Аргон

Аргон — это химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 18. Обозначается символом Ar (от лат. Argon). При нормальных условиях представляет собой одноатомный инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Аргон является третьим по распространённости газом в атмосфере Земли (после азота и кислорода), его содержание в атмосферном воздухе составляет около 0,93 % по объёму.

История открытия

В конце XVIII века английский учёный Генри Кавендиш, изучая состав воздуха, предположил существование в нём небольшой примеси газа, который не вступает в химические реакции. Однако экспериментально подтвердить это открытие тогда не удалось.

Официально аргон был открыт в 1894 году английскими учёными лордом Джоном Уильямом Стреттом (более известным как лорд Рэлей) и сэром Уильямом Рамзаем. Рэлей, измеряя плотность азота, полученного из воздуха (1,2572 г/л) и химическим путём из аммиака (1,2505 г/л), обнаружил, что «атмосферный» азот тяжелее. После тщательных экспериментов Рамзай и Рэлей выделили из воздуха неизвестный газ, который не реагировал ни с одним известным реагентом. Они дали ему название «аргон» (от греч. ἀργός — «ленивый», «неактивный»), подчёркивая его химическую инертность. За это открытие в 1904 году Рэлей получил Нобелевскую премию по физике, а Рамзай — по химии.

Нахождение в природе

Основным источником аргона является земная атмосфера. Его концентрация в воздухе составляет около 0,93% по объёму, что делает аргон самым распространённым инертным газом на Земле. Также аргон присутствует в растворённом виде в водах Мирового океана, в небольших количествах содержится в земной коре (около 0,00015% по массе) и в природных газах. В космосе аргон распространён в ядрах звёзд, туманностях и межзвёздном газе, особенно в виде изотопа ⁴⁰Ar, который образуется при радиоактивном распаде калия-40 (⁴⁰K) в недрах планет.

Изотопы

В природе аргон представлен тремя стабильными изотопами:

• ³⁶Ar (0,337% по объёму)
• ³⁸Ar (0,063% по объёму)
• ⁴⁰Ar (99,600% по объёму)

Изотоп ⁴⁰Ar является радиогенным и накапливается в породах и атмосфере в результате распада калия-40. Именно этим объясняется его преобладание в земной атмосфере, в то время как в космосе наиболее распространён ³⁶Ar. Искусственно получены радиоактивные изотопы аргона с массовыми числами от 29 до 54, наиболее известен ⁴¹Ar с периодом полураспада 1,83 часа, образующийся при нейтронном облучении ⁴⁰Ar в ядерных реакторах.

Физические свойства

Основные характеристики

Аргон — одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Он тяжелее воздуха (плотность при нормальных условиях — 1,784 кг/м³). Его основные физические константы:

В жидком состоянии — бесцветная подвижная жидкость. При охлаждении жидкого аргона ниже –189,3 °C он затвердевает в белую ледяную массу.

Электрические и оптические свойства

Аргон обладает низкой теплопроводностью и высокой электрической прочностью. При пропускании электрического тока через аргон при пониженном давлении возникает характерное свечение сине-фиолетового цвета. Это свойство широко используется в светотехнических изделиях.

Химические свойства

Аргон является инертным газом. Он не образует устойчивых химических соединений в обычных условиях. Валентная оболочка его атома (3s²3p⁶) полностью заполнена, что обеспечивает высокую стабильность.

Экстремально реакционноспособное соединение аргона — фторид аргона (ArF) — было получено лишь в 2000 году финскими химиками. Оно существует только при температурах ниже –265 °C и разлагается при нагревании. Также известно соединение ArH⁺ (гидрид аргона), обнаруженное в межзвёздном пространстве и лабораторных условиях. В целом химическая активность аргона ничтожна, что и определяет его основное применение.

Получение

Промышленное получение аргона осуществляется методом низкотемпературной ректификации (разделения) жидкого воздуха. Воздух сначала сжимается, очищается от пыли, углекислого газа и влаги, затем охлаждается до температуры –190 °C, переходя в жидкое состояние. В ректификационных колоннах жидкий воздух разделяется на азот (температура кипения –196 °C), кислород (–183 °C) и аргон (–186 °C). Аргон отбирается как промежуточная фракция. Затем его дополнительно очищают от примесей кислорода и азота с помощью химической очистки (пропускание через горячую медь) и повторной ректификации. В результате получается аргон высокой чистоты (99,99% и выше).

Применение

Благодаря своей химической инертности и особым физическим свойствам, аргон нашёл широкое применение в различных отраслях промышленности и науки.

Сварочные работы

Основная область применения — сварка в среде защитных газов (MIG/MAG, TIG-сварка). Аргон подаётся в зону сварки, создавая вокруг расплавленного металла инертную атмосферу, которая предохраняет его от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха. Это позволяет получать качественные, прочные и коррозионностойкие сварные швы при сварке алюминия, титана, магния, нержавеющих сталей, меди и её сплавов.

Металлургия

В металлургии аргон используется для продувки расплавов стали и алюминия. Пузырьки аргона, проходя через жидкий металл, удаляют из него растворённые газы (водород, азот), неметаллические включения и способствуют гомогенизации расплава. Аргон также применяется как защитная атмосфера при выплавке и разливке активных металлов (титан, цирконий, уран, торий).

Светотехника

Аргоном заполняют лампы накаливания (совместно с азотом) и газоразрядные лампы. В лампах накаливания аргоновое наполнение замедляет испарение вольфрамовой нити накала, увеличивая срок службы лампы. В газоразрядных люминесцентных лампах аргон используется как буферный газ, облегчающий зажигание разряда в парах ртути. Чистый аргон даёт характерное сине-фиолетовое свечение, которое используется в декоративной подсветке и неоновой рекламе.

Электронная промышленность

В производстве полупроводников и микросхем аргон высокой чистоты (99,999%) применяется в качестве рабочего газа для ионной имплантации и ионного травления кремниевых пластин, а также для создания инертной среды в установках эпитаксии и металлизации.

Аналитическая химия и физика

• Масс-спектрометрия: высокочистый аргон используется как газ-носитель в газовой хроматографии и как газ для создания плазмы в атомно-эмиссионном спектрометре (ICP-AES).
• Детекторы частиц: смеси аргона с другими газами применяются в пропорциональных счётчиках и искровых камерах для регистрации ионизирующих излучений (альфа-, бета-частиц, рентгеновского излучения).
• Геохронология: на основе накопления ⁴⁰Ar при распаде ⁴⁰K разработан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород.

Пищевая промышленность

Аргон разрешён к применению в качестве пищевой добавки E938. Он используется как упаковочный газ для продуктов питания. Замещая воздух в упаковке, аргон замедляет окисление жиров и потерю влаги, продлевая срок хранения мяса, сыров, кофе, чая, чипсов и других продуктов.

Термоизоляция

Благодаря низкой теплопроводности аргон используется для заполнения стеклопакетов в энергоэффективных окнах. Замена воздуха в межстекольном пространстве на аргон позволяет снизить теплопотери на 10–15%.

Биологическая роль

Аргон не является биогенным элементом и не участвует в обмене веществ. Будучи инертным газом при атмосферном давлении, он не токсичен для человека. Однако при вдыхании под давлением (в барокамерах, при глубоководных погружениях) аргон, как и другие инертные газы, может оказывать наркотическое действие. Жидкий аргон при контакте с кожей вызывает сильное обморожение. Высокая концентрация аргона в воздухе (в герметичных помещениях) способна вызвать кислородное голодание (гипоксию), так как он вытесняет кислород.

Интересные факты

• В 1957 году в физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) в Москве был создан первый в мире газовый лазер, в котором активной средой служила смесь гелия и неона (He-Ne лазер). Аргон также используется в аргоновых ионных лазерах, дающих мощное излучение в сине-зелёной области спектра.
• Калий-аргоновое датирование, основанное на распаде ⁴⁰K в ⁴⁰Ar, позволило определить возраст древнейших горных пород и метеоритов. С его помощью, в частности, был установлен возраст Земли — около 4,5 миллиардов лет.
• В космосе аргон (в основном ³⁶Ar) был обнаружен на планетах-гигантах (Юпитер, Сатурн), в атмосферах Марса и Венеры, а также в составе лунного реголита, доставленного американскими миссиями «Аполлон» и советскими автоматическими станциями «Луна». На Луне аргон (⁴⁰Ar) выделяется из недр в результате радиоактивного распада.

Источники

• Некрасов Б. В. Основы общей химии. — 3-е изд. — М.: Химия, 1973. — Т. 1. — 656 с.
• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — 4-е изд. — М.: Высшая школа, 2002. — 743 с.
• Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
• Химическая энциклопедия. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 1. — 623 с.
• Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. — Л.: Химия, 1977. — 376 с.