Введение

химический элемент

Аргон — химический элемент с символом Ar и атомным номером 18. Он находится в 18-й группе периодической таблицы и является благородным газом. Аргон — третий по распространенности газ в атмосфере Земли, составляя 0,934% (9340 ppmv). Его содержание более чем в два раза превышает содержание водяного пара (который в среднем составляет около 4000 ppmv, но значительно варьируется), в 23 раза больше, чем содержание углекислого газа (400 ppmv), и более чем в 500 раз больше, чем содержание неона (18 ppmv). Аргон является наиболее распространенным благородным газом в земной коре, составляя 0,00015% её массы. Почти весь аргон в атмосфере Земли — это радиогенный аргон-40, образующийся при распаде калия-40 в земной коре. Во Вселенной наиболее распространенным изотопом аргона является аргон-36, поскольку он наиболее легко образуется в результате звездного нуклеосинтеза в сверхновых звездах. Название "аргон" происходит от греческого слова ἀργόν, именительного падежа единственного числа от ἀργός, означающего «ленивый» или «неактивный», что связано с тем, что элемент практически не вступает в химические реакции. Заполненная октетом (восемью электронами) внешняя атомная оболочка делает аргон стабильным и устойчивым к образованию связей с другими элементами. Температура тройной точки аргона, равная 83,8058 К, является определяющей фиксированной точкой в Международной температурной шкале 1990 года. Аргон получают промышленным способом методом фракционной перегонки жидкого воздуха. Он в основном используется в качестве инертного защитного газа при сварке и других высокотемпературных промышленных процессах, где обычно нереактивные вещества становятся реакционноспособными; например, аргоновая атмосфера используется в графитовых электропечах для предотвращения сгорания графита. Он также применяется в лампах накаливания, люминесцентных лампах и других газоразрядных трубках. Аргон позволяет создавать лазеры с характерным сине-зеленым излучением. Он также используется в пускателях люминесцентных ламп.

Характеристики

Аргон имеет примерно такую же растворимость в воде, как кислород, и в 2,5 раза более растворим в воде, чем азот. Аргон бесцветный, без запаха, негорючий и нетоксичный в твердом, жидком или газообразном состоянии. Аргон химически инертен в большинстве условий и не образует подтвержденных стабильных соединений при комнатной температуре. Хотя аргон является благородным газом, он способен образовывать некоторые соединения в различных экстремальных условиях. Было продемонстрировано существование аргон фторгидрида (HArF) – соединения аргона с фтором и водородом, стабильного при температурах ниже определенного значения. Несмотря на то, что нейтральные химические соединения аргона в основном состоянии в настоящее время ограничены HArF, аргон может образовывать клатраты с водой, когда атомы аргона оказываются захваченными в кристаллической решетке молекул воды. Также были продемонстрированы ионы, такие как , и комплексы в возбужденном состоянии, например, ArF. Теоретические расчеты предсказывают существование еще нескольких соединений аргона, которые должны быть стабильными, но пока не синтезированы.

История

Аргон (греч. ἀργόν, средний род единственного числа от ἀργός, означающий «ленивый» или «неактивный») получил своё название из-за своей химической инертности. Это химическое свойство первого обнаруженного благородного газа произвело впечатление на тех, кто его назвал. Генри Кавендиш ещё в 1785 году предполагал, что нереактивный газ является компонентом воздуха. Аргон впервые был выделен из воздуха в 1894 году лордом Рэлеем и сэром Уильямом Рамсеем в Университетском колледже Лондона путём удаления кислорода, углекислого газа, воды и азота из образца чистого воздуха. Они впервые достигли этого, повторив эксперимент Генри Кавендиша. Они заключили смесь атмосферного воздуха с добавленным кислородом в пробирку (А), перевёрнутую вверх дном над большим количеством разбавленного щёлочного раствора (В), который в оригинальном эксперименте Кавендиша представлял собой гидроксид калия. Аргон также был обнаружен в 1882 году в ходе независимых исследований Х. Ф. Ньюолла и У. Н. Хартли. Каждый из них наблюдал новые линии в спектре излучения воздуха, не совпадающие с известными элементами. До 1957 года символом аргона была буква «А», но теперь используется «Ar».

Возникновение

Аргон составляет 0,934% по объему и 1,288% по массе атмосферы Земли. Воздух является основным промышленным источником очищенного аргона. Аргон выделяют из воздуха методом фракционирования, наиболее распространенным способом является криогенная фракционная перегонка, в процессе которой также получают очищенный азот, кислород, неон, криптон и ксенон. Земная кора и морская вода содержат 1,2 ppm и 0,45 ppm аргона соответственно.

Изотопы

Основными изотопами аргона, обнаруженными на Земле, являются ⁴⁰Ar (99,6%), ³⁶Ar (0,34%) и ³⁸Ar (0,06%). Природный ⁴⁰K калий с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет распадается до стабильного ⁴⁰Ar (11,2%) путем захвата электронов или излучения позитронов, а также до стабильного ⁴⁰Ca кальция (88,8%) путем бета-распада. Эти свойства и соотношения используются для определения возраста горных пород методом K–Ar датирования. В атмосфере Земли ⁴⁰Ar образуется в результате космической активности, главным образом, захватом нейтронов ядрами ¹⁴N азота с последующим испусканием двух нейтронов. В подповерхностной среде он также образуется путем захвата нейтронов ядрами ¹⁴N азота с последующим испусканием протона. ³⁹Ar создается из захвата нейтронов ядрами ³⁸Ar аргона с последующим испусканием альфа-частицы в результате подповерхностных ядерных взрывов. У него период полураспада 35 дней. Соотношение трех изотопов ³⁶Ar : ³⁸Ar : ⁴⁰Ar в атмосферах внешних планет составляет 8400 : 1600 : 1. Это контрастирует с низкой концентрацией первичного ³⁶Ar в атмосфере Земли, которая составляет всего 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), что сопоставимо с содержанием неона (18,18 ppmv) на Земле и с межпланетными газами, измеренными зондами. Атмосферы Марса, Меркурия и Титана (крупнейшего спутника Сатурна) содержат аргон, преимущественно в виде ⁴⁰Ar, и его содержание может достигать 1,93% (Марс). Преобладание радиогенного ⁴⁰Ar является причиной того, что стандартная атомная масса земного аргона больше, чем у следующего элемента, калия, факт, который был загадочным при открытии аргона. Менделеев располагал элементы в своей периодической таблице в порядке атомного веса, но инертность аргона предполагала размещение его перед реактивным щелочным металлом. Генри Мозли позже решил эту проблему, показав, что периодическая таблица на самом деле упорядочена по атомному номеру (см. История периодической таблицы).

Соединения

Полный октет электронов аргона указывает на заполненные s и p подслои. Эта заполненная валентная оболочка делает аргон очень стабильным и крайне устойчивым к образованию связей с другими элементами. До 1962 года аргон и другие благородные газы считались химически инертными и неспособными образовывать соединения; однако соединения более тяжелых благородных газов впоследствии были синтезированы. Первое соединение аргона с пентакарбонилом вольфрама, W(CO)5Ar, было выделено в 1975 году, но в то время оно не получило широкого признания. В августе 2000 года исследователи из Хельсинкского университета получили другое соединение аргона – фторгидрид аргона (HArF), облучив замороженный аргон, содержащий небольшое количество фтористого водорода и йодида цезия, ультрафиолетовым светом. Это открытие привело к признанию того, что аргон способен образовывать слабосвязанные соединения, хотя и не был первым из них. Он стабилен до 17 кельвинов (−256 °C). Метастабильный дикатион ArCF22+, валентно-изоэлектронный с карбонилфторидом и фосгеном, был обнаружен в 2010 году. Аргон-36 в форме ионов гидрида аргона (аргония) был зарегистрирован в межзвездной среде, связанной со сверхновой в туманности Краб; это была первая молекула благородного газа, обнаруженная в космосе. Твердый гидрид аргона (Ar(H2)2) имеет ту же кристаллическую структуру, что и фаза Лавеса MgZn2. Он образуется при давлениях от 4,3 до 220 ГПа, однако рамановские измерения показывают, что молекулы H2 в Ar(H2)2 диссоциируют при давлении выше 175 ГПа.

Производство

Аргон получают промышленным способом посредством фракционной перегонки жидкого воздуха в криогенной установке разделения воздуха; процесс, который разделяет жидкий азот, кипящий при 77,3 К, от аргона, кипящего при 87,3 К, и жидкий кислород, кипящий при 90,2 К. Ежегодно в мире производится около 700 000 тонн аргона.

Промышленные процессы

Аргон используется в некоторых высокотемпературных промышленных процессах, где обычно неактивные вещества становятся реакционноспособными. Например, аргоновая атмосфера используется в графитовых электропечах для предотвращения сгорания графита. В некоторых из этих процессов присутствие азота или кислорода может приводить к образованию дефектов в материале. Аргон применяется в некоторых видах дуговой сварки, таких как сварка плавящимся электродом в защитных газах и сварка неплавящимся электродом в защитных газах, а также при обработке титана и других реакционноспособных элементов. Аргоновая атмосфера также используется для выращивания кристаллов кремния и германия. В птицеводстве аргон применяется для удушения птиц, как для массового отбора после вспышек заболеваний, так и в качестве более гуманного способа убоя, чем электрическое оглушение. Аргон тяжелее воздуха и вытесняет кислород у земли при удушении инертным газом. Благодаря своей нереактивности он подходит для использования в пищевой промышленности, а поскольку он заменяет кислород в тушке птицы, аргон также увеличивает срок годности. Аргон иногда используется для тушения пожаров, когда ценное оборудование может быть повреждено водой или пеной.

Научные исследования

Жидкий аргон используется в качестве мишени для экспериментов с нейтрино и прямых поисков темной материи. Взаимодействие между гипотетическими WIMP и ядром аргона производит сцинтилляционный свет, который обнаруживается фотоумножителями. Для обнаружения ионизированных электронов, образующихся при рассеянии WIMP на ядре, используются двухфазные детекторы, содержащие газ аргон. Как и большинство других сжиженных благородных газов, аргон обладает высокой светоотдачей сцинтилляции (около 51 фотона/кэВ), прозрачен для собственного сцинтилляционного света и относительно легко очищается. По сравнению с ксеноном, аргон дешевле и имеет отличный временной профиль сцинтилляции, что позволяет разделять электронные отдачи от ядерных. С другой стороны, его собственный бета-радиационный фон выше из-за примесей, если не используется аргон из подземных источников, содержащий значительно меньше примесей. Большая часть аргона в атмосфере Земли образовалась в результате электронного захвата долгоживущим ( + e− → + ν), присутствующим в природном калии внутри Земли. Активность в атмосфере поддерживается космогенным производством посредством реакции выбивания (n,2n) и подобных реакций. Период полураспада составляет всего 269 лет. В результате, подземный аргон, защищенный горными породами и водой, содержит значительно меньше примесей. Детекторы темной материи, работающие с жидким аргоном, включают DarkSide, WArP, ArDM, microCLEAN и DEAP. Нейтринные эксперименты включают ICARUS и MicroBooNE, оба из которых используют жидкий аргон высокой чистоты в камере временной проекции для детальной трехмерной визуализации взаимодействий нейтрино. В Университете Линчёпинга (Швеция) инертный газ используется в вакуумной камере, в которую вводят плазму для ионизации металлических пленок. Этот процесс позволяет получить пленку, пригодную для производства компьютерных процессоров. Новая технология позволит отказаться от химических ванн и использования дорогих, опасных и редких материалов.

Консервант

Аргон используется для вытеснения кислорода и влаги из воздуха в упаковочных материалах, чтобы увеличить срок годности содержимого (аргон имеет европейский код пищевой добавки E938). Воздушное окисление, гидролиз и другие химические реакции, приводящие к порче продуктов, замедляются или полностью предотвращаются. Химические вещества и фармацевтические препараты высокой чистоты иногда упаковываются и герметично закрываются в аргоне. В виноделии аргон используется в различных процессах для создания барьера против кислорода на поверхности жидкости, который может испортить вино, стимулируя как микробный метаболизм (например, у уксуснокислых бактерий), так и обычные окислительно-восстановительные реакции. Аргон иногда используется в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках. Аргон также применяется в качестве консерванта для таких продуктов, как лак, полиуретан и краска, вытесняя воздух для подготовки контейнера к хранению. С 2002 года в Национальном архиве США важные национальные документы, такие как Декларация независимости и Конституция, хранятся в герметичных контейнерах, заполненных аргоном, для замедления их разрушения. Аргон предпочтительнее гелия, который использовался в течение предыдущих пяти десятилетий, поскольку гелий просачивается через межмолекулярные поры в большинстве контейнеров и требует регулярной замены.

Лабораторное оборудование

Аргон может использоваться в качестве инертного газа в линиях Шленка и в боксах с перчатками. Аргон предпочтительнее более дешевого азота в случаях, когда азот может вступать в реакцию с реагентами или оборудованием. Аргон может использоваться в качестве газа-носителя в газовой хроматографии и в масс-спектрометрии с электрораспылением; он является газом выбора для плазмы, используемой в ICP-спектроскопии. Аргон предпочтителен для ионного распыления образцов для сканирующей электронной микроскопии. Газ аргон также широко используется для нанесения тонких пленок методом распыления, например, в микроэлектронике, и для очистки пластин при микропроизводстве.

Медицинское применение

Криохирургические процедуры, такие как криоабляция, используют жидкий аргон для разрушения тканей, включая раковые клетки. Он применяется в процедуре, называемой "коагуляцией, усиленной аргоном" – разновидности электрохирургии аргоноплазменным лучом. Процедура сопряжена с риском образования газовой эмболии и привела к смерти как минимум одного пациента. Синие аргоновые лазеры используются в хирургии для запаивания артерий, разрушения опухолей и коррекции дефектов зрения.

Освещение

Лампы накаливания заполняются аргоном для защиты нитей от окисления при высоких температурах. Он используется благодаря особенностям его ионизации и излучения света, например, в плазменных глобусах и калориметрии в экспериментальной физике частиц. Газоразрядные лампы, заполненные чистым аргоном, излучают лиловый/фиолетовый свет, а с добавлением ртути – синий свет. Аргон также применяется в синих и зеленых аргон-ионных лазерах.

Различные виды использования

Аргон используется для теплоизоляции в энергоэффективных окнах. Аргон также применяется в техническом дайвинге для надувания сухих гидрокостюмов, поскольку он инертен и обладает низкой теплопроводностью. Аргон используется в качестве рабочего тела при разработке магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом (VASIMR). Расширяющийся сжатый аргон используется для охлаждения боевых головок самонаведения некоторых модификаций ракеты AIM 9 Sidewinder и других ракет, оснащенных охлаждаемыми тепловыми головками самонаведения. Газ хранится под высоким давлением. Аргон-39 с периодом полураспада 269 лет применяется в ряде областей, главным образом для датирования ледяных кернов и грунтовых вод. Кроме того, калий-аргоновый метод и связанный с ним аргон-аргоновый метод используются для датирования осадочных, метаморфических и магматических пород.

Безопасность

Хотя аргон нетоксичен, он на 38% плотнее воздуха и поэтому считается опасным удушающим газом в закрытых помещениях. Его трудно обнаружить, так как он бесцветен, не имеет запаха и вкуса. Инцидент 1994 года, когда мужчина погиб от удушья, войдя в заполненный аргоном участок строящегося нефтепровода на Аляске, подчеркивает опасность утечки аргона в замкнутых пространствах и необходимость правильного использования, хранения и обращения с ним.