Газ аргон – химические свойства и сфера применения

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.

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»

Кристаллическая решётка аргона:

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 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.

Аргон: факты и фактики

А. Мотыляев «Химия и жизнь» №7, 2015

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 а, 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 (на фото внизу

). Из статьи Бо Ян и др. Oral Bacterial Deactivation Using a Low-Temperature Atmospheric Argon Plasma Brush,
Journal of Dentistry
, 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).

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.

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 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 аргона

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.

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.

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.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с аргоном достаточно много. Стоит начать с того, что аргон с 2014 года запрещен к применению международной антидопинговой компанией. Недостаток кислорода при вдыхании, вероятно, активирует образование собственного эритропоэтина организма(ЭПО). Так же стоит отметить, что аргон под давлением около 24 бар может оказывать обезбаливающее действие. Интересным моментом является то, что запасы аргона в атмосфере пополняются на Земле за счет солнечных лучей, а в земной коре за счет подземных ядерных взрывов.

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.

Способы получения аргона

В значительном объеме газ содержится в воздухе. Поэтому его выделяют из воздушной массы с помощью низкотемпературных ректификационных установок. Этот процесс протекает в несколько этапов:

1. Воздух очищают от пылевых частиц, сжимают до получения жидкости.
2. В жидком виде воздух из азота, кислорода, аргона ректифицируют.
3. Отделив азот, смесь кислорода и аргона подвергают очистке, используя электролитический водород.

В ректификационной установке инертный газ кипит при −185,3˚С, кислород — на три градуса выше, азот — на тринадцать ниже.

Аргон также получают в процессах производства как побочный продукт. Его извлекают, производя аммиак. В данном случае Ar смешан с азотом и не представляет ценности, стоит намного дешевле криогенного аргона.

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 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 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).

Технические требования

По физико-химическим показателям газообразный и жидкий аргон должен соответствовать нормам по ГОСТ 10157:

Гарантийный срок хранения газообразного аргона — 18 мес. со дня изготовления.

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 аргоном

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 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.

Требования безопасности

Аргон нетоксичен и невзрывоопасен, однако представляет опасность для жизни: при его вдыхании человек мгновенно теряет сознание от удушья, и через несколько минут может наступить смерть. Для обеспечения безопасности работающих, аппаратура и оборудование должны быть герметичны, производственные помещения обеспечены вентиляцией. Газообразный аргон тяжелее воздуха и может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования, предназначенного для получения, хранения и транспортирования газообразного и жидкого аргона. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что приводит к кислородной недостаточности, а при значительном понижении содержания кислорода — к удушью, потере сознания и смерти человека. В местах возможного накопления газообразного аргона необходимо контролировать содержание кислорода в воздухе (объемная доля кислорода в воздухе должна быть не менее 19%). Жидкий аргон — низкокипящая жидкость, которая может вызвать обмораживание кожи и поражение слизистой оболочки глаз. При отборе проб и анализе жидкого аргона необходимо работать в защитных очках.

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.

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

Первая помощь

При обнаружении у работников симптомов длительного воздействия небольших концентраций азота необходимо вывести пострадавшего на открытый воздух, обеспечить покой и обильное теплое сладкое питье. При признаках воздействия аргона в больших концентрациях (потеря сознания, хрип) выполняют следующие действия:

1. Пострадавшего выносят на свежий воздух.
2. Снимают тесную одежду, расстегивают воротник и брючный ремень.
3. Выполняют искусственное дыхание.
4. Вызывают скорую помощь.

Если быстро вынести отравленного аргоном человека на воздух невозможно, следует максимально проветрить помещение – открыть и закрепить все окна и входные группы. Важно при этом предотвратить дальнейшее наполнение помещения аргоном – закрутить краны на баллонах и вызвать службу газа.

При выполнении искусственного дыхания желательно обеспечить дополнительный доступ кислорода к дыхательной системе пострадавшего, для чего используются медицинские кислородные подушки, а при их отсутствии кислород можно нагнетать через газоотводный шланг из промышленных баллонов для сварки. Следует помнить, что перед нагнетанием кислорода из баллона нужно убедиться в отсутствии масляных тряпок и легковоспламеняющихся веществ в радиусе 15 метров от пострадавшего.

Если человек подвергался воздействию сварочного аргона в течение более 2 часов, ему необходимо делать искусственную вентиляцию легких в стационаре, чтобы предотвратить осложнения. Оказывающий помощь должен зафиксировать время начала оказания первой помощи и сообщить его врачам скорой помощи.

Важно учесть, что при эвакуации пострадавших из замкнутого помещения, заполненного аргоном, спасателям нужно использовать шланговые противогазы или систему изолированной подачи кислорода.