Инертный газ — это газ , который не вступает в химические реакции с другими химическими веществами и, следовательно, не образует химические соединения . Хотя инертные газы имеют множество применений, они обычно используются для предотвращения нежелательных химических реакций с кислородом ( окисление ) и влагой ( гидролиз ) в воздухе, которые могут привести к деградации образца. Как правило, все благородные газы, за исключением оганесона ( гелий , неон , аргон , криптон , ксенон и радон ), азота и углекислого газа , считаются инертными газами. Термин «инертный газ» зависит от контекста, поскольку некоторые благородные газы, включая азот и углекислый газ, могут реагировать при определенных условиях. [1] [2]
Очищенный аргон является наиболее часто используемым инертным газом из-за его высокой распространенности в природе (78,3% N2 , 1% Ar в воздухе) [3] и относительно низкой стоимости.
В отличие от благородных газов , инертный газ не обязательно является элементарным и часто является сложным газом. Как и у благородных газов, тенденция к нереакционной способности обусловлена валентностью , внешней электронной оболочкой , которая является полной во всех инертных газах. [4] Это тенденция, а не правило, поскольку все благородные газы и другие «инертные» газы могут реагировать, образуя соединения при некоторых условиях.
Инертные газы получают путем фракционной перегонки воздуха , за исключением гелия , который отделяется от нескольких источников природного газа, богатых этим элементом, [5] путем криогенной перегонки или мембранного разделения. [6] Для специализированных применений очищенный инертный газ должен производиться специализированными генераторами на месте. Они часто используются химическими танкерами и перевозчиками продуктов (небольшие суда). Для лабораторий также доступны настольные специализированные генераторы.
Из-за нереактивных свойств инертных газов они часто полезны для предотвращения нежелательных химических реакций . Пищевые продукты упаковываются в инертный газ для удаления газообразного кислорода. Это предотвращает рост бактерий. [7] Он также предотвращает химическое окисление кислородом в обычном воздухе. Примером является прогорклость (вызванная окислением) пищевых масел. В упаковке пищевых продуктов инертные газы используются в качестве пассивного консерванта, в отличие от активных консервантов, таких как бензоат натрия ( противомикробное средство ) или BHT ( антиоксидант ).
Исторические документы также могут храниться под инертным газом, чтобы избежать деградации. Например, оригинальные документы Конституции США хранятся под увлажненным аргоном. Ранее использовался гелий, но он был менее пригоден, поскольку он диффундирует из футляра быстрее, чем аргон. [8]
Инертные газы часто используются в химической промышленности. На химическом заводе реакции можно проводить в среде инертного газа, чтобы свести к минимуму опасность возгорания или нежелательные реакции. На таких заводах и на нефтеперерабатывающих заводах линии передачи и сосуды можно продувать инертным газом в качестве меры по предотвращению пожаров и взрывов. На лабораторном стенде химики проводят эксперименты с соединениями, чувствительными к воздуху, используя безвоздушные методы, разработанные для работы с ними в среде инертного газа. Гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон являются инертными газами.
Инертный газ производится на борту танкеров для перевозки сырой нефти (более 8000 тонн с 1 января 2016 года) путем сжигания керосина в специальном генераторе инертного газа . Система инертного газа используется для предотвращения попадания атмосферы в грузовые танки или бункеры во взрывоопасный диапазон. [9] Инертные газы поддерживают содержание кислорода в атмосфере танка ниже 5% (на танкерах для перевозки сырой нефти, меньше для танкеров для перевозки нефтепродуктов и газовых танкеров), таким образом делая любую смесь воздуха и углеводородного газа в танке слишком богатой (слишком высокое соотношение топлива к кислороду) для воспламенения. Инертные газы наиболее важны во время выгрузки и во время балластного рейса, когда в атмосфере танка, вероятно, будет присутствовать больше паров углеводородов . Инертный газ также может использоваться для продувки танка от летучей атмосферы в рамках подготовки к дегазации — замене атмосферы пригодным для дыхания воздухом — или наоборот.
Система дымовых газов использует выхлопные газы котла в качестве источника, поэтому важно, чтобы соотношение топлива и воздуха в горелках котла было правильно отрегулировано, чтобы гарантировать производство высококачественных инертных газов. Слишком много воздуха приведет к содержанию кислорода более 5%, а слишком много мазута приведет к переносу опасного углеводородного газа. Дымовой газ очищается и охлаждается скрубберной башней . Различные предохранительные устройства предотвращают избыточное давление, возврат углеводородного газа в машинное отделение или подачу IG со слишком высоким содержанием кислорода.
Газовые танкеры и продуктовозы не могут полагаться на системы дымовых газов (потому что им требуется IG с содержанием O 2 1% или менее) и поэтому вместо этого используют генераторы инертного газа. Генератор инертного газа состоит из камеры сгорания и скруббера, питаемого вентиляторами и холодильной установкой, которая охлаждает газ. Осушитель, включенный последовательно с системой, удаляет влагу из газа перед его подачей на палубу. Грузовые танки на газовозах не инертизированы, но все пространство вокруг них инертизировано.
Инертный газ производится на борту коммерческих и военных самолетов для пассивации топливных баков. В жаркие дни пары топлива в топливных баках могут образовывать легковоспламеняющуюся или взрывоопасную смесь, окисление которой может иметь катастрофические последствия. Обычно для получения инертного газа используются модули разделения воздуха (ASM). ASM содержат селективно проницаемые мембраны. Они питаются сжатым воздухом, который извлекается из ступени компрессора газотурбинного двигателя. Давление приводит к отделению кислорода от воздуха из-за повышенной проницаемости кислорода через ASM по сравнению с азотом. Для пассивации топливного бака не обязательно удалять весь кислород, но достаточно, чтобы он оставался ниже предела воспламеняемости обедненной смеси и предела взрываемости обедненной смеси. В отличие от концентрации кислорода в 21% в воздухе, 10%-12% в незаполненном пространстве пассивированного топливного бака является обычным явлением в течение полета.
При газовой дуговой сварке вольфрамовым электродом (GTAW) инертные газы используются для защиты вольфрама от загрязнения. Он также защищает жидкий металл (образующийся в дуге) от реактивных газов в воздухе, которые могут вызвать пористость в затвердевшей сварочной ванне. Инертные газы также используются при газовой дуговой сварке металлическим электродом (GMAW) для сварки цветных металлов. [10] Некоторые газы, которые обычно не считаются инертными, но которые ведут себя как инертные газы во всех обстоятельствах, которые могут встретиться в некоторых случаях использования, часто могут использоваться в качестве замены инертного газа. Это полезно, когда можно найти подходящий псевдоинертный газ, который является недорогим и распространенным. Например, диоксид углерода иногда используется в газовых смесях для GMAW, потому что он не реагирует на сварочную ванну, созданную дуговой сваркой. Но он реагирует на дугу. Чем больше диоксида углерода добавляется в инертный газ, такой как аргон, тем больше будет проплавление. Количество диоксида углерода часто определяется тем, какой тип переноса вы будете использовать в GMAW. Наиболее распространенным является струйный перенос металла, а наиболее часто используемая для струйного переноса металла газовая смесь состоит из 90% аргона и 10% углекислого газа.
В подводном погружении инертный газ является компонентом дыхательной смеси, который не является метаболически активным и служит для разбавления газовой смеси. Инертный газ может оказывать воздействие на дайвера, но считается, что это в основном физические эффекты, такие как повреждение тканей, вызванное пузырьками при декомпрессионной болезни . Наиболее распространенным инертным газом, используемым в качестве дыхательного газа для коммерческого дайвинга, является гелий .