Аргон хімія. Аргон інертний газ

Аргон   - хімічний елемент з атомним номером 18. Третій за поширеністю елемент в атмосфері - 0,93% за обсягом.

Історія

Аргон було відкрито в 1894 англійськими фізиками Вільямом Рамзаем і Джоном Релєєм. Потім були відкриті інші інертні гази.

  походження назви

Саме через свою дивовижною хімічної інертності новий газ і отримав свою назву (грец. Αργός - неактивний).

Аргон в природі

Цей розділ не завершений. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши його.

отримання

У промисловості аргон отримують як побічний продукт при великомасштабному розділенні повітря на кисень і азот. При температурі -185,9 ° C аргон конденсується, при -189,4 ° С - кристалізується.

властивості

Аргон - одноатомний газ з температурою кипіння (при нормальному тиску) -185,9 ° C (трохи нижче, ніж у кисню, але трохи вище, ніж у азоту). У 100 мл води при 20 ° C розчиняється 3,3 мл аргону, в деяких органічних розчинниках аргон розчиняється значно краще, ніж у воді.

Поки що відомі лише 2 хімічних з'єднання аргону - гідрофторид аргону і CU (Ar) O, які існують при дуже низьких температурах. Крім того, аргон утворює ексимерні молекули, тобто молекули, у яких стійкі порушені електронні стану та нестійке основний стан. Є підстави вважати, що виключно нестійке з'єднання Hg-Аr, що утворюється в електричному розряді, - це справді хімічне (валентное) з'єднання. Не виключено, що будуть отримані інші валентні з'єднання аргону з фтором і киснем, які теж повинні бути вкрай нестійкими. Наприклад, при електричному збудженні суміші аргону і хлору можлива газофазних реакція з утворенням ArCl. Також з багатьма речовинами, між молекулами яких діють водневі зв'язку (водою, фенолом, гидрохиноном і іншими), утворює сполуки включення (клатрати), де атом аргону, як свого роду «гість», знаходиться в порожнині, утвореної в кристалічній решітці молекулами речовини- господаря.

З'єднання CU (Ar) O отримано з сполуки урану з вуглецем і киснем CUO. Ймовірно существованіяесоедіненій зі зв'язками Ar-Si і Ar-C: FArSiF3 і FArCCH

застосування

Харчова галузь

У контрольованому середовищі аргон може в багатьох процесах використовуватися в якості заміни для азоту. Висока розчинність (в два рази перевищує розчинність азоту) і певні молекулярні характеристики забезпечують його особливі властивості при зберіганні овочів. При певних умовах він здатний сповільнювати метаболічні реакції і значно скорочувати газообмін.

Виробництво скла, цементу і вапна

При використанні для заповнення огорож з подвійним глазуруванням аргон забезпечує чудову теплову ізоляцію.

металургія

Аргон використовується для попередження контакту і подальшої взаємодії між розплавленим металом і навколишньою атмосферою.

Використання аргону дозволяє оптимізувати такі виробничі процеси, як перемішування розплавлених речовин, продування піддонів реакторів для попередження повторного окислення стали і обробка стали вузького застосування в вакуумних дегазатором, включаючи вакуумно-кисневе обезуглероживание, окисно-відновних процесів і процеси відкритого спалювання. Однак найбільшу популярність аргон придбав в процесах аргоно-кисневого зневуглецювання нерафінованої високохромисто стали, дозволяючи мінімізувати окислення хрому.

Лабораторні дослідження і аналізи

В чистому вигляді   і в з'єднаннях з іншими газами аргон використовується для проведення промислових і медичних аналізів і випробувань в рамках контролю якості.

Зокрема, аргон виконує функцію газової плазми в емісійної спектрометрії індуктивно-зв'язаною плазмою (ICP), газової подушки в атомно-абсорбційної спектроскопії в графитной печі (GFAAS) і газу-носія в газовій хроматографії з використанням різних газоаналізаторів.

У поєднанні з метаном аргон використовується в лічильниках Гейгера і детекторах рентгенівського флуоресцентного аналізу (XRF), де він виконує функцію гасить газу.

Зварювання, різання та нанесення покриття

Аргон використовується як захисне середовище в процесах дугового зварювання, При Піддув захисного газу   і при плазмовому різанні.

Аргон попереджає окислення зварних швів   і дозволяє скоротити обсяг диму, що скидається в процесі зварювання.

електроніка

Надчистий аргон служить в якості газу-носія для хімічно активних молекул, а також в якості інертного газу для захисту напівпровідників від сторонніх домішок (наприклад, аргон забезпечує необхідне середовище для вирощування кристалів силікону і германію).

В іонному стані аргон використовується в процесах металізації напиленням, іонної імплантації, нормалізації і травлення при виробництві напівпровідників і високоефективному виробництві матеріалів.

Автомобільна і транспортна галузь

Затарений герметизований аргон служить для наповнення подушок безпеки в автомобілях.

Історія відкриття:

Перший внесок у відкриття аргону вніс англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш. Вивчаючи в 1785 році окислення атмосферного азоту киснем під дією електричного розряду, він виявив, що залишається невеликий обсяг газу, що не піддається окисленню. Однак він не знайшов пояснення цьому факту. У 1892 році англійський фізик Дж. Релей виявив невелике (всього на 0,13%) перевищення щільності азоту, що виділяється з повітря, над щільністю азоту, одержуваного хімічним шляхом. Англійський фізик У. Рамзаем припустив, що причиною цього може бути домішка ще невідомого тяжчого газу і запропонував виділити його. Йому і Дж. Релею в 1894 році вдалося виділити цей газ і спектральним аналізом довести, що це новий хімічний елемент. Подальші дослідження показали повну хімічну інертність цієї речовини. Завдяки своїй хімічній інертності (а це був перший з відкритих інертних газів), новий елемент і отримав свою назву Аргон (грец. Аrgos - неактивний, ледачий).

Знаходження в природі і отримання:

В атмосферному повітрі міститься 0,93% аргону за обсягом (9,34 л в 1м 3), його запаси в атмосфері оцінюються в 4 х 10 14 т. Серед інших ізотопів переважає aргон-40, постійно утворюється в ході ядерної реакції ( "електронний захоплення ") з природного ізотопу калію: 40 K + e = 40 Ar + n   e
  У промисловості аргон отримують як побічний продукт при великомасштабному розділенні повітря на кисень і азот. При температурі -185,9 ° C аргон конденсується, при -189,4 ° С - кристалізується.

Фізичні властивості:

Безбарвний, без запаху газ. Температура кипіння аргону (при нормальному тиску) -185,9 ° C, температура плавлення -189,4 ° C. Щільність при нормальних умовах 1,784 кг / м3. У 100 мл води при 20 ° C розчиняється близько 3,3 мл аргону. в деяких органічних розчинниках аргон розчиняється значно краще, ніж у воді. При пропущенні електричного розряду через скляну трубку, заповнену аргоном, спостерігається синьо-блакитне світіння.

Хімічні властивості:

Аргон хімічно інертний, при звичайних умовах хімічних сполук не утворює. Однак з багатьма речовинами, між молекулами яких діють водневі зв'язку (водою, фенолом, гидрохиноном і іншими), утворює сполуки включення (клатрати), де атом аргону, як свого роду "гість", знаходиться в порожнині, утвореної в кристалічній решітці молекулами речовини- господаря.
  При наднизьких температурах спектральними методами зафіксовано утворення деяких надзвичайно нестійких молекул, що містять аргон.
   Встановлено існування так званих ексимерних молекул, що містять аргон. На переходах цих молекул з метастабільного стану в несвязанное генерується лазерне випромінювання.

Найважливіші сполуки:

Клатрат Ar * 6H 2 O   - з'єднання включення, температура розкладання Аr · 6Н2О при 101325 Па 42,0 ° С.

Гідрофторид аргону HArF   - перше відкрите, і поки єдине відоме на 2013 р хімічна сполука аргону з електронейтральної молекулою. Отримано при УФ-опроміненні суміші аргону і фтороводорода при 8K. Нестійкий і розпадається вже при 17 К на фтороводород і аргон.

CU (Ar) O   - утворення такого з'єднання при 3 К передбачається на підставі спектральних даних. У цій молекулі уран повинен бути пов'язаний з трьома іншими атомами - вуглецем, аргоном і киснем.

застосування:

Аргон широко використовують для створення інертного і захисної атмосфери, перш за все при термічній обробці легко окислюються металів (аргонове плавка, аргонове зварювання та інші). В атмосфері аргону отримують кристали напівпровідників і багато інших надчисті матеріали. Аргоном часто заповнюють електричні лампочки (для уповільнення випаровування вольфраму із спіралі). Це ж його властивість використовується в аргонової зварюванні, яка дозволяє з'єднувати алюмінієві і алюмінієві деталі.

Аргон (в суміші з неоном, парами ртуті) застосовують для наповнення газорозрядних трубок (синьо-блакитне світіння), що використовується в світиться рекламі. Також аргон використовується в аргонових лазерах.

У геохронологии за визначенням співвідношення ізотопів 40 Ar / 40 До встановлюють вік мінералів.

Мавляновим Н.Х., Жудіна С.М.
  ТюмГУ, 501 група, 2013 р

джерела:
   Аргон /WebElements.narod.ru/ URL: http://webelements.narod.ru/elements/Ar.htm   (Дата звернення: 8.07.13).
   Аргон (елемент) // Вікіпедія. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Аргон   (Дата звернення: 8.07.2013).

Загальні відомості про відкриття благородних газів

До шляхетних газів відносяться гелій, неон, аргон, криптон, ксенон і радон. За своїми властивостями вони не схожі ні на які інші елементи і в періодичної системі   розташовуються між типовими металами і неметалами.

Історія відкриття інертних газів представляє великий інтерес: по-перше, як тріумф введених Ломоносовим кількісних методів хімії (відкриття аргону), а по-друге, як тріумф теоретичного передбачення (відкриття інших інертних газів), що спирається на найбільше узагальнення хімії - періодичний закон Менделєєва.

Відкриття фізиком Релєєм і хіміком Рамзаем першого благородного газу - аргону - відбулося в той час, коли побудова періодичної системи здавалося завершеним і в ній залишалося лише кілька порожніх клітин.

Ще 1785 року англійський хімік і фізик Г. Кавендіш виявив в повітрі якийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. На частку цього газу припадала приблизно одна сто двадцята частина обсягу повітря. Але що це за газ, Кавендишу з'ясувати не вдалося.

Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, тяжчого, ніж азот, і вкрай інертного хімічно. "Повітря за допомогою розпеченої міді був позбавлений свого кисню і потім нагрітий з шматочками магнію в трубочці. Після того як значна кількість азоту було поглинуто на магній, було визначено щільність залишку. Щільність виявилася в 15 разів більше щільності водню, тоді як щільність азоту тільки в 14 разів більше її. Ця щільність зростала ще в міру подальшого поглинання азоту, поки не досягла 18. Цим було доведено, що повітря містить газ, щільність якого більше щільності азоту ... Я отримав 100 см 3 цієї речовини і знайшов його щільність рівної 19,9. Воно виявилося одноатомних газом. "Коли вони виступили з публічним повідомленням про своє відкриття, це справило приголомшуюче враження. Багатьом здавалося неймовірним, щоб кілька поколінь вчених, які виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та ще таку помітну - майже відсоток! До речі, саме в цей день і годину, 13 серпня 1894, аргон і отримав своє ім'я, яке в перекладі з грецького означає «недіяльний».

Гелій вперше був ідентифікований як хімічний елемент в 1868 П.Жансеном при вивченні сонячного затемнення в Індії. При спектральному аналізі сонячної хромосфери була виявлена ​​яскраво-жовта лінія, спочатку віднесена до спектру натрію, проте в 1871 Дж.Локьер і П.Жансен довели, що ця лінія не належить до жодного з відомих на землі елементів. Локьер і Е.Франкленд назвали новий елемент гелієм від грец. «Геліос», що означає сонце. У той час не знали, що гелій - інертний газ, І припускали, що це метал. І тільки через майже чверть століття гелій був виявлений на землі. У 1895, через кілька місяців після відкриття аргону, У.Рамзай і майже одночасно шведські хіміки П.Клеве і Н.Ленгле встановили, що гелій виділяється при нагріванні мінералу клевеїту. Рік по тому Г.Кейзер виявив домішка гелію в атмосфері, а в 1906 гелій був виявлений у складі природного газу нафтових свердловин Канзасу. У тому ж році Е. Резерфорд і Т.Ройдс встановили, що a   частинки, що випускаються радіоактивними елементами, є ядрами гелію.

Після цього відкриття Рамзай дійшов висновку, що існує ціла група хімічних елементів, яка розташовується в періодичній системі між лужними металами і галогенами.    Користуючись періодичним законом і методом Менделєєва, було визначено кількість невідомих шляхетних газів і їх властивості, зокрема їх атомні маси. Це дозволило здійснити і цілеспрямовані пошуки шляхетних газів.

Спочатку Рамзай і його співробітники зайнялися мінералами, природними водами, навіть метеоритами. Результати аналізів незмінно виявлялися негативними. Тим часом-тепер ми це знаємо-новий газ в них був. Але методами, що існували в кінці минулого століття, ці «мікросліди" не можна було вловити. Потім дослідники звернулися до повітря.

Всього за чотири наступні роки було відкрито чотири нові елементи, при цьому неон, криптон і ксенон були виділені з повітря.

Повітря, очищений попередньо від вуглекислоти і вологи, зріджують, а потім починали повільно випаровувати. Спочатку «летять» більш легкі гази. Після випаровування основної маси повітря розсортовують залишилися важкі інертні гази. Потім, отримані фракції досліджували. Одним з методів пошуку був спектральний аналіз: газ поміщали в розрядну трубку, підключали струм і по лініях спектра визначали «хто є хто».

Коли в розрядну трубку помістили першу, найлегшу і низькокиплячих фракцію повітря, то в спектрі поряд з відомими лініями азоту, гелію і аргону були виявлені нові лінії, з них особливо яскравими були червоні і помаранчеві. Вони надавали світла в трубці вогненну забарвлення. У момент, коли Рамзай спостерігав спектр щойно отриманого газу, в лабораторію зайшов його дванадцятирічний син, який встиг стати «уболівальником» батькових робіт. Побачивши незвичайне світіння, він вигукнув: «new one!» Так виникла назва газу «неон», по-давньогрецькому означає «новий».

Після того як були відкриті гелій, неон і аргон, завершальні три перших періоду таблиці Менделєєва, вже не викликало сумнівів, що четвертий, п'ятий і шостий періоди теж повинні закінчуватися інертним газом. Але знайти їх вдалося не відразу. Це й не дивно: в 1 м 3 повітря 9, 3 л аргону і всього лише 0, 08 мл ксенону. Але на той час стараннями вчених, перш за все англійця Траверса, з'явилася можливість отримувати значні кількості рідкого повітря. Став доступний навіть рідкий водень. Завдяки цьому Рамзай спільно з Траверсом зміг зайнятися дослідженням найбільш труднолетучем фракції повітря, що виходить після відгону гелію, водню, неону, кисню, азоту та аргону. Залишок містив сирої (тобто неочищений) криптон ( "прихований"). Однак після відкачування його в посудині незмінно залишався бульбашка газу. Цей газ блакитно світився в електричному розряді і давав своєрідний спектр з лініями в областях від помаранчевої до фіолетовою. Характерні спектральні лінії - візитна картка елемента. У Рамзая і Траверса були всі підстави вважати, що відкритий новий інертний газ. Його назвали ксеноном, що в перекладі з грецького означає «чужий»: в криптоновой фракції повітря він дійсно виглядав чужинцем. У пошуках нового елемента і для вивчення його властивостей Рамзай і Траверс переробили близько ста тонн рідкого повітря; індивідуальність ксенону як нового хімічного елемента вони встановили, оперуючи всего 0,2 см 3 цього газу. Надзвичайна для того часу тонкість експерименту! Хоча зміст ксенону в атмосфері вкрай мало, саме повітря - практично єдиний і невичерпне джерело ксенону. Невичерпне - тому, що майже весь ксенон повертається в атмосферу.

Заслуга відкриття вищого представника інертних газів належить тому ж Рамзаю. За допомогою досить тонких технічних прийомів він довів, що радіоактивне витікання з радію - еманація радію - являє собою газ, який підпорядковується всім законам звичайних газів, хімічно інертний і володіє характерним спектром. Його молекулярна вага - близько 220 - був Рамзаем виміряно за швидкістю дифузії. Якщо припустити, що ядро ​​атома еманації радію - це залишок ядра радію після викидання з нього ядра атома гелію - a-частинки, то заряд його має дорівнювати 88-2 = 86, тобто новий елемент повинен дійсно бути інертним газом з атомним вагою 226-4 = 222.

Аргон

Історія відкриття Аргона

У 1785 р англійський хімік і фізик Г. Кавендіш виявив в повітрі якийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. На частку цього газу припадала приблизно одна сто двадцята частина обсягу повітря. Але що це за газ, Кавендишу з'ясувати не вдалося.

Про це досвіді згадали 107 років по тому, коли Джон Вільям Стратт (лорд Релей) натрапив на ту ж домішка, помітивши, що азот повітря важче, ніж азот, виділений із з'єднань. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії, Релей через журнал «Nature» звернувся до колег-натуралістам з пропозицією разом подумати і попрацювати над розгадкою її причин ...

Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, тяжчого, ніж азот, і вкрай інертного хімічно.

Коли вони виступили з публічним повідомленням про своє відкриття, це справило приголомшуюче враження. Багатьом здавалося неймовірним, щоб кілька поколінь вчених, які виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та ще таку помітну - майже відсоток!

До речі, саме в цей день і годину, 13 серпня 1894 р аргон і отримав своє ім'я, яке в перекладі з грецького означає «недіяльний». Його запропонував головуючий на зборах доктор Медан.

Тим часом немає нічого дивного в тому, що аргон так довго вислизав від учених. Адже в природі він себе рішуче нічим не виявляв! Напрошується паралель з ядерною енергією: говорячи про труднощі її виявлення, А. Ейнштейн зауважив, що нелегко розпізнати багатія, якщо він не витрачає своїх грошей ...

Скепсис вчених був швидко розвіяний експериментальної перевіркою і встановленням фізичних констант аргону. Але не обійшлося без моральних витрат: засмучений нападками колег (головним чином хіміків) Релей залишив вивчення аргону і хімію взагалі і зосередив свої інтереси на фізичних проблемах. Великий вчений, він і у фізиці досяг видатних результатів, за що в 1904 був удостоєний Нобелівської премії. Тоді в Стокгольмі він знову зустрівся з Рамзаем, який в той же день отримував Нобелівську премію за відкриття і дослідження благородних газів, в тому числі і аргону.

Узагальнення історії відкриття

Аргон   був відкритий як інертний газ в атмосфері в 1894 Дж.Релеем, який виявив, що атмосферне азот на 0,5% важче, ніж отриманий хімічним шляхом. Різниця пояснювалася присутністю мізерної кількості більш важких інертних газів, переважно аргону. Цей елемент був першим з інертних газів, виявлених в природі на нашій планеті. Зміст аргону в атмосфері становить 0,93% (об.), Причому його трохи більше над поверхнею великих водойм, ніж над сушею, так як азот і кисень більш розчинні у воді. У електротехнічної промисловості щомісяця витрачається кілька тисяч кубічних метрів аргону для створення інертного середовища в лампах розжарювання: аргонове середовище дозволяє знизити швидкість випаровування вольфрамової нитки і запобігає її окислення.

будова Аргона

Аргон це газ із завершеним останнім електронним рівнем

Ar 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6

10 електронів

18 протонів

22 нейтрона

Фізичні властивості

Загальні властивості інертних газів

Всі благородні гази-безбарвні одноатомні газ без кольору і запаху

мають більш високу електропровідність у порівнянні з іншими газами і при проходженні через них струму яскраво светятсяНасищенний характер атомних молекул інертних газів позначається і в тому, що інертні гази мають нижчі точки скраплення і замерзання, ніж інші гази з тим же молекулярною вагою.

З підгрупи важких інертних газів аргон найлегший. Він важчий за повітря в 1,38 рази. Рідиною стає при - 185,9 ° C, твердне при - 189,4 ° C (в умовах нормального тиску). На відміну від гелію і неону, він досить добре адсорбується на поверхнях твердих тіл і розчиняється в воді (3,29 см 3 в 100 г води при 20 ° C). Ще краще розчиняється аргон в багатьох органічних рідинах. Зате він практично не розчиняється в металах і не дифундує крізь них.

Як все інертні гази, аргон диамагнитен. Це означає, що його магнітна сприйнятливість негативна, він має більший опір магнітних силових ліній, ніж порожнеча. Це властивість аргону (як і багато інших) пояснюється «замкнутістю» електронних оболонок його атомів.

Під дією електричного струму аргон яскраво світиться, синьо-блакитне світіння аргону широко використовується в світлотехніці.

Тепер про вплив аргону на живий організм. При вдиханні суміші з 69% Ar, 11% азоту і 20% кисню під тиском 4 атм виникають явища наркозу, які виражені набагато сильніше, ніж при вдиханні повітря під тим же тиском. Наркоз миттєво зникає після припинення подачі аргону. Причина - в неполярних молекул аргону, підвищений же тиск підсилює розчинність аргону в нервових тканинах.

Біологи знайшли, що аргон сприяє росту рослин. Навіть в атмосфері чистого аргону насіння рису, кукурудзи, огірків і жита викинули паростки. Цибулю, моркву і салат добре проростають в атмосфері, що складається з 98% аргону і тільки 2% кисню.

Хімічні властивості

Хімічна інертність аргону (як і інших газів цієї групи) і одноатомних його молекул пояснюються насамперед граничною насиченістю електронних оболонок. Проте розмова про хімії аргону Сьогодні не безпредметна.

Є підстави вважати, що виключно нестійке з'єднання Hg - Ar, що утворюється в електричному розряді, - це справді хімічне (валентное) з'єднання. Не виключено, що будуть отримані валентні з'єднання аргону з фтором і киснем, які, швидше за все, будуть нестійкими, Як нестійкі і навіть вибухонебезпечні окисли ксенону - газу, тяжчого і явно більш схильного до хімічних реакцій, ніж аргон.

Ще в кінці минулого століття француз Війяр, стискаючи аргон під водою при 0 ° C, отримав кристаллогидрат складу Аr · 6Н 2 О, а в 20 ... 30-х роках XX століття Б.А. Нікітіним, Р.А. Франкраном і іншими дослідниками при підвищених тисках   і низьких температурах були отримані кристалічні клатратного з'єднання аргону з H 2 S, SO 2, галогеноводородами, фенолами і деякими іншими речовинами. У 1976 р з'явилося повідомлення про синтез гідриду аргону, але поки що важко сказати, чи є цей гідрид істинно хімічним, валентним з'єднанням.

Ось поки і все успіхи хімії ...

Аргон на Землі й у Всесвіті

На Землі аргону набагато більше, ніж усіх інших елементів його групи, разом узятих. Його середній вміст в земній корі (кларк) в 14 разів більше, ніж гелію, і в 57 разів більше, ніж неону. Є аргон і у воді, до 0,3 см 3 в літрі морської і до 0,55 см 3 в літрі прісної води. Цікаво, що в повітрі плавального міхура риб аргону знаходять більше, ніж в атмосферному повітрі. Це тому, що в воді аргон розчинний краще, ніж азот ...

Головне «сховище» земного аргону - атмосфера. Його в ній (за вагою) 1,286%, причому 99,6% атмосферного аргону - це найважчий ізотоп - аргон-40. Ще більше частка цього ізотопу в аргоні земної кори. Тим часом у переважної більшості легких елементів картина зворотна - переважають легкі ізотопи.

Причина цієї аномалії виявлена ​​в 1943 р У земній корі знаходиться потужний джерело аргону-40 - радіоактивний ізотоп калію 40 К. Цього ізотопу на перший погляд в надрах трохи - всього 0,0119% від загального вмісту калію. Однак абсолютна кількість калію-40 велике, оскільки калій - один з найпоширеніших на нашій планеті елементів. У кожній тонні вивержених порід 3,1 г калію-40.

Радіоактивний розпад атомних ядер калію-40 йде одночасно двома шляхами. Приблизно 88% калію-40 піддається бета розпаду і перетворюється в кальцій-40. Але в 12 випадках з 100 (в середньому) ядра калію-40 не випромінюють, а, навпаки, захоплюють по одному електрону з найближчій до ядру К-орбіти ( «К-захоплення»). Захоплений електрон з'єднується з протоном - утворюється новий нейтрон в ядрі і випромінюється нейтрино. Атомний номер елемента зменшується на одиницю, а маса ядра залишається практично незмінною. Так калій перетворюється на аргон.

Період напіврозпаду 40 До досить великий - 1,3 млрд років. Тому процес утворення 40 Аr в надрах Землі триватиме ще довго, дуже довго. Тому, хоча і надзвичайно повільно, але неухильно зростатиме зміст аргону в земній корі і атмосфері, куди аргон «видихається» літосферою в результаті вулканічних процесів, вивітрювання і перекристалізації гірських порід, а також водними джерелами.

Правда, за час існування Землі запас радіоактивного калію грунтовно виснажився - він став в 10 разів менше (якщо вік Землі вважати рівним 4,5 млрд років.).

Співвідношення ізотопів 40 Аr: 40 К і 40 Ar: 36 Аr в гірських породах лягло в основу аргонного методу визначення абсолютного віку мінералів. Очевидно, чим більше ці відносини, тим древнє порода. Аргоновий метод вважається найбільш надійним для визначення віку вивержених порід і більшості калійних мінералів. За розробку цього методу професор Е.К. Герлинг в 1963 році удостоєний Ленінської премії.

Отже, весь або майже весь аргон-40 стався на Землі від калію-40. Тому важкий ізотоп і домінує в земній аргоні.

Цим фактором пояснюється, до речі, одна з аномалій періодичної системи. Всупереч початковим принципом її побудови - принципу атомних терезів - аргон поставлений в таблиці попереду калію. Якби в аргоні, як і в сусідніх елементах, переважали легкі ізотопи (як це, мабуть, має місце в космосі), то атомний вагу аргону був би на дві-три одиниці менше ...

Тепер про легкі ізотопи.

Звідки беруться 36 Аr і 38 Аr? Не виключено, що якась частина цих атомів реліктового походження, тобто частина легкого аргону прийшла в земну атмосферу з космосу при формуванні нашої планети і її атмосфери. Але більша частина легких ізотопів аргону народилася на Землі в результаті ядерних процесів.

Ймовірно, ще не всі такі процеси виявлені. Швидше за все деякі з них давно припинилися, оскільки вичерпалися короткоживучі атоми- «батьки», але є і понині протікають ядерні процеси, в яких народжуються аргон-36 і аргон-38. Це бета-розпад хлору-36, обстріл альфа-частками (в уранових мінералах) сірки-33 і хлору-35:

36 17 Cl β - → 36 18 Ar + 0 -1 e + ν.

33 16 S + 4 2 He → 36 18 Ar + 1 0 n .

35 17 Cl + 4 2 He → 38 18 Ar + 1 0 n + 0 +1 e .

У матерії Всесвіту аргон представлений ще рясніше, ніж на нашій планеті. Особливо багато його в речовині гарячих зірок і планетарних туманностей. Підраховано, що аргону в космосі більше, ніж хлору, фосфору, кальцію, калію - елементів, дуже поширених на Землі.

У космічному аргоні панують ізотопи 36 Аr і 38 Аr, аргону-40 у Всесвіті дуже мало. На це вказує мас-спектральний аналіз аргону з метеоритів. У тому ж переконують підрахунки поширеності калію. Виявляється, в космосі калію приблизно в 50 тис. Разів менше, ніж аргону, в той час як на Землі їх співвідношення явно на користь калію - 660: 1. А раз мало калію, то звідки ж взятися аргону-40 ?!

застосування

Все ширше застосовується дугове електрозварювання в середовищі аргону. У аргонної струмені можна зварювати тонкостінні вироби і метали, які раніше вважалися важкозварювальних. Не буде перебільшенням сказати, що електрична дуга в аргоновому атмосфері внесла переворот в техніку різання металів. Процес набагато прискорився, з'явилася можливість різати товсті листи самих тугоплавких металів. Продувається уздовж стовпа дуги аргон (в суміші з воднем) охороняє кромки розрізу і вольфрамовий електрод   від освіти окисних, нітридних та інших плівок. Одночасно він стискає і концентрує дугу на малій поверхні, чому температура в зоні різання досягає 4000-6000 ° С. До того ж ця газова струмінь видуває продукти різання. При зварюванні в аргоновому струмені немає потреби у флюсах і електродних покриттях, а отже, і в зачистці шва від шлаку і залишків флюсу

Як видобувають аргон

Земна атмосфера містить 66 · 1013 т аргону. Це джерело аргону невичерпний, тим більше що практично весь аргон рано чи пізно повертається в атмосферу, оскільки при використанні він не зазнає ніяких фізичних або хімічних змін. Виняток становлять дуже незначні кількості ізотопів аргону, що витрачаються на отримання в ядерних реакціях нових елементів і ізотопів.

Отримують аргон як побічний продукт при розділенні повітря на кисень і азот. Зазвичай використовують повітророзподільну апарати дворазової ректифікації, що складаються з нижньої колони високого тиску (попереднє поділ), верхньої колони низького тиску і проміжного конденсатора-випарника. В кінцевому рахунку азот відводиться згори, а кисень - з простору над конденсатором.

Летючість аргону більше, ніж кисню, але менше, ніж азоту. Тому аргону фракцію відбирають в точці, що знаходиться приблизно на третині висоти верхньої колони, і відводять в спеціальну колону. Склад аргонной фракції: 10 ... 12% аргону, до 0,5% азоту, решта - кисень. У «аргонной» колоні, приєднаної до основного апарату, отримують аргон з домішкою 3 ... 10% кисню і 3 ... 5% азоту. Далі слід очищення «сирого» аргону від кисню (хімічним шляхом або адсорбцією) і від азоту (ректифікацією). У промислових масштабах нині отримують аргон до 99,99% -ной чистоти. Аргон витягають також з відходів аміачного виробництва - з азоту, що залишився після того, як велику його частину зв'язали воднем.

Аргон зберігають і транспортують в балонах ємністю 40 л, забарвлених в сірий колір із зеленою смугою і зеленої написом. Тиск в них 150 атм. Економічніша перевезення зрідженого аргону, для чого використовують судини Дюара і спеціальні цистерни.

Штучні радіоізотопи аргону отримані при опроміненні деяких стабільних і радіоактивних ізотопів (37 Cl, 36 Аr, 40 Аr, 40 Са) протонами і дейтонами, а також при опроміненні нейтронами продуктів, що утворилися в ядерних реакторах при розпаді урану. Ізотопи 37 Аr і 41 Аr використовуються як радіоактивні індикатори: перший - в медицині і фармакології, другий - при дослідженні газових потоків, ефективності заспівати вентиляції і в різноманітних наукових дослідженнях. Але, звичайно, не ці застосування аргону найважливіші.

Аргон займає третє місце за змістом в повітрі (після азоту і кисню), на нього припадають приблизно 1,3% маси і 0,9% обсягу атмосфери Землі.

У промисловості основний спосіб одержання аргону - метод низькотемпературної ректифікації повітря з отриманням кисню та азоту і попутним витяганням аргону. Також аргон отримують як побічний продукт при отриманні аміаку.

Газоподібний аргон зберігається і транспортується в сталевих балонах (по ГОСТ 949-73). Балон з чистим аргоном забарвлений в сірий колір, з написом «Аргон чистий» зеленого кольору.

Згідно ГОСТ 10157-79 газоподібний і рідкий аргон поставляється два види: вищого сорту (з об'ємною часткою аргону не менше 99,993%, об'ємною часткою водяної пари не більше 0,0009%) і першого сорту (з об'ємною часткою аргону не менше 99,987%, об'ємної часткою водяної пари не більше 0,001%).

Аргон не вибухонебезпечний і не токсичний, проте при високій концентрації в повітрі може становити небезпеку для життя: при зменшенні об'ємної частки кисню нижче 19% з'являється киснева недостатність, а при значному зниженні вмісту кисню виникають ядуха, втрата свідомості і навіть смерть.

Історія відкриття

Аргон відноситься до числа шляхетних газів, а історія рясніє воістину драматичними моментами. У 1785 році англійський хімік і фізик Г. Кавендіш виявив в повітрі якийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. На частку цього газу припадала приблизно одна сто двадцята частина обсягу повітря. Але що це за газ, Кавендишу з'ясувати не вдалося.

Про це досвіді згадали 107 років по тому, коли Джон Вільям Стратт (лорд Релей) натрапив на ту ж домішка, помітивши, що азот повітря важче, ніж азот, виділений із з'єднань. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії, Релей через журнал Nature звернувся до колег-натуралістам з пропозицією разом подумати і попрацювати над розгадкою її причин ...

Через два роки Релей і У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, тяжчого, ніж азот. Газ поводився парадоксально: він не вступав у реакцію з хлором, металами, кислотами, лугами, тобто був абсолютно хімічно інертний. І ще одна несподіванка: Рамзай довів, що молекула цього газу складається з одного атома, - а до того часу одноатомні гази були невідомі.

Коли Релей і Рамзай виступили з публічним повідомленням про своє відкриття, це справило приголомшуюче враження. Багатьом здавалося неймовірним, щоб кілька поколінь вчених, які виконали тисячі аналізів повітря, прогледіли його складову частину, та ще таку помітну - майже відсоток! До речі, саме в цей день і годину, 13 серпня 1894, аргон і отримав своє ім'я (від грец. «Аргос» - «ледачий», «байдужий»).

Повідомленням про відкриття нового газу повірили далеко не всі хіміки, засумнівався в ньому і сам Менделєєв. Відкриття аргону, здавалося, могло призвести до того, що все «будівля» періодичної системи впаде. Атомна маса газу (39,9) вказувала йому місце між калієм (39,1) і кальцій (40,1). Але в цій частині таблиці всі клітини були давно зайняті. Аргон не мав в таблиці аналогів, йому взагалі не знаходилося місця в періодичній системі.

Тому офіційне визнання аргон отримав лише через чверть століття - після відкриття гелію. Тепер уже двом елементам не було місця в періодичній системі. Після тривалих дискусій Менделєєв і Рамзай прийшли до висновку, що інертних газів потрібно відвести окрему, так звану нульову групу між галогенами і лужними металами.

Хімічна інертність аргону (як і інших газів нульової групи) і одноатомних його молекул пояснюються насамперед граничною насиченістю електронних оболонок.
З підгрупи важких інертних газів аргон найлегший. Він важчий за повітря в 1,38 рази. Рідиною стає при -185,9 ° С, твердне при -189,4 ° С (в умовах нормального тиску). Молекула аргону одноатомна.

На відміну від гелію і неону, він досить добре адсорбується на поверхнях твердих тіл і розчиняється в воді (3,29 см 3 в 100 г води при 20 ° С). Ще краще розчиняється аргон в багатьох органічних рідинах. Зате він практично не розчиняється в металах і не дифундує крізь них.

Під дією електричного струму аргон яскраво світиться, і сьогодні синьо-блакитне світіння аргону широко використовується в світлотехніці.

Біологи знайшли, що аргон сприяє росту рослин. Навіть в атмосфері чистого аргону насіння рису, кукурудзи, огірків і жита викинули паростки. Цибулю, моркву і салат добре проростають в атмосфері, що складається з 98% аргону і тільки 2% кисню.

На Землі і у Всесвіті

На Землі аргону набагато більше, ніж усіх інших елементів його групи, разом узятих. Його середній вміст в земній корі (кларк) - 0,04 г на тонну, що в 14 разів більше, ніж гелію, і в 57 - ніж неону. Є аргон і у воді, до 0,3 см3 в літрі морської і до 0,55 см3 в літрі прісної води. Цікаво, що в повітрі плавального міхура риб аргону знаходиться більше, ніж в атмосферному повітрі. Це тому, що в воді аргон розчинний краще, ніж азот ...

Головне «сховище» земного аргону - атмосфера. Його в ній (за вагою) 1,286%, причому 99,6% атмосферного аргону - найважчий ізотоп - аргон-40. Ще більше частка цього ізотопу в аргоні земної кори. Тим часом у переважної більшості легких елементів картина зворотна - переважають легкі ізотопи.

У матерії Всесвіту аргон представлений ще рясніше, ніж на нашій планеті. Особливо багато його в речовині гарячих зірок і планетарних туманностей. Підраховано, що аргону в космосі більше, ніж хлору, фосфору, кальцію, калію - елементів, дуже поширених на Землі.

Як видобувають аргон

Земна атмосфера містить 66. 1013 тонн аргону. Це джерело газу невичерпний. Тим більше що практично весь аргон рано чи пізно повертається в атмосферу, оскільки при використанні він не зазнає ніяких фізичних або хімічних змін. Виняток становлять дуже незначні кількості ізотопів аргону, що витрачаються на отримання в ядерних реакціях нових елементів і ізотопів.

Отримують аргон як побічний продукт при розділенні повітря на кисень і азот. Зазвичай використовують повітророзподільну апарати дворазової ректифікації, що складаються з нижньої колони високого тиску (попереднє поділ), верхньої колони низького тиску і проміжного конденсатора-випарника. В кінцевому рахунку азот відводиться згори, а кисень - з простору над конденсатором.

Летючість аргону більше, ніж кисню, але менше, ніж азоту. Тому аргону фракцію відбирають в точці, що знаходиться приблизно на третині висоти верхньої колони, і відводять в спеціальну колону. Склад аргонной фракції: 10-12% аргону, до 0,5% азоту, решта - кисень. У «аргонной» колоні, приєднаної до основного апарату, отримують аргон з домішкою 3-10% кисню і 3-5% азоту. Далі слід очищення «сирого» аргону від кисню (хімічним шляхом або адсорбцією) і від азоту (ректифікацією). У промислових масштабах нині отримують аргон до 99,99% -ої чистоти. Аргон витягають також з відходів аміачного виробництва - з азоту, що залишився після того, як велику його частину зв'язали воднем.

Історія відкриття аргону починається в 1785 році, коли англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш, вивчаючи склад повітря, вирішив встановити, чи весь азот повітря окислюється.

Протягом багатьох тижнів він піддавав впливу електричного розряду суміш повітря з киснем в U-образних трубках, в результаті чого в них утворювалися все нові порції бурих оксидів азоту, які дослідник періодично розчиняв в лугу. Через деякий час утворення оксидів припинялося, але, після зв'язування залишився кисню, залишався газовий міхур, обсяг якого не зменшувався при тривалому впливі електричних розрядів в присутності кисню. Кавендіш оцінив обсяг залишився газового міхура в 1/120 від початкового об'єму повітря. Розгадати загадку міхура Кавендіш не зміг, тому припинив своє дослідження, і навіть не опублікував його результатів. Тільки через багато років англійський фізик Джеймс Максвелл зібрав і опублікував невидані рукописи і лабораторні записки Кавендіша.

Подальша історія відкриття аргону пов'язана з ім'ям Релея, який кілька років присвятив дослідженням щільності газів, особливо азоту. Виявилося, що літр азоту, отриманого з повітря, важив більше літра «хімічного» азоту (отриманого шляхом розкладання будь-якого азотистого з'єднання, наприклад, закису азоту, окису азоту, аміаку, сечовини або селітри) на 1,6 мг (вага першого був дорівнює 1,2521, а другого 1,2505 р). Ця різниця була не така вже мала, щоб можна було її віднести на рахунок помилки досвіду. До того ж вона постійно повторювалася незалежно від джерела отримання хімічного азоту.

Не дійшовши до розгадки, восени 1892 року Релей в журналі «Nature» опублікував лист до вчених, з проханням дати пояснення тому факту, що в залежності від способу виділення азоту він отримував різні величини щільності. Лист прочитали багато вчених, однак ніхто не був в змозі відповісти на поставлене в ньому питання.

У відомого вже в той час англійського хіміка Вільяма Рамзая також не було готової відповіді, але він запропонував Релею свою співпрацю. Інтуїція спонукала Рамзая припустити, що азот повітря містить домішки невідомого і важчого газу, а Дьюар звернув увагу Релея на опис старовинних дослідів Кавендіша (які вже були до цього часу опубліковані).

Намагаючись виділити з повітря приховану складову частину, кожен з учених пішов своїм шляхом. Релей повторив досвід Кавендіша в збільшеному масштабі і на більш високому технічному рівні. Трансформатор під напругою 6000 вольт посилав в 50-літровий дзвін, заповнений азотом, сніп електричних іскор. Спеціальна турбіна створювала в дзвоні фонтан бризок розчину лугу, що поглинають оксиди азоту і домішка вуглекислоти. Газ, що залишився Релей висушив, і пропустив через порцелянову трубку з нагрітими мідними тирсою, що затримують залишки кисню. Дослід тривав кілька днів.

Рамзай скористався відкритої їм здатністю нагрітого металевого магнію поглинати азот, утворюючи твердий нітрид магнію. Багаторазово пропускав він кілька літрів азоту через зібраний ним прилад. Через 10 днів обсяг газу перестав зменшуватися, отже, весь азот виявився пов'язаним. Одночасно шляхом з'єднання з міддю був видалений кисень, який був присутній в якості домішки до азоту. Цим способом Рамзаю в першому ж досвіді вдалося виділити близько 100 см³ нового газу.

Отже, був відкритий новий елемент. Стало відомо, що він важче азоту майже в півтора рази і становить 1/80 частину обсягу повітря. Рамзай за допомогою акустичних вимірювань знайшов, що молекула нового газу складається з одного атома - до цього подібні гази в стійкому стані не зустрічалися. Звідси випливав дуже важливий висновок - раз молекула одноатомна, то, очевидно, новий газ є не складне хімічна сполука, а проста речовина.

Багато часу витратили Рамзай і Релей на вивчення його реакційної здатності по відношенню до багатьох хімічно активних речовин. Але, як і слід було очікувати, прийшли до висновку: їх газ абсолютно недеятелен. Це було приголомшливо - до того часу не було відомо жодного настільки інертного речовини.

Велику роль у вивченні нового газу зіграв спектральний аналіз. Спектр виділеного з повітря газу з його характерними помаранчевими, синіми і зеленими лініями різко відрізнявся від спектрів вже відомих газів. Вільям Крукс, один з найвизначніших спектроскопістов того часу, нарахував в його спектрі майже 200 ліній. Рівень розвитку спектрального аналізу на той час не дав можливості визначити, одному або декільком елементам належав спостережуваний спектр. Кілька років по тому з'ясувалося, що Рамзай і Релей тримали в своїх руках не одного незнайомця, а декількох - цілу плеяду інертних газів.

7 серпня 1894 року в Оксфорді, на зборах Британської асоціації фізиків, хіміків і натуралістів, було зроблено повідомлення про відкриття нового елемента, який був названий аргоном. У своїй доповіді Релей стверджував, що в кожному кубічному метрі повітря присутні близько 15 г відкритого газу (1,288 мас.%). Занадто неймовірний був той факт, що кілька поколінь учених не помітили складової частини повітря, та ще й в кількості цілого відсотка! У лічені дні десятки натуралістів з різних країн перевірили досліди Рамзая і Релея. Сумнівів не залишалося: повітря містить аргон.

Через 10 років, в 1904 році, Релей за дослідження щільності найбільш поширених газів і відкриття аргону отримує Нобелівську премію з фізики, а Рамзай за відкриття в атмосфері різних інертних газів - Нобелівську премію з хімії.

Основне застосування

Харчова галузь

У контрольованому середовищі аргон може в багатьох процесах використовуватися в якості заміни для азоту. Висока розчинність (в два рази перевищує розчинність азоту) і певні молекулярні характеристики забезпечують його особливі властивості при зберіганні овочів. При певних умовах він здатний сповільнювати метаболічні реакції і значно скорочувати газообмін.

Виробництво скла, цементу і вапна

При використанні для заповнення огорож з подвійним глазуруванням аргон забезпечує чудову теплову ізоляцію.

металургія

Аргон використовується для попередження контакту і подальшої взаємодії між розплавленим металом і навколишньою атмосферою.

Використання аргону дозволяє оптимізувати такі виробничі процеси як перемішування розплавлених речовин, продування піддонів реакторів для попередження повторного окислення стали і обробка стали вузького застосування в вакуумних дегазатором, включаючи вакуумно-кисневе обезуглероживание, окисно-відновних процесів і процеси відкритого спалювання. Однак найбільшу популярність аргон придбав в процесах аргоно-кисневого зневуглецювання нерафінованої високохромисто стали, дозволяючи мінімізувати окислення хрому.

Лабораторні дослідження і аналізи

У чистому вигляді і в з'єднаннях з іншими газами аргон використовується для проведення промислових і медичних аналізів і випробувань в рамках контролю якості.

Зокрема аргон виконує функцію газової плазми в емісійної спектрометрії індуктивно-зв'язаною плазмою (ICP), газової подушки в атомно-абсорбційної спектроскопії в графитной печі (GFAAS) і газу-носія в газовій хроматографії з використанням різних газоаналізаторів.

У поєднанні з метаном аргон використовується в лічильниках Гейгера і детекторах рентгенівського флуоресцентного аналізу (XRF), де він виконує функцію гасить газу.

Зварювання, різання та нанесення покриття

Аргон використовується як захисне середовище в процесах дугового зварювання, при Піддув захисного газу і при плазмовому різанні.

Аргон попереджає окислення зварних швів і дозволяє скоротити обсяг диму, що скидається в процесі зварювання.

електроніка

Надчистий аргон служить в якості газу-носія для хімічно активних молекул, а також в якості інертного газу для захисту напівпровідників від сторонніх домішок (наприклад, аргон забезпечує необхідне середовище для вирощування кристалів силікону і германію).

В іонному стані аргон використовується в процесах металізації напиленням, іонної імплантації, нормалізації і травлення при виробництві напівпровідників і високоефективному виробництві матеріалів.

Автомобільна і транспортна галузь

Затарений герметизований аргон служить для наповнення подушок безпеки в автомобілях.

Головна » інструкції » Аргон хімія. Аргон інертний газ