Аргон — химический элемент ; он имеет символ Ar и атомный номер 18. Он находится в 18-й группе периодической таблицы и является благородным газом . [8] Аргон является третьим по распространенности газом в атмосфере Земли , его содержание составляет 0,934% (9340 ppmv ). Его более чем в два раза больше, чем водяного пара (которое в среднем составляет около 4000 ppmv, но сильно варьируется), в 23 раза больше, чем углекислого газа (400 ppmv), и более чем в 500 раз больше, чем неона (18 ppmv). Аргон — самый распространенный благородный газ в земной коре , составляющий 0,00015% земной коры.
Почти весь аргон в атмосфере Земли представляет собой радиогенный аргон-40 , образующийся в результате распада калия -40 в земной коре. Во Вселенной аргон-36 на сегодняшний день является наиболее распространенным изотопом аргона , поскольку его легче всего производить в результате звездного нуклеосинтеза в сверхновых .
Название «аргон» происходит от греческого слова ἀργόν , формы среднего единственного числа от ἀργός, означающего «ленивый» или «неактивный», что указывает на тот факт, что элемент почти не подвергается химическим реакциям. Полный октет (восемь электронов) во внешней атомной оболочке делает аргон стабильным и устойчивым к связыванию с другими элементами. Температура тройной точки 83,8058 К является определяющей фиксированной точкой Международной температурной шкалы 1990 года .
Аргон добывают в промышленности путем фракционной перегонки жидкого воздуха . В основном он используется в качестве инертного защитного газа при сварке и других высокотемпературных промышленных процессах, где обычно нереактивные вещества становятся реактивными; например, в графитовых электропечах используется атмосфера аргона , чтобы предотвратить горение графита. Он также используется в лампах накаливания , люминесцентных лампах и других газоразрядных лампах. Он производит характерный сине-зеленый газовый лазер . Он также используется в люминесцентных тлеющих стартёрах.
Аргон имеет примерно такую же растворимость в воде, как и кислород , и в 2,5 раза лучше растворяется в воде, чем азот . Аргон бесцветен, не имеет запаха, негорюч и нетоксичен в твердом, жидком или газообразном состоянии. [9] Аргон химически инертен в большинстве условий и не образует подтвержденных стабильных соединений при комнатной температуре.
Хотя аргон является благородным газом , он может образовывать некоторые соединения в различных экстремальных условиях. Был продемонстрирован фторгидрид аргона (HArF), соединение аргона с фтором и водородом , стабильное при температуре ниже 17 К (-256,1 ° C; -429,1 ° F). [10] [11] Хотя нейтральные химические соединения аргона в основном состоянии в настоящее время ограничены HArF, аргон может образовывать клатраты с водой, когда атомы аргона захватываются решеткой молекул воды. [12] Ионы , такие как ArH+
и комплексы в возбужденном состоянии , такие как ArF, были продемонстрированы. Теоретический расчет предсказывает еще несколько соединений аргона , которые должны быть стабильными [13] , но пока не синтезированы.
Аргон ( греческий ἀργόν , форма среднего единственного числа от ἀργός , что означает «ленивый» или «неактивный») назван в честь его химической неактивности. Это химическое свойство первого открытого благородного газа произвело впечатление на авторов названия. [14] [15] Генри Кавендиш в 1785 году подозревал, что инертный газ является компонентом воздуха. [16]
Аргон был впервые выделен из воздуха в 1894 году лордом Рэлеем и сэром Уильямом Рамзи в Университетском колледже Лондона путем удаления кислорода , углекислого газа , воды и азота из образца чистого воздуха. [17] [18] [19] Впервые они добились этого, повторив эксперимент Генри Кавендиша . Они поймали смесь атмосферного воздуха с дополнительным кислородом в перевернутой пробирке (А) над большим количеством разбавленного раствора щелочи (Б), которым в первоначальном эксперименте Кавендиша был гидроксид калия [16] , и пропустили ток через провода изолированы U-образными стеклянными трубками (CC), которые герметизируются вокруг платиновых проволочных электродов, оставляя концы проводов (DD) открытыми для газа и изолированными от раствора щелочи. Дуга питалась от батареи из пяти элементов Гроува и катушки Румкорфа среднего размера. Щелочь поглотила образующиеся при дуге оксиды азота, а также углекислый газ. Они эксплуатировали дугу до тех пор, пока в течение по крайней мере часа или двух не прекращалось уменьшение объема газа, а спектральные линии азота не исчезали при исследовании газа. Оставшийся кислород подвергся реакции со щелочным пирогаллатом, в результате чего остался явно нереакционноспособный газ, который они назвали аргоном.
Прежде чем изолировать газ, они определили, что азот, полученный из химических соединений, на 0,5% легче азота из атмосферы. Разница была незначительной, но она была достаточно важной, чтобы привлечь их внимание на многие месяцы. Они пришли к выводу, что в воздухе был смешанный с азотом еще один газ. [20] Аргон также был обнаружен в 1882 году благодаря независимым исследованиям Х. Ф. Ньюолла и У. Н. Хартли. [21] Каждый из них наблюдал новые линии в спектре излучения воздуха, которые не соответствовали известным элементам.
До 1957 года символом аргона была «А», но теперь это «Ar». [22]
Аргон составляет 0,934% по объему и 1,288% по массе атмосферы Земли . [23] Воздух является основным промышленным источником очищенного аргона. Аргон выделяют из воздуха путем фракционирования, чаще всего с помощью криогенной фракционной перегонки — процесса, в ходе которого также получают очищенный азот , кислород , неон , криптон и ксенон . [24] Земная кора и морская вода содержат 1,2 ppm и 0,45 ppm аргона соответственно. [25]
Основные изотопы аргона, обнаруженные на Земле:40
Ар (99,6%),36
Ar (0,34%) и38
Ар (0,06%). Встречающиеся в природе40
К , с периодом полураспада 1,25 × 109 лет, снижается до стабильного40
Ar (11,2%) путем захвата электронов или эмиссии позитронов , а также в стабильные40
Са (88,8%) путем бета-распада . Эти свойства и соотношения используются для определения возраста пород методом K-Ar датирования . [25] [26]
В атмосфере Земли,39
Ar образуется в результате активности космических лучей , в первую очередь путем захвата нейтронов40
Ar с последующей двухнейтронной эмиссией. В подземной среде он также образуется за счет захвата нейтронов39
K с последующей эмиссией протонов.37
Ar создается в результате захвата нейтронов40
Ca с последующим выбросом альфа-частиц в результате подземных ядерных взрывов . Период полураспада составляет 35 дней. [26]
В разных местах Солнечной системы изотопный состав аргона сильно различается. Если основным источником аргона является распад40К в скалах,40
Ar будет доминирующим изотопом, как и на Земле. В аргоне, производимом непосредственно в результате звездного нуклеосинтеза , преобладает нуклид альфа-процесса.36
Ар . Соответственно, солнечный аргон содержит 84,6%36
Ar (по измерениям солнечного ветра ) [27] , а соотношение трех изотопов 36 Ar : 38 Ar : 40 Ar в атмосферах внешних планет составляет 8400 : 1600 : 1. [28] Это контрастирует с низким содержанием первобытного _ 36
Содержание Ar в атмосфере Земли составляет всего 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), что сравнимо с содержанием неона (18,18 ppmv) на Земле и с межпланетными газами, измеренными зондами .
В атмосферах Марса , Меркурия и Титана (крупнейшего спутника Сатурна ) содержится аргон, преимущественно в виде40
Ar , и его содержание может достигать 1,93% (Марс). [29]
Преобладание радиогенных 40
Аргон является причиной того, что стандартный атомный вес земного аргона больше, чем у следующего элемента, калия , и этот факт вызвал недоумение, когда был открыт аргон. Менделеев расположил элементы в своей таблице Менделеева в порядке атомного веса, но инертность аргона предполагала его размещение перед химически активным щелочным металлом . Генри Мозли позже решил эту проблему, показав, что периодическая таблица на самом деле расположена в порядке атомного номера (см. «История периодической таблицы »).
Полный октет электронов аргона указывает на полные подоболочки s и p. Эта полновалентная оболочка делает аргон очень стабильным и чрезвычайно устойчивым к связыванию с другими элементами. До 1962 года аргон и другие благородные газы считались химически инертными и неспособными образовывать соединения; однако с тех пор были синтезированы соединения более тяжелых благородных газов. Первое соединение аргона с пентакарбонилом вольфрама W(CO) 5 Ar было выделено в 1975 году. Однако в то время оно не получило широкого признания. [30] В августе 2000 года другое соединение аргона, фторгидрид аргона (HArF), было получено исследователями из Хельсинкского университета путем освещения ультрафиолетовым светом замороженного аргона, содержащего небольшое количество фторида водорода с йодидом цезия . Это открытие послужило причиной признания того, что аргон может образовывать слабосвязанные соединения, хотя и не было первым. [11] [31] [32] Стабилен до 17 Кельвинов (-256 ° C). Метастабильный ArCF _ 2+
2дикатион, который валентно- изоэлектронен карбонилфториду и фосгену , наблюдался в 2010 году. [33] Аргон-36 в форме ионов гидрида аргона ( аргония ) был обнаружен в межзвездной среде , связанной со сверхновой Крабовидной туманностью ; это была первая молекула благородного газа , обнаруженная в космическом пространстве . [34] [35]
Твердый гидрид аргона (Ar(H 2 ) 2 ) имеет ту же кристаллическую структуру, что и фаза Лавеса MgZn 2 . Он образуется при давлениях от 4,3 до 220 ГПа, хотя измерения комбинационного рассеяния света показывают, что молекулы H 2 в Ar(H 2 ) 2 диссоциируют при давлении выше 175 ГПа. [36]
Аргон добывают в промышленности путем фракционной перегонки жидкого воздуха в криогенной воздухоразделительной установке; процесс, который отделяет жидкий азот , который кипит при 77,3 К, от аргона, который кипит при 87,3 К, и жидкого кислорода , который кипит при 90,2 К. Ежегодно во всем мире производится около 700 000 тонн аргона. [25] [37]
Аргон имеет несколько полезных свойств:
Для большинства этих применений в равной степени подходят и другие благородные газы , но аргон, безусловно, является самым дешевым. Он недорог, поскольку в природе встречается в воздухе и легко получается как побочный продукт криогенного разделения воздуха при производстве жидкого кислорода и жидкого азота : основные компоненты воздуха используются в крупных промышленных масштабах. Другие благородные газы (кроме гелия ) также производятся таким же способом, но аргона, безусловно, больше всего. Основная часть его применений возникает просто потому, что он инертен и относительно дешев.
Аргон используется в некоторых высокотемпературных промышленных процессах, где обычно нереактивные вещества становятся реактивными. Например, в графитовых электропечах используется атмосфера аргона, чтобы предотвратить горение графита.
В некоторых из этих процессов присутствие газов азота или кислорода может вызвать дефекты в материале. Аргон применяется при некоторых видах дуговой сварки , таких как газовая дуговая сварка и газовая вольфрамовая дуговая сварка , а также при обработке титана и других химически активных элементов. В атмосфере аргона также выращивают кристаллы кремния и германия .
Аргон используется в птицеводстве для удушения птиц либо для массовой выбраковки после вспышек заболеваний, либо в качестве средства убоя, более гуманного, чем оглушение электрическим током . Аргон плотнее воздуха и вытесняет кислород вблизи земли при удушье инертным газом . [38] [39] Его нереактивная природа делает его пригодным для использования в пищевых продуктах, а поскольку он заменяет кислород в мертвой птице, аргон также увеличивает срок хранения. [40]
Аргон иногда используется для тушения пожаров , когда ценное оборудование может быть повреждено водой или пеной. [41]
Жидкий аргон используется в качестве мишени для экспериментов с нейтрино и прямых поисков темной материи . Взаимодействие между гипотетическими вимпами и ядром аргона производит сцинтилляционный свет, который регистрируется фотоумножителями . Двухфазные детекторы, содержащие газообразный аргон, используются для обнаружения ионизированных электронов, образующихся во время рассеяния вимпа на ядре. Как и большинство других сжиженных благородных газов, аргон имеет высокий сцинтилляционный световой выход (около 51 фотон/кэВ [42] ), прозрачен для собственного сцинтилляционного света и относительно легко очищается. По сравнению с ксеноном аргон дешевле и имеет четкий профиль времени сцинтилляции, что позволяет отделить электронную отдачу от ядерной. С другой стороны, его собственный фон бета-излучения больше из-за39
Загрязнение аргоном , если только не использовать аргон из подземных источников, у которого гораздо меньше39
Загрязнение аром . Большая часть аргона в атмосфере Земли образовалась в результате захвата электронов долгоживущих40
К (40
К + е − →40
Ar + ν) присутствует в природном калии на Земле. 39
Активность Ar в атмосфере поддерживается за счет космогенного производства посредством реакции нокаута.40
Ар (n,2n)39
Ar и подобные реакции. Период полураспада39
Ару всего 269 лет. В результате подземный Ар, экранированный скалами и водой, имеет гораздо меньше39
Загрязнение аром . [43] Детекторы темной материи, работающие в настоящее время 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 мелкозернистого трехмерного изображения взаимодействий нейтрино.
В Университете Линчепинга, Швеция, инертный газ используется в вакуумной камере, в которую вводится плазма для ионизации металлических пленок. [44] В результате этого процесса получается пленка, пригодная для производства компьютерных процессоров. Новый процесс устранит необходимость в химических ваннах и использовании дорогих, опасных и редких материалов.
Аргон используется для вытеснения воздуха, содержащего кислород и влагу, в упаковочном материале для продления срока хранения содержимого (аргон имеет европейский код пищевой добавки E938). Воздушное окисление, гидролиз и другие химические реакции, приводящие к разложению продуктов, замедляются или полностью предотвращаются. Химические и фармацевтические препараты высокой чистоты иногда упаковывают и герметизируют в аргоне. [45]
В виноделии аргон используется в различных сферах деятельности, чтобы обеспечить барьер против кислорода на поверхности жидкости, который может испортить вино, стимулируя как микробный метаболизм (как в случае с уксуснокислыми бактериями ), так и стандартную окислительно-восстановительную химию.
Аргон иногда используется в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках.
Аргон также используется в качестве консерванта для таких продуктов, как лак , полиуретан и краска, путем вытеснения воздуха для подготовки контейнера к хранению. [46]
С 2002 года Американский национальный архив хранит важные национальные документы, такие как Декларация независимости и Конституция, в футлярах, наполненных аргоном, чтобы предотвратить их разрушение. Аргон предпочтительнее гелия, который использовался в предыдущие пять десятилетий, поскольку газообразный гелий выходит через межмолекулярные поры в большинстве контейнеров и его необходимо регулярно заменять. [47]
Аргон может использоваться в качестве инертного газа в линиях Шленка и перчаточных боксах . Аргон предпочтительнее менее дорогого азота в тех случаях, когда азот может вступать в реакцию с реагентами или аппаратом.
Аргон может использоваться в качестве газа-носителя в газовой хроматографии и масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением ; это предпочтительный газ для плазмы, используемой в ИСП- спектроскопии . Аргон предпочтителен для нанесения напылением образцов для сканирующей электронной микроскопии . Газообразный аргон также широко используется для напыления тонких пленок в микроэлектронике и для очистки пластин в микропроизводстве .
В процедурах криохирургии , таких как криоабляция , используется жидкий аргон для разрушения тканей, таких как раковые клетки. Он используется в процедуре, называемой «коагуляция с усилением аргона», форме электрохирургии с аргоновой плазмой . Процедура сопряжена с риском газовой эмболии и привела к смерти как минимум одного пациента. [48]
Синие аргоновые лазеры используются в хирургии для сварки артерий, разрушения опухолей и коррекции дефектов глаз. [25]
Аргон также использовался экспериментально для замены азота в дыхательной или декомпрессионной смеси, известной как Аргокс , для ускорения выведения растворенного азота из крови. [49]
Лампы накаливания заполнены аргоном, чтобы предохранить нити накала от окисления при высокой температуре. Он используется для особого способа ионизации и излучения света, например, в плазменных шарах и калориметрии в экспериментальной физике элементарных частиц . Газоразрядные лампы , наполненные чистым аргоном, дают сиреневый/фиолетовый свет; с аргоном и небольшим количеством ртути — синий свет. Аргон также используется в синих и зеленых аргоно-ионных лазерах .
Аргон используется для теплоизоляции энергосберегающих окон . [50] Аргон также используется в техническом подводном плавании с аквалангом для надувания сухого костюма , поскольку он инертен и имеет низкую теплопроводность. [51]
Аргон используется в качестве топлива при разработке магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом (VASIMR). Сжатому газу аргону разрешено расширяться для охлаждения головок ГСН некоторых версий ракеты AIM-9 Sidewinder и других ракет, в которых используются охлаждаемые тепловые головки ГСН. Газ хранится под высоким давлением . [52]
Аргон-39, период полураспада которого составляет 269 лет, использовался для ряда целей, в первую очередь для датирования кернов льда и грунтовых вод . Кроме того, калий-аргоновое датирование и связанное с ним аргон-аргоновое датирование используются для датирования осадочных , метаморфических и магматических пород . [25]
Аргон использовался спортсменами в качестве допинга для имитации гипоксических состояний. В 2014 году Всемирное антидопинговое агентство (ВАДА) добавило аргон и ксенон в список запрещенных веществ и методов, хотя на данный момент надежных тестов на злоупотребление не существует. [53]
Хотя аргон не токсичен, он на 38% плотнее воздуха и поэтому считается опасным удушающим веществом в закрытых помещениях. Его трудно обнаружить, поскольку он бесцветен, не имеет запаха и вкуса. Инцидент 1994 года, когда мужчина задохнулся после того, как вошел в наполненный аргоном участок строящегося нефтепровода на Аляске , подчеркивает опасность утечки аргона из резервуара в замкнутых пространствах и подчеркивает необходимость надлежащего использования, хранения и обращения. [54]
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )