся в основном из затрат на охлаждение и нагрев компонентов, делится между аммиаком и аргоном, и получается существенно ниже.

Качество газа, получаемого любым методом, определяется технологией очистки его от небольших количеств остаточного N2, O2, водяных паров и H2.

Аппарат, получающий ионные пучки аргонаАппарат, получающий ионные пучки аргона

Аппарат, получающий ионные пучки аргона

Общая характеристика Ar

Ar входит в группу инертных газов. Заряд его ядра — 18, под таким же номером элемент располагается в таблице Менделеева.

Из всех участников  VIIIA группы он является наиболее часто встречающимся в природе. Объемная доля Ar в атмосфере -0,93%, массовая доля составляет 1,28%.Элемент является  газом без цвета, вкуса и запаха. Химически не активен – аргон не вступает в реакцию и практически не соединяется ни с какими элементами или веществами, за исключением CU(Ar)O, и гидрофторида аргона.

Весьма плохо растворим водой, чуть большая растворимость наблюдается при взаимодействии с органическими растворителям.

Виды аргона

Говоря о видах, или сортах Ar, надо понимать, что это одно и то же химическое вещество. Виды различаются по степени очистки от примесей.

  • Высший сорт. Содержание Ar не менее 99,99% . Этот сорт особо высокой чистоты применяется для ответственных сварочных работ, таких, как сварка материалов, химически активных в нагретом состоянии: некоторые цветные сплавы, прежде всего титановые, нержавеющая сталь и др. Используется также для сварки высоконагруженных изделий из конструкционной стали.
  • Первый сорт. Содержание Ar не менее 99,98%, Применяется при сварке сплавов на основе алюминия с другими металлами и сплавами, для менее активных цветных металлов.
  • Второй сорт. Содержание Ar не менее 99,95%. Используется при сваривании деталей из жаростойких стальных сплавов, алюминия и конструкционных сталей. Применение чистого Ar в этих случаях нежелательно, поскольку приводит к повышенной пористости материала шва и не позволяет защитить сварочную ванну от повышенной влажности и других загрязнений. Во избежание возникновения такого дефекта в состав смеси защитных газов добавляют углекислый газ и кислород, связывающие выделяющийся при сварке водород и другие примеси. Образующиеся в ходе этих реакций шлаки всплывают на поверхность сварочной ванны и после застывания удаляются вместе с окалиной.

Физические и химические свойства

Свойства аргона типичны для члена VIII группы.

При обычной  температуре Ar пребывает в газообразном состоянии. Молекула включает в себя единственный атома, химическая формула весьма простая: Ar. Температура кипения весьма низка : -185,8 °С при атмосферном уровне давления.

Растворимость в воде низкая — всего 3,29 мл на 100 мл жидкости

Плотность аргона при нормальных условиях составляет 1,78 кг/м3. Молярная теплоемкость газа- 20,7 Дж/Кмоль.

Характеристики аргона и других инертных газовХарактеристики аргона и других инертных газов

Характеристики аргона и других инертных газов

Газ практически полностью инертен. На сегодняшний день ученым удалось получить лишь два его соединения — CU(Ar)O, и гидрофторид аргона. Соединения существуют лишь при сверхнизких температурах. Предполагается, что Ar может входить в состав неустойчивых в нормальном состоянии молекул эксимерного типа. Такие молекулы могут существовать лишь в возбужденном состоянии, например, в ходе электроразряда высокой интенсивности. Такие соединения возможны с ртутью, кислородом и фтором.

Электроотрицательность по шкале Полинга равна 4,3.

Как степень окисления, так и электродный потенциал имеют нулевое значение, что характерно для инертного газа.

Ионный радиус составляет 154, радиус ковалентности — 106 Пм. Ионизационный порог- 1519 кдж/моль

Атомная и молекулярная масса

Такие важные параметры, как атомная и молекулярная массы, показывают, насколько масса молекулы вещества и масса его атома соответственно превышают значение, равное одной двенадцатой доле массы атома водорода.

Ввиду того, что молекула Ar состоит из единственного атома,  молекулярная и атомная масса аргона идентичны и составляют 39,984.

Структура аргона и его свойстваСтруктура аргона и его свойства

Структура аргона и его свойства

Изотопы

В природных условиях Ar встречается в качестве трех устойчивых изотопов

  • 36Ar– процентная доля этого изотопа составляет 0,337% в ядре 18 протонов и 18 нейтронов;
  • 38Ar- его доля всего 0,063%, в ядре 18 протонов и 20 нейтронов;
  • 40Ar – наиболее распространен, его доля составляет 99,6%, в ядре так же 18 протонов, но уже 22 нейтрона.

Искусственным путем удавалось получать изотопы с массовым индексом от 32 до 55, наиболее стабильным из них оказался 39Ar, период полураспада которого составляет 268 лет.

Большая процентная доля 40Ar среди изотопов, встречающихся в природе, вызвана постоянным образованием его в ходе реакции распада изотопа калий-40. На 1000 кг калия в ходе таких реакций за год образуется не более 3100 атомов 40Ar. Но, поскольку эти реакции идут постоянно в течение сотен миллионов лет, изотоп накопился в природе в существенных объемах.

Доминирование тяжелого изотопа в природе обуславливает тот факт, что атомный вес Ar  превышает атомный вес калия, находящегося в таблице следом за ним. При создании Периодической системы такого противоречия не было, поскольку аргон был обнаружен и свойства его были исследованы значительно позже, в первом десятилетии XX века. Первоначально Ar был помещен в первую группу таблицы, восьмая группа была выделена позднее.

Ионы

Как и другие инертные газы (такие, как He и Ne), Ar подвержен ионизации. При возбуждении атомов и сообщении им высоких энергий возникают молекулярные ионы Ar2+.

Молекула и атом

Для  инертных газов эти понятия идентичны, поскольку эти элементы не желают вступать в химическую связь даже с себе подобными. Молекула включает в себя один атом, химическая формула газа не отличается от обозначения элемента: Ar.

Молярная масса

Молярная масса аргона составляет 39,95 г/моль.

Существуют несколько методов ее вычисления:

  • С применением относительной атомной массы M и коэффициента пропорциональности к, выражающего соотношение между относительной массой и молярной. Этот коэффициент является универсальной константой и равен для всех элементов. Молярная масса M выражается как произведение коэффициента пропорциональности на относительную массу.
  • С использованием молярного объема. Потребуется найти объем, занимаемый при обычных условиях некоторой массой газа, далее рассчитать массу 22,4 литров вещества при таких же условиях.
  • С применением уравнения Менделеева-Клапейрона, моделирующего идеальный газ.

pV = mRT / M,

проведя преобразования, получим выражение для молярной массы:

M=mRT/pV

где

  • p – давление в паскалях,
  • V –объем в кубометрах
  • m – масса в граммах,
  • Т — температура в Кельвинах,
  • R – константа, значение которой 8,314 Дж/(моль×К).

Область применения

Шире всего аргон применяется при сварочных работах. Он используется для создания защитной атмосферы вокруг сварочной ванны, вытесняя из рабочей зоны O2 и N2, содержащиеся в атмосфере. Особенно важно это для сварки цветных металлов, многие из которых, к примеру, Ti, отличаются высокой химической активностью в нагретом состоянии. Незаменим инертный газ также для неразъемного соединения нержавеющих и высоколегированных сплавов.

Также широко применяется  при монтаже высоконагруженных строительных конструкций, таких, как каркасы высотных зданий, фермы мостов и многих других. Здесь его применение обеспечивает высокое качество, однородность и долговечность ответственных соединений. В строительной индустрии аргонная сварка доминирует среди других методов.

Сварка аргономСварка аргоном
Сварка аргоном
Аргоно-дуговая сваркаАргоно-дуговая сварка
Аргонно-дуговая сварка

Не менее широко применяется аргонная сварка в машиностроении, прежде всего химическом и пищевом. Швы получаются долговечные и надежные, даже в условиях воздействия агрессивных сред.

Нефтяная и газовая отрасли также применяют аргонная сварку при монтаже трубопроводов, газоперекачивающих станций и нефтеперегонных комбинатов.

Используется метод также в атомной промышленности, в транспортном машиностроении и в аэрокосмической отрасли.

В домохозяйствах аргонная сварка распространена не так широко. Это объясняется:

  • высокой стоимостью оборудования и расходных материалов;
  • необходимостью достаточной квалификации сварщика;
  • меньшими нагрузками, испытываемыми домашними конструкциями;
  • более низкими требованиями к прочности и долговечности сварных соединений.

Если в домохозяйстве возникает эпизодическая потребность в таких сварочных работах, то дешевле, быстрее и надежнее пригласить сварщика-специалиста.

Стеклопакет с аргономСтеклопакет с аргоном
Стеклопакет с аргоном
Принцип действия стеклопакета с аргономПринцип действия стеклопакета с аргоном
Принцип действия стеклопакета с аргоном

Характерным свойством Ar является его более высокая плотность по сравнению с воздухом. Поэтому максимальная эффективность аргонной сварки достигается при нижнем сварочном положении. В этом случае инертный раз растекается по поверхности детали и образует защитное облако значительной протяженности, позволяя вести сварку, как большими токами, так и на большой скорости. При сварке в наклонном и верхнем положении приходится учитывать «проваливание» аргона сквозь воздух. Чтобы компенсировать это явление, либо увеличивают подачу газа, либо проводят работы в герметичном помещении, заполненным инертным газом. В обоих случаях себестоимость работ возрастает.

Поскольку потенциал ионизации Ar невысок, его использование обеспечивает идеальные геометрических характеристик сварочного шва, прежде всего, профиля. Возбужденная электродуга в аргоновой атмосфере также отличается высокой стабильностью своих параметров. С другой стороны, низкое значение потенциала ионизации обуславливает и более низкое напряжение розжига и поддержания дуги. Это сокращает ее тепловыделение и усложняет провар толстых листов металла.

Более высокая температура дуги в аргоновой атмосфере существенно повышает проплав сварочного шва. Это позволяет проводить сварку за один проход при условии точного соблюдения параметров зазора между заготовками.

В случае применения TIG-метода сварочных работ аргоновая атмосфера защищает от коррозионного влияния не только зону сварки, но и окончание неплавкого электрода.

В ряде специфических случаев в состав защитной газовой смеси добавляют гелий.

Кроме применения при сварочных работах, аргон используется:

  • Как плазмоообразующее веществона установках плазменного раскроя металла.
  • Для создания инертной среды в упаковках пищевых продуктов. Он вытесняет из пакетов и контейнеров кислород воздуха и водяные пары, пагубно влияющие на срок годности продуктов. Продукты в защитной атмосфере хранятся в несколько раз дольше, чем в обычной упаковке. Применяется этот метод и для упаковки медицинских изделий и препаратов, позволяя сохранить их в должной стерильности и химической чистоте.
  • В качестве активного агента в противопожарных установках. Аргон вытесняет кислород (или другой газ) из очага горения, прекращая его.
  • Для создания защитной среды в технологических установках при обработке полупроводниковых устройств, создании микросхем и других электронных компонентов или материалов высоких степеней чистоты.
  • Наполнитель электроламп.
  • В рекламных люминесцентных трубках.

Зависимость давления аргона в баллоне от температуры

По мере нагрева давление газообразного вещества в замкнутом объеме повышается. В таблице приведены примерные значения давления в баллоне в зависимости от температуры окружающего воздуха.

T, °CP, Мегапаскаль
-4010,45
-3011,33
-2012,21
-1012,92
013,74
+1014,62
+2015,33
+3016,03

Следует учитывать, что баллонное давление изменяется не мгновенно, а по мере его прогрева или охлаждения.

Техника безопасности при работе с аргоном

Сам по себе не являясь ядовитым, аргон при неправильном использовании может нанести серьезный вред здоровью или даже создать угрозу жизни.

Аргон замещает кислород воздуха и создает смесь, непригодную для дыхания. Человек может пострадать или даже погибнуть от удушья. Сжиженный аргон имеет очень низкую температуру и при контакте с незащищенной кожей приводит к тяжелым обморожениям.

Газоразрядная трубка с аргономГазоразрядная трубка с аргоном

Газоразрядная трубка с аргоном

Во избежание неприятных последствий при работе с газом следует неукоснительно соблюдать следующие правила:

  • При работе в атмосфере аргона обязательно использовать изолирующий противогаз.
  • При работе на полуавтоматах с подачей аргона обеспечить вентиляцию рабочей зоны.
  • Использовать газоанализатор, содержание кислорода в воздухе должно быть не ниже 19%.
  • Спецодежда должна полностью закрывать коду, быть чистой и целой.

Перед началом работы также следует осмотреть баллоны, шланги и запорную арматуру на предмет отсутствия механических повреждений и утечек газа.

Аргон кислород характеристики и применение. Где применяют газ аргон? Преимущества и недостатки сварки в защитной среде аргона

Общие сведения

Аргон - инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Третий по распространённости элемент в земной атмосфере (после азота и кислорода) - 0,93 % по объёму и 1,29 % по массе. Аргон - самый распространённый инертный газ в земной атмосфере, в 1 м 3 воздуха содержится 9,34 л аргона (для сравнения: в том же объеме воздуха содержится 18,2 см 3 неона, 5,2 см 3 гелия, 1,1 см 3 криптона, 0,09 см 3 ксенона). Есть аргон и в воде, до 0,3 см 3 в литре морской и до 0,55 см 3 в литре пресной воды. Его среднее содержание в земной коре (кларк) - 0,04 г на тонну, что в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 - чем неона. Получается, что на Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых.

Неочищенный поток аргона, содержащий до 5% кислорода, удаляют из основной колонны разделения воздуха и очищают для получения требуемой коммерческой степени чистоты. Аргон также может быть извлечен из выхлопных потоков некоторых аммиачных установок. Промышленные применения Аргон имеет множество различных применений во многих отраслях. Наиболее распространенный в качестве защитного газа для дуговой сварки - либо в чистом виде, либо в составе различных смесей. Это один из основных газов, используемых в заполняющих смесях для ламп накаливания, люминесцентных ламп и тиратронных радиоламп.

Физические свойства

Аргон - одноатомный газ с температурой кипения (при нормальном давлении) -185,9 °C (немного ниже, чем у кислорода, но немного выше, чем у азота). Температура плавления -189,4°С. В 100 мл воды при 20 °C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде.

Он также используется в качестве газа-носителя при хроматографии, распылении, плазменном травлении и ионных имплантациях. Он обеспечивает полную атмосферу в выращивании кристаллов, виноградарстве и фармацевтической упаковке. Для эксимерных лазеров аргон смешивают с фтором и гелием. В качестве изоляционного газа аргон является популярным способом улучшения теплоизоляции в многослойных окнах.

Условия и преимущества сотрудничества с М-Газ

Он имеет много защитных применений в металлургической, сталелитейной и термообработке - особенно в случае металлов, подверженных азотированию, при обработке азотной атмосферой. Менее распространенные применения включают криохирургия, охлаждение, обезуглероживание нержавеющей стали, вздутие подушек безопасности, тушение пожара, спектроскопия, спектрометрия и очистка или балансировка в лабораториях.

Химические свойства

Название «аргон» (от греч. - ленивый, медленный, неактивный) - подчеркивает важнейшее свойство элемента - его химическую неактивность.

Пока известны только 2 химических соединения аргона - гидрофторид аргона и CU(Ar)O, которые существуют при очень низких температурах. Кроме того, аргон образует эксимерные молекулы, то есть молекулы, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Также со многими веществами, между молекулами которых действуют водородные связи (водой, фенолом, гидрохиноном и другими), образует соединения включения (клатраты), где атом аргона, как своего рода «гость», находится в полости, образованной в кристаллической решётке молекулами вещества-хозяина.

В винодельческой и винодельческой промышленности часто задают вопрос: что лучше для производства вина, азота или аргона? Оба являются инертными газами при комнатной температуре, и оба используются для замачивания емкостей для вина и промывки или продувки.

Существуют также некоторые ключевые отличия. Аргон может поставляться только в резервуарах, в то время как азот может поставляться через собственное производство газа.

  • Аргон примерно в четыре раза дороже азота, потому что его меньше в воздухе.
  • Аргон примерно в 4 раза плотнее азота.
Плотность аргона может вводить в заблуждение. Поскольку это тяжелее воздуха, многие виноделы предполагают, что он будет стратифицироваться при добавлении к свободному пространству резервуара и останется там, неповрежденным и неизменным.

Получение

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором. Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией).

Аргон, будучи идеальным газом, легко смешивается с воздухом через процесс молекулярной диффузии, который разрушает этот стратифицирующий эффект. Представьте, что кто-то открывает бутылку аммиака в дальнем конце комнаты, и через минуту или две вы можете почувствовать ее запах - это молекулярная диффузия в действии.

Гравитация имеет лишь небольшую тенденцию концентрировать более тяжелый газ. Поскольку аргон настолько дорогой, винодельни, использующие его, имеют тенденцию только превышать - как правило, три раза в неделю - и не знают, как быстро рассеивается аргон. Поскольку другие молекулярные силы работают, аргон будет расширяться с течением времени, ослабляя его защитные способности и оставляя вино уязвимым для окисления.

Применение

Аргон находит широкое применение благодаря своему основному свойству - химической неактивности.

Первоначально главным потребителем аргона была электровакуумная техника . И сейчас подавляющее большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход с чистого азота на эту смесь повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в таких лампах медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в соврем

Аргон: факты и фактики

А. Мотыляев
«Химия и жизнь» №7, 2015

Аргон

Как аргон поставил в тупик Д. И. Менделеева и других именитых химиков? Первым аргон открыл Генри Кавендиш в 1795 году: он несколько недель пропускал электрический разряд сквозь воздух, при этом кислород реагировал с азотом (их тогда называли «дефлогистонный воздух» и «флогистонный воздух» соответственно) и давал азотистую кислоту, которую поглощал поташ. Объем газа в сосуде уменьшался, однако газ не исчезал полностью: оставалось что-то, не вступающее в реакцию. Никто на открытие Кавендиша особого внимания не обратил. Но вот в 1882 году лорд Рэлей начал серию нудных опытов по измерению плотности газов. И все время у него получалось, что соотношение веса водорода и изучаемого газа немного меньше целочисленного. Физикам же, еще не подозревавшим о существовании изотопов, очень хотелось, чтобы оно было целочисленным. Желая найти источник ошибки, Рэлей решил получить чистый, не атмосферный, азот. Для этого он прогнал над раскаленной медью смесь аммиака с кислородом: аммиак разлагался, давая азот и воду. Такой азот оказался на полпроцента легче, нежели атмосферный. А в 1894 году Уильям Рамзай обнаружил, что азот поглощается раскаленным магнием. Он-то и решил выделить обнаруженную Рэлеем тяжелую примесь к азоту. Вскоре в руках Рамзая оказалось 40 мл газа, который не поглощался магнием. Измерения показали, что его молекулярный вес равен 40. Поскольку все известные на тот момент газы были двухатомными, получался атомный вес 20, что выглядело странно — тяжелее фтора, легче натрия. Одноатомный же газ был бы слишком тяжелым и никак не вписывался в Периодическую таблицу — такой элемент следовало поставить между двумя металлами — калием и кальцием. Поэтому возникла гипотеза, что Рамзай обнаружил трехатомный азот, благо 40 примерно в три раза больше, чем 14. Вот как Менделеев пишет об этом в «Дополнении к 5-й главе» шестого издания «Основ химии»: «Гипотеза А=40 вовсе не дает места аргону в периодической системе... Мне кажется более простым предположение, что аргон содержит N3, особенно потому, что аргон содержится в азоте...» Рэлей, огорченный неприятием его нового газа, больше химией не занимался и Нобелевскую премию получил в 1904 году по физике за исследование плотностей газов и открытие в связи с этим аргона. А Рамзай за открытие и исследование элементов нулевой группы получил в том же году премию по химии.

Почему аргон с весом 39,9 стоит в таблице перед калием, вес которого 39,1? У аргона есть три устойчивых изотопа с весами 36, 38 и 40. Во Вселенной больше легких изотопов, а аргона-40 очень мало. При этом аргона в планетарных туманностях и в веществе звезд много, он преобладает над такими распространенными на Земле элементами, как калий, кальций, фтор и хлор. А вот на нашей планете и самого-то аргона немного, и его легких изотопов ничтожно мало — видимо, они улетели на периферию Солнечной системы. Аргон-40 мы не унаследовали из протопланетного облака; он образуется здесь и сейчас — в результате радиоактивного превращения калия-40. Обычно у этого изотопа, обеспечивающего основную часть природного фона излучений, нейтрон становится протоном с испусканием позитрона, и получается следующий элемент — кальций-40. Но в каждом пятом случае происходит так называемый К-захват: электрон с нижней орбитали падает в ядро, один из протонов становится нейтроном с испусканием нейтрино, атом же уходит на предыдущую клетку Периодической системы. Именно из-за недостатка легких изотопов аргона на Земле его вес, измеренный химиками, оказался больше, чем у следующего за ним калия, представленного всеми изотопами.

Есть ли на Земле радиоактивный аргон? В природе радиоактивного аргона почти нет, поскольку самый долгоживущий — аргон-39 — имеет период полураспада 269 лет. Однако высокоактивный аргон-41 с периодом полураспада 1,85 часа непрерывно образуется в атомном реакторе, а при неисправностях в системе вентиляции может попасть и за его пределы. После запуска термоядерного реактора проблема усложнится. Согласно расчету Владимира Хрипунова из Курчатовского института (Fusion Engineering and Design, 2015, DOI:10.1016/j.fusengdes.2015.02.058), при массированной нейтронной бомбардировке — напомним, что именно за счет торможения нейтронов стенками токамака планируется снимать тепло, выделяющееся при термоядерном синтезе, — начнет образовываться аргон-39 в достаточном количестве, чтобы вызвать беспокойство за здоровье работников термоядерной станции.

Как аргоном измеряют время? Калий — один из самых распространенных элементов на Земле и других каменистых планетах, а период полураспад калия-40 — 1,3 млрд лет. Постоянно образующийся аргон-40 оказывается заключенным в любую горную породу, и его количество растет начиная со времени ее затвердевания. Соответственно по соотношению аргона-40 и калия-40 можно узнать, когда эта порода (как правило, речь идет о базальте) была извержена из недр планеты. Измерения проводят, бомбардируя аргон-40 потоком нейтронов: получается короткоживущий аргон-41, его распад легко заметить. Аргоном удается мерить время в масштабе от сотен миллионов до десятков тысяч лет, то есть когда углеродный метод работает уже неточно. За разработку метода профессор Э. К. Герлинг получил в 1963 году Ленинскую премию. В частности, аргоновым методом по возрасту окружающих камешков были датированы первые, найденные в Олдувейском ущелье в Кении, останки человека умелого Homo habilis, его возраст оказался 1,7 млн лет (см. «Химию и жизнь», 1967, №6). В числе последних достижений — новая датировка Деканских траппов (Journal of Asian Earth Sciences, 2014, 84, 9–23, DOI:10.1016/j.jseaes.2013.08.021), крупнейшего разлива лавы, занимающего треть Индостана с западной его стороны. Как оказалось, возраст наиболее объемных разливов статистически неотличим от даты катастрофы, погубившей динозавров. Падение же метеорита в районе Юкатана, создавшее кратер Чиксулуб, по новейшим данным произошло на 300 тысяч лет раньше массового вымирания. Вообще, деканская гипотеза давно конкурирует с чиксулубской.

В какие реакции вступает аргон? Не имея свободных электронов и потому будучи химически инертным, аргон образует химические соединения неохотно и в весьма экзотических условиях. Однако он формирует так называемые клатратные соединения: атом аргона может оказаться заключенным в полость, образованную какой-то молекулой, либо в кристаллической решетке другого вещества. Подобно ксенону, аргон способен образовывать и соединения с белками; в результате при повышенном давлении аргон-кислородная смесь вызывает потерю сознания — аргоновый наркоз.

Чем опасен аргон? При работе с установками, заполненными аргоном, следует соблюдать меры предосторожности: аргон — тяжелый газ, он скапливается во всевозможных углублениях, например колодцах, вытесняя оттуда кислород, то есть может создать атмосферу, непригодную для дыхания. Если рабочий, потеряв сознание, упадет в такое углубление, он задохнется. Материаловеды, работающие с аргоном, говорят: «Аргон дырочку найдет», а изготовители оборудования это обстоятельство учитывают. Рассказывают такой случай. На одном предприятии ставили новый шведский газостат. Это огромная установка высотой с пятиэтажный дом, в которой можно подвергать детали нагреву и высокому давлению для устранения внутренних полостей в металле, образующихся при изготовлении. Чтобы избежать окисления детали, газостат заполняют инертным газом — аргоном. Поскольку копать вниз проще, чем строить вверх, газостат хотели заглубить, но изготовители категорически это запретили именно потому, что вытекающий из установки аргон нигде не должен скапливаться. А вот на растения аргон влияет хорошо: в атмосфере из 98% аргона и 2% кислорода семена лука, моркови и салата прорастают вполне успешно.

Зачем заполняют аргоном стеклопакет? Для повышения звукоизоляции и снижения теплопроводности — у аргона выше модуль упругости и ниже теплопроводность, чем у воздуха. Правда, с учетом правила «аргон дырочку найдет», не ясно, как долго этот газ будет находиться внутри стеклопакета.

Как получают аргон? При разделении воздуха на кислород и азот в колоннах высокого давления. Летучесть аргона больше, чем у кислорода, и меньше, чем у азота, — его и забирают из верхней трети колонны. Отделяют аргон также из отхода производства аммиака — того азота, что не израсходовался на реакцию с водородом; он сам собой оказывается обогащенным аргоном.

Как аргон применяют в технике? Будучи самым распространенным инертным газом — все-таки третий по значимости компонент атмосферы Земли после азота и кислорода, — аргон очень востребован, прежде всего в качестве вещества, не способного к химическим реакциям. Заполнив установку или весь цех аргоном, можно не бояться, что нагретая металлическая деталь или заготовка окислится либо насытится азотом с последующим выделением нитридов. Склонны к окислению, например, молибден и вольфрам: многие могли наблюдать мгновенное превращение спирали лампы накаливания в синеватый порошок при попадании в нее воздуха. В среде аргона обрабатывают титан, тантал, ниобий, бериллий, гафний, цирконий, а также уран, торий и плутоний. Продувая аргон через сталь в конвертере, из нее удаляют газовые включения. Революцию в технике совершил метод аргонно-дуговой сварки: поток аргона, подаваемый в то место, где горит электрическая дуга, вытесняет воздух и не дает металлу окисляться — оксиды снижают прочность шва, а то и вовсе делают сварку материалов невозможной. Таким методом сваривают легированные стали и цветные металлы, режут их толстые листы. Еще одно серьезное направление — распыление всевозможных материалов для получения чистого от оксидов порошка.

Цех проката чистых тугоплавких металлов в атмосфере аргона («Химия и жизнь», 1968, №11) Цех проката чистых тугоплавких металлов в атмосфере аргона («Химия и жизнь», 1968, №11)

Что такое аргоновые кластеры? Пучки ионизированных кластеров — новый метод обработки поверхности до атомной гладкости. Его суть — бомбардировка не отдельными ионами (это называется «ионное травление»), а гораздо более тяжелыми частицами, состоящими из десятков, а то и тысяч атомов. Пучки аргоновых кластеров получили широкое распространение из-за инертности газа и его относительной дешевизны. Кластеры формируют, подавая газ под высоким давлением через узкое сопло. Проходя сквозь него, газовый поток резко расширяется и охлаждается; атомы аргона слипаются в твердое вещество, где их удерживают силы Ван-дер-Ваальса. Когда поверхность бомбардируют кластерами с высокой энергией, образуются кратеры размером в нанометры; такой будет и гладкость всей поверхности. Повторяя сканирование пучком менее энергичных кластеров, гладкость увеличивают. Таким методом обрабатывают полупроводники, тонкие пленки, поверхность дисков для компьютеров и многое другое. Кластерными пучками можно и создавать наноузоры на поверхностях. Они же позволяют, не нагревая образец, проводить послойное изучение его состава, постепенно забираясь все глубже и глубже; этот метод применяют для анализа строения органических веществ.

Как аргон работает в нанотехнологиях? Аргоновая плазма либо добавка аргона к плазме другого газа — важнейший метод получения всяческих наноструктур: сферических наночастиц, нанолезвий, наноигл. Суть плазменного метода состоит в том, что разделенное на ионы и электроны вещество обладает способностью активировать химические реакции и даже делает возможными те, что в нормальных условиях запрещены термодинамически. Аргон — прекрасный активатор: сам в реакцию не вмешивается, а продукты реакции либо конденсируются в равноосные частицы, либо оседают на поверхности, давая неравноосные структуры. Он же может служить разбавителем плазмы другого, реакционного газа — таким способом меняют параметры процесса. Наконец, высокотемпературную плазму аргона применяют для распыления металлической мишени и получения из нее нанопорошков с частицами заданного размера. Другие инертные газы — неон, ксенон — дают свои размеры. Применяют аргон и как охладитель: он выдувает порошок из зоны плазмы, что опять же позволяет регулировать размер частиц, поскольку тот зависит от времени нахождения материала в зоне плазмы.

Кому нужна пена с аргоном? С помощью аргона можно делать пористые шаблоны из желатина для последующего их заселения клетками при выращивании искусственных органов. Преимущество аргона здесь очевидно — его химическая инертность.

Что такое аргоновый лазер? В этом лазере, изобретенном в 1964 году, генератором света служит трубка, заполненная аргоном. Электроды создают в ней плазму с большой плотностью ионов аргона, а катушка, обмотанная вокруг трубки, формирует магнитное поле, еще больше увеличивающее плотность плазмы. Этот лазер дешевле твердотельных аналогов, дает мощное — 20–30 ватт — излучение в сине-зеленой части спектра, причем его цвет можно переключать между 14-ю спектральными линиями. Такие лазеры применяют для накачки других лазеров, для световых шоу, а также для стимулирования флуоресценции при химическом анализе сложных органических веществ. С его помощью, например, находят следы РНК в количестве пикограмм, то есть столько, сколько есть в одной клетке (Electrophoresis, 2015, DOI:10.1002/elps.201500117). Применяют аргоновый лазер и при лечении слепоты, вызванной диабетом, — она появляется из-за чрезмерного развития кровеносных сосудов в глазу, а лазером их можно безболезненно проредить.

Как аргоном проводят стерилизацию? Для уничтожения бактерий используют холодную аргоновую плазму. В такой плазме есть горячие электроны, а температура ионов равна комнатной, то есть она не может обжечь, но сохраняет способность активировать реакции. Реакции же эти зависят и от способа получения плазмы (от температуры ее электронов), и от добавок других газов. Например, облучение клеток млекопитающих в физиологическом растворе чистым или влажным аргоном давало прежде всего гидроксил-радикал, который угнетал развитие клеток. А вот плазма из аргона с добавками 1% кислорода или 1% воздуха давала, скорее всего, атомарный кислород. Реагируя с хлорид-ионом, он порождал радикалы Cl2 или ClO, убийственно действующие на клетки, причем никакие ферменты-антиоксиданты вроде супероксиддисмутазы с ними справиться не могли. Время жизни таких радикалов оказалось на уровне получаса (Biointerphases, 2015, 10, 2: 029518; DOI:10.1116/1.4919710). Итог понятен: аргоновой плазмой можно проводить «холодную» дезинфекцию. Так, кишечную палочку на образце удается извести за 10 минут (Applied Biochemistry & Biotechnology, 2013, 171, 7; DOI:10.1007/s12010-013-0430-9), а с добавкой 0,5% кислорода — уже за 30 секунд (International Journal of Radiation Biology, 2009, 85, 4; DOI:10.1080/09553000902781105). Вообще, холодная плазма из различных газов очищает поверхность мяса, птицы, овощей, фруктов от таких микробов, как кишечная палочка, листерия, сальмонелла, золотистый стафилококк, за считаные секунды. И никакой антимикробной «химии», пугающей потребителя. Однако технология эта новая, оборудование не стандартизировано, каждый генератор дает свою плазму, и результаты опытов сравнивать трудно. Также неизвестно, как такая обработка повлияет на качество пищи при ее массовой обработке (Annual Review of Food Science & Technology. 2012, 3, 125-42; DOI:10.1146/annurev-food-022811-101132).

Плазменная щетка в действии и разрушенные ею бактерии (<i>на фото внизу</i>). Из статьи Бо Ян и др. Oral Bacterial Deactivation Using a Low-Temperature Atmospheric Argon Plasma Brush, <i>Journal of Dentistry</i>, 2011, 39, 1.

Как аргон применяют в медицине? Разными способами. Например, плазма может пригодиться для той же дезинфекции ран, хотя в случае с трофическими язвами результаты вышли неоднозначными: вроде бы число бактерий уменьшалось не так быстро, как при применении лекарства, однако язвы заживали с той же скоростью. Возможно, дело в том, что плазмой можно обрабатывать язвы меньшего размера и они заживают быстрее (Journal of Wound Care, 201, 24, 5; DOI:10.12968/jowc.2015.24.5.196). Плазменное лечение не вызывает таких побочных действий, как лекарственные средства, поэтому авторы рекомендуют продолжить исследования с разными источниками плазмы, тем более что устойчивости к ней не может развиться по определению, чего о лекарствах не скажешь.

С помощью специально придуманной плазменной щетки удается уничтожать и бактерии, вызывающие кариес. Но здесь есть нюансы. Так, основными вредителями зубов считаются Streptococcus mutans и Lactobacillus acidophilus, которые образуют на эмали бактериальные маты и выделяют много кислоты. У стрептококка клетки маленькие, и они разрушаются всего за 13 секунд. А у лактобактерии — большие, образующие толстые слои, и, чтобы избавиться от них, нужны уже минуты (Journal of Dentistry, 2011, 39, 1; DOI:10.1016/j.jdent.2010.10.002). Вряд ли такая щетка появится в быту, а вот стоматологу для дезинфекции свежеобработанного дупла пригодится. К тому же плазма изменяет поверхность вещества зуба, что увеличивает прочность ее соединения с пломбой на 60%. Тут главное — не перестараться: эффект дает обработка в течение 30 секунд, а несколько минут, наоборот, ухудшают сцепление (European Journal of Oral Science. 2010, 118, 5; DOI:10.1111/j.1600-0722.2010.00761). Аргоновой плазмой можно быстро остановить кровь при внутреннем кровотечении. Вдыхание аргона защищает нейроны, пострадавшие от ишемического удара или вследствие травмы (PLoS One, 2014, 9, 12:e115984, DOI:10.1371/journal.pone.0115984).

Бактерии Цех проката чистых тугоплавких металлов в атмосфере аргона («Химия и жизнь», 1968, №11)

Как работает аргоновая криохирургия? Криохирургия — это уничтожение больных тканей в результате их быстрого замораживания. Ее применяют по самым разным показаниям, от сведения бородавок и сглаживания шрамов до удаления опухолей. Если бородавки замораживают снаружи ваткой, смоченной в жидком азоте, то шрамы и опухоли — изнутри, вводя в них полую иглу — криозонд, через которую прокачивают холодное вещество. Используют еще и криоаппликаторы — их на замораживаемый объект накладывают. Установка с жидким азотом — гораздо проще и дешевле, но в ней применяют толстые, диаметром 6 мм, зонды. Аргоновая же устроена гораздо сложнее, требует высокой квалификации персонала, в частности специальных знаний по работе с высоким давлением, но позволяет очень точно замораживать ткань: диаметр иглы может быть величиной с миллиметр, такая игла легко проходит сквозь кожу. Заморозку проводят газообразным аргоном. Газ хранят под давлением 400 атмосфер, а, проходя через узкое сопло и затем резко расширяясь, он вследствие эффекта Джоуля—Томсона охлаждает до –140°С. Если термодатчики, воткнутые рядом с местом заморозки, показывают, что температура слишком упала и могут пострадать здоровые ткани, в зонд подают гелий, который отогревает замерзшую ткань. Так можно проводить циклы контролируемого замораживания-размораживания, что увеличивает эффективность процедуры, да и примерзший криозонд проще извлекать.

Стент из нитинола легко расширяет просвет сосуда

Как аргоновый резак используют хирурги? С помощью аргонового плазменного резака можно проводить удивительные по виртуозности операции — подрезать стенты, вставленные в кишечник, или тонкие протоки пищеварительной системы, например те, что доставляют желчь и секрет поджелудочной железы. В силу разных причин (опухоль, камни и подобное) проток может перекрыться. Для лечения туда вставляют трубочку — стент, например, из интерметаллида NiTi — нитинола. Изначально ее диаметр невелик, а попав на место и нагревшись, изделие, в силу эффекта памяти формы нитинола, увеличивается в размере и расширяет просвет сосуда. Однако может получиться так, что размер стента выбран неверно либо со временем из-за изменений в организме становится неподходящим. Кроме того, стент может зарасти или сдвинуться с места и так перекрыть канал, что к нему не подберешься с тем эндоскопом, которым этот стент размещали. Тогда вводят плазменный резак мощностью в несколько десятков ватт и подрезают стент. Во многих случаях эта операция проходит вполне успешно, никаких повреждений сосудов и кровотечения не вызывает (а если и вызовет, той же плазмой можно остановить кровь), но для самочувствия пациента она гораздо лучше, нежели изъятие старого стента и установка нового (Endoscopy, 2005, 37, 5,434–438). Это важно, поскольку возраст пациента может быть преклонным.

Аргон

Общие сведения об открытиях благородных газов

 К благородным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. По своим свойствам они не похожи ни на какие другие элементы и в периодической системе располагаются между типичными металлами и неметаллами.

История открытия инертных газов представляет большой интерес: во-первых, как триумф введённых Ломоносовым количественных методов химии(открытие аргона), а во-вторых, как триумф теоретического предвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегося на величайшее обобщение химии – периодический закон Менделеева.

Открытие физиком Рэлеем и химиком Рамзаем первого благородного газа – аргона – произошло в то время, когда построение периодической системы казалось завершённым и в ней оставалось лишь несколько пустых клеток.

Ещё 1785 году английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось.

Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин...

Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически. “Воздух при помощи раскалённой меди был лишён своего кислорода и затем нагрет с кусочками магния в трубочке. После того как значительное количество азота было поглощено магнием, была определена плотность остатка. Плотность оказалась в 15 раз больше плотности водорода, тогда как плотность азота только в 14 раз больше её. Эта плотность возрастала ещё по мере дальнейшего поглощения азота, пока не достигла 18. Этим было доказано, что воздух содержит газ, плотность которого больше плотности азота… Я получил 100 см3 этого вещества и нашёл его плотность равной 19,9. Оно оказалось одноатомным газом.” Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную - почти процент! Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный».

Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «гелиос», что означает солнце. В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

После этого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существует целая группа химических элементов, которая располагается в периодической системе между щелочными металлами и галогенами. Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, было определено количество неизвестных благородных газов и их свойства, в частности их атомные массы. Это позволило осуществить и целенаправленные поиски благородных газов.

Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем—теперь мы это знаем—новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались. Затем исследователи обратились к воздуху.

Всего за четыре последующих года было открыто четыре новых элемента, при этом  неон, криптон и ксенон были выделены из воздуха.

Воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начинали медленно испарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Затем, полученные фракции исследовали. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли «кто есть кто».

Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубке огненную окраску. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр только что полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевший стать «болельщиком» отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул: «new one!» Так возникло название газа «неон», по-древнегречески значит «новый».

После того как были открыты гелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что четвёртый, пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и неудивительно: в 1 м3 воздуха 9, 3 л аргона и всего лишь 0, 08 мл ксенона. Но к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон (“скрытый”). Однако после откачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой. Характерные спектральные линии — визитная карточка элемента. У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»: в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком. В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух — практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый — потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.  

Заслуга открытия высшего представителя инертных газов принадлежит тому же Рамзаю. При помощи весьма тонких технических приёмов он доказал, что радиоактивное истечение из радия – эманация радия – представляет собой газ, подчиняющийся всем законам обычных газов, химически инертный и обладающий характерным спектром. Его молекулярный вес – около 220 – был Рамзаем измерен по скорости диффузии. Если предположить, что ядро атома эманации радия – это остаток ядра радия после выбрасывания из него ядра атома гелия - a-частицы, то заряд его должен быть равен 88-2=86, т.е. новый элемент должен действительно быть  инертным газом с атомным весом 226-4=222.

Таким образом, после блестящих экспериментов 16 марта 1900 г. в Лондоне произошла встреча Менделеева и Рамзая, на которой было официально решено включить в периодическую систему новую группу химических элементов.

 

Аргон

 

История открытия Аргона

В 1785 г. английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснить не удалось.

Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин...

Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертного химически.

Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да еще такую заметную – почти процент!

Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 г., аргон и получил свое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный». Его предложил председательствовавший на собрании доктор Медан.

Между тем нет ничего удивительного в том, что аргон так долго ускользал от ученых. Ведь в природе он себя решительно ничем не проявлял! Напрашивается параллель с ядерной энергией: говоря о трудностях ее выявления, А. Эйнштейн заметил, что нелегко распознать богача, если он не тратит своих денег...

Скепсис ученых был быстро развеян экспериментальной проверкой и установлением физических констант аргона. Но не обошлось без моральных издержек: расстроенный нападками коллег (главным образом химиков) Рэлей оставил изучение аргона и химию вообще и сосредоточил свои интересы на физических проблемах. Большой ученый, он и в физике достиг выдающихся результатов, за что в 1904 г. был удостоен Нобелевской премии. Тогда в Стокгольме он вновь встретился с Рамзаем, который в тот же день получал Нобелевскую премию за открытие и исследование благородных газов, в том числе и аргона.

Обобщение истории открытия 

Аргон был открыт как инертный газ в атмосфере в 1894 Дж.Рэлеем, который обнаружил, что атмосферный азот на 0,5% тяжелее, чем полученный химическим путем. Разница объяснялась присутствием ничтожного количества более тяжелых инертных газов, преимущественно аргона. Этот элемент был первым из инертных газов, обнаруженных в природе на нашей планете. Содержание аргона в атмосфере составляет 0,93%(об.), причем его несколько больше над поверхностью больших водоемов, чем над сушей, так как азот и кислород более растворимы в воде. В электротехнической промышленности ежемесячно расходуется несколько тысяч кубических метров аргона для создания инертной среды в лампах накаливания: аргоновая среда позволяет снизить скорость испарения вольфрамовой нити и предотвращает ее окисление.

 

Строение Аргона

Ar 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6  

10 электронов

18 протонов

22 нейтрона

Физические свойства

Общие свойства инертных газов

Все благородные газы– бесцветные одноатомные газ без цвета и запаха

обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятсяНасыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.

 

Из подгруппы тяжелых инертных газов аргон самый легкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при – 185,9°C, затвердевает при – 189,4°C (в условиях нормального давления). В отличие от гелия и неона, он довольно хорошо адсорбируется на поверхностях твердых тел и растворяется в воде (3,29 см3 в 100 г воды при 20°C). Еще лучше растворяется аргон во многих органических жидкостях. Зато он практически нерастворим в металлах и не диффундирует сквозь них.

Как все инертные газы, аргон диамагнитен. Это значит, что его магнитная восприимчивость отрицательна, он оказывает большее противодействие магнитным силовым линиям, чем пустота. Это свойство аргона (как и многие другие) объясняется «замкнутостью» электронных оболочек его атомов.

Под действием электрического тока аргон ярко светится, сине-голубое свечение аргона широко используется в светотехнике.

Теперь о влиянии аргона на живой организм. При вдыхании смеси из 69% Ar, 11% азота и 20% кислорода под давлением 4 атм возникают явления наркоза, которые выражены гораздо сильнее, чем при вдыхании воздуха под тем же давлением. Наркоз мгновенно исчезает после прекращения подачи аргона. Причина – в неполярности молекул аргона, повышенное же давление усиливает растворимость аргона в нервных тканях.

Биологи нашли, что аргон благоприятствует росту растений. Даже в атмосфере чистого аргона семена риса, кукурузы, огурцов и ржи выкинули ростки. Лук, морковь и салат хорошо прорастают в атмосфере, состоящей из 98% аргона и только 2% кислорода.

Химические свойства

Химическая инертность аргона (как и других газов этой группы) и одноатомность его молекул объясняются прежде всего предельной насыщенностью электронных оболочек. Тем не менее разговор о химии аргона сегодня не беспредметен.

Есть основания считать, что исключительно нестойкое соединение Hg – Ar, образующееся в электрическом разряде, – это подлинно химическое (валентное) соединение. Не исключено, что будут получены валентные соединения аргона с фтором и кислородом, которые, скорее всего, будут неустойчивыми, Как нестойки и даже взрывоопасны окислы ксенона – газа, более тяжелого и явно более склонного к химическим реакциям, чем аргон.

Еще в конце прошлого века француз Вийяр, сжимая аргон под водой при 0°C, получил кристаллогидрат состава Аr · 6Н2О, а в 20...30-х годах XX столетия Б.А. Никитиным, Р.А. Франкраном и другими исследователями при повышенных давлениях и низких температурах были получены кристаллические клатратные соединения аргона с H2S, SO2, галогеноводородами, фенолами и некоторыми другими веществами. В 1976 г. появилось сообщение о синтезе гидрида аргона, но пока еще трудно сказать, является ли этот гидрид истинно химическим, валентным соединением.

Вот пока и все успехи химии...

 Аргон на Земле и во Вселенной

На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 раз больше, чем неона. Есть аргон и в воде, до 0,3 см3 в литре морской и до 0,55 см3 в литре пресной воды. Любопытно, что в воздухе плавательного пузыря рыб аргона находят больше, чем в атмосферном воздухе. Это потому, что в воде аргон растворим лучше, чем азот...

Главное «хранилище» земного аргона – атмосфера. Его в ней (по весу) 1,286%, причем 99,6% атмосферного аргона – это самый тяжелый изотоп – аргон-40. Еще больше доля этого изотопа в аргоне земной коры. Между тем у подавляющего большинства легких элементов картина обратная – преобладают легкие изотопы.

Причина этой аномалии обнаружена в 1943 г. В земной коре находится мощный источник аргона-40 – радиоактивный изотоп калия 40К. Этого изотопа на первый взгляд в недрах немного – всего 0,0119% от общего содержания калия. Однако абсолютное количество калия-40 велико, поскольку калий – один из самых распространенных на нашей планете элементов. В каждой тонне изверженных пород 3,1 г калия-40.

Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идет одновременно двумя путями. Примерно 88% калия-40 подвергается бета распаду и превращается в кальций-40. Но в 12 случаях из 100 (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот, захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты («К-захват»). Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре и излучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а масса ядра остается практически неизменной. Так калий превращается в аргон.

Период полураспада 40К достаточно велик – 1,3 млрд лет. Поэтому процесс образования 40Аr в недрах Земли будет продолжаться еще долго, очень долго. Поэтому, хотя и чрезвычайно медленно, но неуклонно будет возрастать содержание аргона в земной коре и атмосфере, куда аргон «выдыхается» литосферой в результате вулканических процессов, выветривания и перекристаллизации горных пород, а также водными источниками.

Правда, за время существования Земли запас радиоактивного калия основательно истощился – он стал в 10 раз меньше (если возраст Земли считать равным 4,5 млрд лет.).

Соотношение изотопов 40Аr: 40К и 40Ar: 36Аr в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надежным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов. За разработку этого метода профессор Э.К. Герлинг в 1963 году удостоен Ленинской премии.

Итак, весь или почти весь аргон-40 произошел на Земле от калия-40. Поэтому тяжелый изотоп и доминирует в земном аргоне.

Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу ее построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали легкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две-три единицы меньше...

Теперь о легких изотопах.

Откуда берутся 36Аr и 38Аr? Не исключено, что какая-то часть этих атомов реликтового происхождения, т.е. часть легкого аргона пришла в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и ее атмосферы. Но большая часть легких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов.

Вероятно, еще не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы-«родители», но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 и аргон-38. Это бета-распад хлора-36, обстрел альфа-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:

3617Cl β→ 3618Ar + 0–1e + ν.

3316S + 42

Airgas

Что такое аргон?

Аргон (Ar) - это инертный газ без цвета, запаха, вкуса, без коррозии, негорючий и нетоксичный газ.

Приобрести высококачественный аргон различной чистоты

С непревзойденной национальной площадью и надежной инфраструктурой, мы предлагаем непревзойденные поставки и гибкие способы доставки для всех ваших потребностей Argon.

Мы предлагаем сжатый и жидкий аргон различных марок, предназначенных для различных областей применения, таких как:
• Защитный газ для сварки или производства химически активных металлов
• Атмосфера для электронного производства
• Газ-носитель для хроматографии
• Заполняющий газ для специализированных лампы
• Атмосфера для выращивания кристаллов кремния или германия
• Атомная абсорбция в графитовой печи

Загрузите паспорта безопасности для получения дополнительной информации об аргоне и жидком аргоне от Airgas сегодня.

Промышленное применение

Производство и изготовление металлоконструкций
Аргон - защитный газ для сварки, который повышает стабильность дуги и предотвращает загрязнение сварочных ванн в атмосфере. Аргон необходим для газовой вольфрамовой дуговой сварки (GTAW). Это также предотвращает окисление при производстве металла.

Aerospace & Defense
Аргон имеет жизненно важное значение для сварки специальных сплавов и для различных сварочных применений. Это важно для производства лазеров и лампочек.В применениях для термообработки аргон используется для создания инертных сред, свободных от кислорода и азота.

Напитки
Более плотный, чем воздух, аргон используется для заполнения вином и удаления кислорода из емкостей.

Fleet-based Commercial Services
Используемый в приложениях MRO, аргон является жизненно важным газом для сварки автомобильных деталей и строжки плазменной дуги.

Режимы поставки

Баллоны высокого давления и жидкости / дюары
Airgas постоянно удовлетворяет потребности в поставках сжатого аргона и баллонов с жидкостью аргона.

MicroBulk
Когда клиенты разрабатывают баллоны, Airgas MicroBulk Services предлагает решения для подачи газа, которые экономят время и место для хранения. Airgas MicroBulk Services может помочь клиентам сэкономить деньги за счет сокращения использования газа и газовых отходов.

Массовая поставка
Мы обеспечиваем постоянное снабжение наших клиентов распределительной инфраструктурой, в которую входят 16 воздухоразделительных установок, более 60 специалистов по насыпному газу и более 14 500 насыпных танков.

,

фактов об аргоне | Живая наука

Аргон - это инертный, бесцветный элемент без запаха - один из благородных газов. Используемый в люминесцентных лампах и при сварке, этот элемент получил свое название от греческого слова «ленивый», как дань уважения к тому, как мало он реагирует на образование соединений.

На Земле абсолютное большинство аргона - это изотоп аргон-40, который возникает в результате радиоактивного распада калия-40, согласно Chemicool. Но в космосе аргон образуется в звездах, когда два ядра водорода или альфа-частицы сливаются с кремнием-32.В результате получается изотоп аргон-36. (Изотопы элемента имеют различное число нейтронов в ядре.)

Хотя инертный, аргон далеко не редок; по данным Королевского химического общества (RSC), оно составляет 0,94 процента атмосферы Земли. По расчетам Chemicool, это переводится в 65 триллионов метрических тонн - и это количество со временем увеличивается по мере распада калия-40.

Только факты

По данным Национальной лаборатории линейных ускорителей им. Джефферсона, свойства аргона:

  • Атомный номер (число протонов в ядре): 18
  • Атомный символ (в периодической таблице элементов) : Ar
  • Атомный вес (средняя масса атома): 39.948
  • Плотность: 0,0017837 грамм на кубический сантиметр
  • Фаза при комнатной температуре: Газ
  • Точка плавления: минус 308,83 градуса по Фаренгейту (минус 189,35 градусов по Цельсию)
  • Точка кипения: минус 302,53 F (минус 185,85 C)
  • Количество изотопы (атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов): 25; 3 стабильных
  • Наиболее распространенные изотопы: Ar-40 (естественное содержание 99,6035%), Ar-40 (естественное содержание 0,0629%), Ar-36 (естественное содержание 0,3336%)

Используется для инертного газа

Первый совет Существование аргона произошло в 1785 году, когда британский ученый Генри Кавендиш сообщил о, казалось бы, инертной части воздуха, сообщает RSC.Кавендиш не смог понять, что это за таинственный 1 процент; открытие произошло более столетия спустя, в 1894 году. Работая одновременно и общаясь с лордом Рэлеем (Джон Уильям Струтт), шотландский химик Уильям Рэмси выявил и описал таинственный газ. Эти двое разделили Нобелевскую премию по химии в 1904 году за открытие. Аргон привел и к другим моментам Эврики для Рамси. Исследуя элемент, он также обнаружил гелий, согласно организации Нобелевской премии.Понимая, что связанные элементы, вероятно, существуют, он быстро обнаружил неон, криптон и ксенон.

Поскольку аргон инертен, он используется в промышленных процессах, которые требуют нереакционноспособной атмосферы. Примеры, согласно газоснабжающей компании Praxair, включают сварку специальных сплавов и производство полупроводниковых пластин. Аргон также является хорошим изолятором, поэтому его часто перекачивают в гидрокостюмы для глубоководных погружений, чтобы согреть дайвера.

Еще одно применение аргона - сохранение истории.Газ закачивается вокруг важных документов, таких как карта мира, датируемая 1507 годом в Библиотеке Конгресса, и копия Великой хартии вольностей, хранящейся в Национальном архиве США. В отличие от реактивного кислорода, аргон не разлагает бумагу или чернила на деликатных документах.

(Фото предоставлено: Грег Робсон / Creative Commons, Андрей Маринкас Шуттерсток)

Кто знал?

  • Неоновые огни, светящиеся синим цветом, на самом деле содержат аргон, согласно Биллу Конканнону, художнику по неоновым знакам в Крокетте, штат Калифорния.(Сам неон излучает оранжево-красное свечение.)
  • Аргон также используется в лазерной технике, включая эксимерный лазер на фториде аргона (ArF), используемый для операций LASIK или PRK, которые корректируют зрение. В 1981 году IBM Rangaswamy "Sri" Srinivasan проверила один из этих лазеров на оставшейся кости индейки благодарения и обнаружила его потенциал в качестве хирургического инструмента для деликатных операций, согласно Оптическому обществу.
  • В сентябре 2014 года исследователи обнаружили, что загрязненные подземные воды в Пенсильвании и Техасе были получены не методом извлечения нефти, известным как гидроразрыв пласта, а из утечек из скважин.Они сделали это открытие, введя аргон и другие индикаторы благородного газа в скважины, где они смешались с метаном.
  • Аргон претерпел некоторые изменения: в 1957 году Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) изменил свой атомный символ с «А» на сегодняшний «А».

Текущие исследования

В течение многих лет ксенон благородного газа исследовался в качестве лечения травм головного мозга. Ксенон, однако, является дорогостоящим, что заставляет исследователей обратиться к его кузену из благородного газа, аргону, в качестве потенциальной альтернативы.

Область исследований еще молодая, но эксперименты на клеточных культурах и на животных показывают, что когда-нибудь аргон можно будет использовать для ограничения повреждения головного мозга после травматических повреждений или недостатка кислорода. Один обзор, опубликованный в журнале Medical Gas Research в феврале 2014 года, показал, что в большинстве случаев лечение аргоном снижает гибель клеток головного мозга в значительных количествах - от 15 до 25 процентов, говорит Дерек Новранги, один из авторов статьи и докторант в Loma Linda. Университетская медицинская школа в Калифорнии.

Никто еще не понимает, почему аргон имеет такой эффект. Клетки мозга связываются с использованием химических веществ, называемых нейротрансмиттерами, и с нейрорецепторами, которые соединяются друг с другом, как замок и ключ. Скорее всего, Новранги сообщил Live Science, что газ действует на эти нейрорецепторы, в частности, на рецептор NMDA (который обозначает N-метил-D-аспартат для получаемого им нейромедиатора) или рецептор ГАМК (который обозначает гамма-аминомасляную кислоту). Каким-то образом, когда они поглощаются этими рецепторами, аргон, по-видимому, препятствует саморазрушению клеток в ответ на повреждение мозга.

В ходе исследований газообразный аргон либо непосредственно наносится на клетки в культуральной чашке, находящейся в состоянии стресса, например в среде, лишенной кислорода и глюкозы, либо смешивается с кислородом в лицевой маске для исследований на животных. Затем исследователи количественно определяют количество клеток, погибших при обработке аргоном и без нее.

По мере развития исследований по аргону, более вероятно, что испытания на людях начнутся, сказал Новранги. Но есть предостережения: некоторые исследования находят смешанные результаты или отрицательные последствия для лечения аргоном.В одном из них, сказал Новранги, мозг в целом казался защищенным аргоном, но повреждение одной области фактически увеличилось при обработке газа. Это может быть из-за того, что аргон не проник в эту область, или из-за того, что разные области мозга имеют разные типы клеток и плотность клеток.

«Это все еще требует большого количества исследований, чтобы реально перевести в клинику», - сказал Новранги.

Follow Live Science @livescience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

,
Аргон (Ar) - Химические свойства, здоровье и окружающая среда


Аргон

Аргон предположительно присутствовал в воздухе Генри Кавендишем в 1785 году, но не был обнаружен до 1894 года лордом Рэлеем и сэром Уильямом Рамсей.

Аргон является третьим благородным газом, в период 8, и он составляет около 1% атмосферы Земли.

Аргон обладает примерно такой же растворимостью, что и кислород, и в 2,5 раза растворим в воде, чем азот. Этот химически инертный элемент не имеет цвета и запаха как в жидкой, так и в газообразной форме.Не найдено ни в одном соединении.

Этот газ выделяется путем фракционирования жидкого воздуха, поскольку в атмосфере содержится только 0,94% аргона. Марсианская атмосфера, напротив, содержит 1,6% Ar-40 и 5 промилле Ar-36. Мировое производство превышает 750 000 тонн в год, поставки практически неисчерпаемы.

Применения

Аргон не реагирует с нитью накала в лампочке даже при высоких температурах, поэтому используется в освещении и в других случаях, когда двухатомный азот является неподходящим (полу) инертным газом.
Аргон особенно важен для металлургической промышленности и используется в качестве защитного экрана для инертного газа при дуговой сварке и резке. Другое использование включает нереакционноспособное защитное покрытие при изготовлении титана и других реактивных элементов и в качестве защитной атмосферы для выращивания кристаллов кремния и германия. Аргон-39 был использован для ряда применений, в первую очередь, керна льда. Это также использовалось для датирования грунтовых вод. Аргон также используется в технических погружениях с аквалангом для раздувания сухого костюма из-за его нереактивного теплоизолирующего эффекта.
Аргон как зазор между стеклами обеспечивает лучшую изоляцию, потому что он является более плохим проводником тепла, чем обычный воздух. Самое экзотическое использование аргона в шинах роскошных автомобилей.

Аргон в окружающей среде

В атмосфере Земли Ar-39 создается активностью космических лучей, главным образом с Ar-40. В подповерхностной среде он также производится путем захвата нейтронов с помощью K-39 или альфа-излучения кальция. Аргон-37 получается из распада кальция-40, в результате подземных ядерных взрывов.Период полураспада составляет 35 дней.

Аргон присутствует в некоторых минералах калия из-за радиационного распада изотопа калия-40

Пути воздействия: Вещество может всасываться в организм при вдыхании.

Риск вдыхания: При потере герметичности эта жидкость очень быстро испаряется, вызывая перенасыщение воздуха с серьезным риском удушья в закрытых помещениях.

Последствия воздействия: Вдыхание: Головокружение.Тупость. Головная боль. Удушье. Кожа: при контакте с жидкостью: обморожение. Глаза: при контакте с жидкостью: обморожение.

Вдыхание: Этот газ инертен и классифицируется как простой удушающий агент. Вдыхание в чрезмерных концентрациях может привести к головокружению, тошноте, рвоте, потере сознания и смерти. Смерть может произойти из-за ошибок в суждении, замешательства или потери сознания, которые мешают спасению себя. При низких концентрациях кислорода потеря сознания и смерть могут наступить в считанные секунды без предупреждения.

Эффект простых удушающих газов пропорционален степени, в которой они уменьшают количество (парциальное давление) кислорода в вдыхаемом воздухе. Кислород может быть уменьшен до 75% от его нормального процента в воздухе до появления заметных симптомов. Это, в свою очередь, требует присутствия простого удушающего вещества в концентрации 33% в смеси воздуха и газа. Когда концентрация простого удушающего вещества достигает 50%, могут возникнуть выраженные симптомы. Концентрация 75% смертельна в течение нескольких минут.

Симптомы: Первыми симптомами, вызываемыми простым удушающим средством, являются учащенное дыхание и чувство голода в воздухе. Умственная активность снижена, а мышечная координация нарушена. Позже суждение становится ошибочным, и все ощущения подавлены. Часто возникает эмоциональная нестабильность и быстро возникает усталость. По мере прогрессирования асфиксии могут возникать тошнота и рвота, прострация и потеря сознания, и, наконец, судороги, глубокая кома и смерть.

Неизвестно никакого экологического ущерба от аргона.

Неблагоприятных последствий для окружающей среды не ожидается. Газ аргон встречается в природе в окружающей среде. Газ будет быстро рассеиваться в хорошо проветриваемых помещениях.

Воздействие аргона на растения или животных в настоящее время не известно. Не ожидается вреда для водной жизни.

Аргон не содержит озоноразрушающих химикатов и не указан в качестве морского загрязнителя DOT (Министерство транспорта, США).

Теперь загляните на нашу страницу об аргоне в воде.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *