Кіріспе

Аргон – химиялық элемент; оның символы Ar және атомдық нөмірі 18. Ол периодтық кестедегі 18-топқа жатады және асыл газ болып табылады. Аргон Жер атмосферасындағы газдың үшінші ең көп мөлшерін құрайды, ол 0,934% (9340 ppmv) құрайды. Ол су буынан екі еседен астам (орташа шамамен 4000 ppmv, бірақ маңызды түрде өзгереді), көмірқышқыл газынан 23 есе көп (400 ppmv) және неоннан 500 есе көп (18 ppmv). Аргон – Жер қыртысындағы ең көп таралған асыл газ, ол қыртыстың 0,00015% құрайды. Жер атмосферасындағы барлық дерлік аргон – Жер қыртысындағы калий-40 ыдырауынан пайда болатын радиогендік аргон-40. Әлемде аргон-36 – ең көп таралған аргон изотопы, себебі ол суперновалардағы жұлдыздық нуклеосинтез арқылы ең оңай өндіріледі. "Аргон" атауы грек сөзі ἀργόν-нан шыққан, ол ἀργός сөзінің ең жалпы түрі, "жалқау" немесе "белсенді емес" деген мағынаны білдіреді, бұл элементтің дерлік ешқандай химиялық реакцияларға түспеуіне сілтеме жасайды. Сыртқы атомдық қабықтағы толық октет (сегіз электрон) аргонды тұрақты етеді және басқа элементтермен байланысуға қарсы келеді. Оның үштік нүктесінің температурасы 83,8058 К – 1990 жылғы Халықаралық температура шкаласындағы анықталған белгілі бір нүкте. Аргон өнеркәсіптік түрде сұйық ауаны фракциялық дистилляциялау арқылы алынады. Ол негізінен дәнекерлеу және басқа да жоғары температуралы өнеркәсіптік процестерде инертті қорғау газы ретінде қолданылады, онда әдетте реакцияға түспейтін заттар реактивті болады; мысалы, графит электр пештерінде графиттің жануын болдырмау үшін аргон атмосферасы қолданылады. Ол сондай-ақ шамдарда, люминесцентті жарықтандыруда және басқа да газды шығару құбырларында қолданылады. Одан ерекше көк-жасыл газ лазер жасауға болады. Ол флуоресцентті шамдардың тұтандырғыштарында да қолданылады.

Сипаттамалары

Аргонның судағы ерігіштігі оттегімен шамалас, ал азотқа қарағанда 2,5 есе көп ерігіш. Аргон қатты, сұйық немесе газ күйінде түссіз, иіссіз, жанбайды және уытты емес. Аргон көптеген жағдайларда химиялық тұрақты болып табылады және бөлме температурасында тұрақты қосылыстар жасамайды. Аргон – асыл газ болғанымен, кейбір қосылыстарды әртүрлі экстремалды жағдайларда құрауы мүмкін. Аргон фторгидриді (HArF) – фтор және сутегімен аргоннан тұратын, белгілі бір температурадан төмен тұрақты болатын қосылыс. Аргонның бейтарап күйдегі химиялық қосылыстары қазіргі уақытта HArF-пен ғана шектелгенімен, аргон атомдары су молекулаларының кристалдық торына түсіп қалғанда сумен клатраттарды құрауы мүмкін. АрF сияқты иондар мен қозу күйіндегі кешендер де көрсетілген. Теориялық есептеулер бойынша, тұрақты болуы мүмкін, бірақ әлі синтезделмеген тағы бірнеше аргон қосылыстары бар.

Тарих

Аргон (грекше ἀργόν, ἀργός сөзінің есімдік жалғыз сан түрі "жалқау" немесе "белсенді емес" деген мағынаны білдіреді) химиялық белсенділігінің болмауына байланысты осылай аталған. Бұл, алғаш ашылған асыл газдың химиялық қасиеті, оны атайтындарға үлкен әсер етті. 1785 жылы Генри Кавендиш реакцияға түспейтін газдың ауа құрамында бар екенін болжады. Аргонды алғаш рет 1894 жылы лорд Рэйли мен сэр Уильям Рамзи Лондон университетінің колледжінде таза ауадан оттегі, көмірқышқыл газы, су және азотты жою арқылы бөліп алды. Олар бұл жұмысты Генри Кавендиштің тәжірибесін қайталап жасады. Олар атмосфералық ауа мен қосымша оттегі қоспасын сынақ түтігіне (А) аударып, көп мөлшердегі сұйылтылған сілтілік ерітіндіге (В) орналастырды, Кавендиштің бастапқы тәжірибесінде бұл калий гидроксиді болды. Аргон 1882 жылы Х.Ф. Ньюолл мен В.Н. Хартлидің тәуелсіз зерттеулерінде де кездескен. Олар ауаның шығарылу спектрінде белгілі элементтерге сәйкес келмейтін жаңа сызықтарды байқады. 1957 жылға дейін аргонның таңбасы "А" болды, бірақ қазір "Ar" деп белгіленеді.

Пайда болуы

Аргон Жер атмосферасының көлемінің 0,934% және массасының 1,288% құрайды. Тазартылған аргон өнімдерінің негізгі өнеркәсіптік көзі – ауа. Аргон ауадан фракциялау арқылы бөліп алынады, ең көп қолданылатыны – криогендік фракциялық дистилляция, бұл процесте тазартылған азот, оттегі, неон, криптон және ксенон да өндіріледі. Жер қыртысы мен теңіз суында аргонның мөлшері сәйкесінше 1,2 ppm және 0,45 ppm құрайды.

Изотоптар

Жер бетінде кездесетін аргонның негізгі изотоптары – (99,6%), (0,34%) және (0,06%). Табиғи түрде кездесетін 40калий K, 1,25 жыл жартылай ыдырау периодымен, электронды тұтқындау немесе позитронды эмиссия арқылы тұрақты (11,2%) және бета-ыдырау арқылы тұрақты 40кальций Ca (88,8%) күйіне айналады. Бұл қасиеттер мен арақатынастар K–Ar даталау арқылы тау жыныстарының жасын анықтау үшін қолданылады. Жер атмосферасында, негізінен ғарыштық сәулелердің әрекетінен, әсіресе нейтронды ұстап алу арқылы, содан кейін екі нейтронды эмиссия арқылы пайда болады. Жер астында ол нейтронды ұстап алу арқылы да өндіріледі, содан кейін протонды эмиссия жүзеге асырылады. Нейтронды ұстап алу нәтижесінде пайда болады, ал жер асты ядролық жарылыстардың салдарынан альфа бөлшектері эмиссияланады. Оның жартылай ыдырау периоды 35 күнге тең. Сыртқы планеталар атмосферасындағы үш изотоптың – 36Ar : 38Ar : 40Ar арақатынасы 8400 : 1600 : 1 құрайды. Бұл Жер атмосферасындағы бастапқы аргонның төмен мөлшерімен қарама-қайшы келеді, ол тек 31,5 ppmv ( = 9340 ppmv × 0,337%) құрайды, бұл Жердегі неонмен (18,18 ppmv) және зондтармен өлшенген планетааралық газдармен салыстырылады. Марс, Меркурий және Титан (Сатурнның ең ірі серігі) атмосфераларында аргон басым түрде кездеседі, оның мөлшері 1,93% (Марс) дейін жетеді. Радиогенді аргонның басымдығы – жердегі аргонның стандартты атомдық салмағы келесі элемент, калий, салмағынан жоғары болуының себебі, бұл аргон ашылған кезде қызығушылық тудырған факт. Менделеев элементтерді атомдық салмағы бойынша периодтық кестеге орналастырған, бірақ аргонның инерттілігі реактивті сілтілі металлдан бұрын орналасуды ұсынды. Генри Мозли кейіннен бұл мәселені шешті, периодтық кесте атомдық нөмір ретімен орналасқан екенін көрсетті (периодтық кесте тарихы).

Құралымдар

Аргонның толық электрондық октаты толық s және p субқабықтарын көрсетеді. Бұл толық валентті қабық аргонды өте тұрақты және басқа элементтермен байланысуға өте төзімді етеді. 1962 жылға дейін аргон және басқа асыл газдар химиялық инерт деп есептелді және қосылыстар құрай алмайды; алайда, ауыр асыл газдардың қосылыстары синтезделді. 1975 жылы вольфрам пентакарбонилімен (W(CO)5Ar) аргонның алғашқы қосылысы оқшауланды. Бірақ, ол кезде бұл кеңінен танылмады. 2000 жылдың тамызында Хельсинки университетінің зерттеушілері, аз мөлшерде фторсутектік су және цезий йодиді қосылған мұздатылған аргонға ультракүлгін сәуле шашу арқылы аргон фторгидридін (HArF) синтездеді. Бұл жаңалық аргонның әлсіз байланысқан қосылыстарды құрай алатынын растады, бірақ бұл бірінші жағдай емес еді. Ол 17 кельвинге дейін (-256 °C) тұрақты. 2010 жылы карбонил фториді мен фосгенге валенттік изоэлектронды болатын, метастабильді ArCF22+ дикация байқалды. Аргон-36, аргон гидрид (аргоний) иондары түрінде, Жұлдызаралық кеңістікте, Жүгіртке тұмандығының (Crab Nebula) суперновасымен байланысты табылды; бұл ғарыштағы алғашқы асыл газ молекуласы болды. Қатты аргон гидриді (Ar(H2)2) MgZn2 Лавес фазасымен ұқсас кристалдық құрылымға ие. Ол 4,3 және 220 ГПа арасындағы қысымда пайда болады, бірақ Раман өлшеулері Ar(H2)2-дегі H2 молекулалары 175 ГПа-дан жоғары температурада диссоциацияланатынын көрсетті.

Өндіріс

Аргон криогендік ауаны бөлу қондырғысында сұйық ауаны фракциялық дистилляциялау арқылы өнеркәсіптік түрде алынады; бұл процесте 77,3 К температурада қайнайтын сұйық азот, 87,3 К температурада қайнайтын аргон және 90,2 К температурада қайнайтын сұйық оттек бөлінеді. Жыл сайын әлем бойынша шамамен 700 000 тонна аргон өндіріледі.

Өнеркәсіптік процестер

Аргон кейбір жоғары температуралы өнеркәсіптік процестерде қолданылады, онда әдетте реакцияға түспейтін заттар реакцияға қабілетті болады. Мысалы, графиттің жануын болдырмау үшін графит электр пештерінде аргон атмосферасы пайдаланылады. Мұндай процестердің кейбіреулерінде азот немесе оттегі газдарының болуы материалда кемшіліктер тудыруы мүмкін. Аргон газ металлмен дәнекерлеу және газды вольфраммен дәнекерлеу сияқты кейбір доғалы дәнекерлеу түрлерінде, сондай-ақ титан және басқа да реакцияға бейім элементтерді өңдеуде қолданылады. Кремний мен германий кристалдарын өсіру үшін де аргон атмосферасы қолданылады. Аргон құс өсіру саласында құстарды қысып өлтіру үшін қолданылады, мысалы, аурудың таралуынан кейін жаппай қыру немесе электр шоктан гөрі гуманды сою тәсілі ретінде. Аргон ауадан ауыр, сондықтан инертті газбен улап өлтіру кезінде оттегіні жер бетіне жақын ығыстырады. Оның реакцияға түспейтін қасиеті оны тағам өнімдерінде қолдануға мүмкіндік береді, және ол өлген құстың ішіндегі оттекті ығыстырып, сақтау мерзімін ұзартады. Аргон кейде су немесе көбікпен зақымдануы мүмкін құнды жабдықтарды өрттен сақтау үшін қолданылады.

Ғылыми зерттеулер

Сұйық аргон нейтрино эксперименттері мен қара материяны тікелей іздеу үшін нысана ретінде қолданылады. Гипотетикалық WIMP-тер мен аргон ядросының өзара әрекеттесуі фотокөбейтуші түтіктермен анықталатын сцинтилляциялық жарық тудырады. WIMP-ядро шашырауы кезінде пайда болатын иондалған электрондарды анықтау үшін аргон газы бар екі фазалық детекторлар қолданылады. Басқа көптеген сұйытылған асыл газдар сияқты, аргон да жоғары сцинтилляциялық жарық шығымына ие (шамамен 51 фотон/кеВ), өзінің сцинтилляциялық жарығына мөлдір және салыстырмалы түрде оңай тазаланады. Ксенонмен салыстырғанда, аргон арзанырақ және электрондық кері секірулерді ядролық кері секірулерден ажыратуға мүмкіндік беретін ерекше сцинтилляциялық уақыт профиліне ие. Алайда, оның ішкі бета-сәулелік фоны, егер жер асты көздерінен алынбаса, ластануға байланысты жоғары болады, себебі жер асты аргонында ластану деңгейі әлдеқайда төмен. Жер атмосферасындағы аргонның көп бөлігі Жердегі табиғи калийде кездесетін ұзақ өмір сүретін (+e− → + ν) электронды тұтқындау арқылы пайда болған. Атмосферадағы активтілік космогендік өндіріс арқылы (n,2n) нокаут реакциясы және осыған ұқсас реакциялар арқылы сақталады. Оның жартылай ыдырау периоды бар болғаны 269 жылды құрайды. Осының салдарынан, тас пен сумен қоршалған жер асты аргонында ластану деңгейі әлдеқайда төмен. Қазіргі уақытта сұйық аргонмен жұмыс істейтін қара материя детекторларына DarkSide, WArP, ArDM, microCLEAN және DEAP жатады. Нейтрино эксперименттеріне ICARUS және MicroBooNE кіреді, олардың екеуі де нейтрино өзара әрекеттесуінің ұсақ түйіршікті үш өлшемді бейнелеуі үшін уақыт проекция камерасында жоғары тазалықтағы сұйық аргонды пайдаланады. Швецияның Линчепинг университетінде инертті газ вакуумдық камерада қолданылады, онда плазма металл қабаттарын иондау үшін енгізіледі. Бұл процесс компьютер процессорларын өндіруге жарамды пленканы құрады. Жаңа процесс химиялық ванналарды және қымбат, қауіпті және сирек кездесетін материалдарды қолдану қажеттілігін жояды.

Консервант

Аргон қаптама материалдарындағы оттегі мен ылғалды ауаны ығыстыру арқылы ішкі мазмұнның сақталу мерзімін ұзарту үшін қолданылады (аргонның еуропалық тағамдық қоспа коды E938). Ауадағы тотығу, гидролиз және өнімді бұзған басқа химиялық реакциялар тежеледі немесе толығымен болдырмайды. Жоғары тазалықтағы химиялық заттар мен фармацевтикалық өнімдер кейде аргонмен қапталып, герметикалық жабылады. Шарап жасау кезінде аргон сұйықтық бетіндегі оттегіне қарсы тосқауыл құру үшін қолданылады, себебі ол микробиттік метаболизмді (мысалы, сірке қышқылы бактериялары) және стандартты тотығу-тотығу реакцияларын күшейте отырып, шарапты бұзуы мүмкін. Аргон кейде аэрозоль баллондардағы итергіш газ ретінде қолданылады. Аргон лак, полиуретан және бояу сияқты өнімдерді сақтау үшін де қолданылады, ауаны ығыстырып, контейнерді сақтауға дайындау арқылы. 2002 жылдан бері Америка Құрама Штаттарының Ұлттық мұражайы Тәуелсіздік жариянамасы мен Конституция сияқты маңызды ұлттық құжаттарды аргон толтырылған жабық ыдыстарда сақтап, олардың бүлінуін қысқартады. Аргон гелийге қарағанда артық танылады, себебі гелий газы көптеген ыдыстардың молекулалық аралық тесіктерінен шығып кетеді және оны үнемі алмастыру қажет.

Зертханалық жабдық

Аргонды Schlenk желілері мен қолғап қораптарында инерттік газ ретінде қолдануға болады. Реагенттермен немесе құрал-жабдықтармен әрекеттесуі мүмкін жағдайларда аргон, азоттан қымбат болғанымен, азотқа артықшылық беріледі. Аргон газ хроматографиясында және электроспрейлік иондау массалық спектрометриясында тасымалдаушы газ ретінде қолданылады; ол ICP спектроскопиясында қолданылатын плазма үшін ең қолайлы газ болып табылады. Аргонды сканерлік электрондық микроскопиядағы үлгілерді шашырату үшін де пайдалануға болады. Аргон газы микроэлектроникадағы жұқа пленкаларды шашырату және микрофабрикациядағы пластиналарды тазалау сияқты мақсаттарда да жиі қолданылады.

Медициналық қолдану

Криохирургиялық процедуралар, мысалы криоабляция, тінді, мысалы қатерлі ісік жасушаларын жою үшін сұйық аргонды пайдаланады. Ол "аргонмен күшейтілген коагуляция" деп аталатын процедурада қолданылады, бұл аргон плазмалық сәулесімен электрохирургияның бір түрі. Процедура газ эмболиясының пайда болу қаупін тудырады және кем дегенде бір науқастың өліміне себеп болды. Көк аргонды лазерлер хирургияда артерияларды біріктіруге, ісіктерді жоюға және көздің кемшіліктерін түзетуге қолданылады.

Жарықтандыру

Жарық шамдар жоғары температурада жіпшелерді тотығудан қорғау үшін аргонмен толтырылады. Ол иондану және жарық шығарудың ерекше қабілеті үшін қолданылады, мысалы, плазма шарларында және тәжірибелік бөлшектер физикасындағы калориметрияда. Таза аргонмен толтырылған газды разряд шамдары лила/күлгін түсті жарық береді; аргон және аз мөлшерде сынаппен – көк түсті жарық береді. Аргон сондай-ақ көк және жасыл аргон ионды лазерлерде де қолданылады.

Түрлі пайдалану

Аргон энергия тиімді терезелерде жылу оқшаулау үшін қолданылады. Аргон сондай-ақ техникалық су астына түсуде құрғақ костюмді ісіру үшін пайдаланылады, себебі ол инертті және жылу өткізгіштігі төмен. Аргон айнымалы ерекше импульстік магнитоплазмалық ракетаның (VASIMR) әзірленуінде итергіш ретінде қолданылады. Қысылған аргон газы AIM 9 Sidewinder зымыраларының кейбір түрлеріндегі іздеу бастары мен салқындатылатын жылу іздеу бастары бар басқа зымырандарды салқындату үшін кеңейтіледі. Газ жоғары қысымда сақталады. 269 жылдық жартылай ыдырау периоды бар Аргон-39, негізінен мұз түйіршіктері мен жер асты суларын мерзімдеу үшін қолданылады. Сондай-ақ, калий-аргон және оған байланысты аргон-аргон мерзімдеу әдістері шөгінді, метаморфты және магмалық тау жыныстарын мерзімдеуге қолданылады.

Қауіпсіздік

Аргон улы емес болса да, ауадан 38% тығыз болғандықтан, жабық кеңістіктерде қауіпті тұншықтырушы газ деп есептеледі. Оны анықтау қиын, себебі ол түссіз, иіссіз және дәмсіз. 1994 жылы Аляскада салынып жатқан мұнай құбырының аргонмен толтырылған бөлігіне кірген адамның тұншығып қалуы, аргон баллондарының жабық кеңістікте ағып кету қаупін көрсетеді және оны дұрыс пайдалану, сақтау және тасымалдау қажеттігін ескертеді.