Аргон – це особливий елемент періодичної системи. Аргон – це особливий елемент періодичної системи Атомна та молекулярна маса

У перекладі з грецької "argon" означає "повільний" або "неактивний". Таке визначення газ аргонотримав завдяки своїм інертним властивостям, що дозволяє широко використовувати його в багатьох промислових і побутових цілях.

Хімічний елемент Ar

Ar- 18-й елемент періодичної таблиці Менделєєва, що відноситься до благородних інертних газів. Ця речовина є третьою після N (азоту) та O (кисню) за вмістом в атмосфері Землі. У звичайних умовах - безбарвний, не горючий, не отруйний, без смаку та запаху.

Інші властивості газу аргону:

• атомна маса: 39,95;
• вміст у повітрі: 0,9% обсягу та 1,3% маси;
• щільність у нормальних умовах: 1,78 кг/м³;
• температура кипіння: -186 °С.

На малюнку назва хімічного елемента та його властивості

Цей елемент було відкрито Джоном Стреттом і Вільямом Рамзаєм щодо складу повітря. Розбіжність щільності при різних хімічних випробуваннях наштовхнула вчених на думку, що в атмосфері крім азоту та кисню є інертний важкий газ. У результаті 1894 р. було зроблено заяву про відкриття хімічного елемента, частка якого кожному кубометрі повітря становить 15 р.

Як добувають аргон

Ar не піддається змінам у його використання і завжди повертається в атмосферу. Тому вчені вважають це джерело невичерпним. Він видобувається як супутній продукт при розподілі повітря на кисень і азот за допомогою низькотемпературної ректифікації.

Для реалізації цього методу застосовуються спеціальні повітророзділювальні апарати, що складаються з колон високого, низького тиску та конденсатора-випарника. В результаті процесу ректифікації (поділу) виходить аргон з невеликими домішками (3-10%) азоту та кисню. Щоб очистити, домішки забираються за допомогою додаткових хімічних реакцій. Сучасні технології дозволяють досягти 99,99% чистоти цього продукту.

Наведено установки з виробництва даного хімічного елемента

Зберігається та транспортується газ аргон у сталевих балонах (ГОСТ 949-73), які мають сірий колір із смугою та відповідним написом зеленого кольору. При цьому процес наповнення ємності має повністю відповідати технологічним нормам та правилам безпеки. Детальну інформацію про специфіку заповнення газових балонів можна прочитати у статті: балони зі зварювальною сумішшю – технічні особливості та правила експлуатації.

Де застосовується газ аргон

Цей елемент має досить велику сферу застосування. Нижче наведені основні сфери його використання:

1. заповнення внутрішньої порожнини ламп розжарювання та склопакетів;
2. витіснення вологи та кисню для тривалого зберігання харчових продуктів;
3. вогнегасна речовина в деяких системах гасіння пожежі;
4. захисне середовище при зварювальному процесі;
5. плазмоутворюючий газ для плазмового зварювання та різання.

У зварювальному виробництві він застосовується як захисне середовище в процесі зварювання рідкісних металів (ніобію, титану, цирконію) та їх сплавів, легований сталей різних марок, а також алюмінієвих, магнієвих та хромонікелевих сплавів. Для чорних металів, як правило, застосовують суміш Ar з іншими газами – гелієм, киснем, вуглекислотою та воднем.

Вид захисного середовища при зварювальному процесі, який створює аргон

Запобіжні заходи при експлуатації

Даний хімічний елемент не становить абсолютно ніякої небезпеки для навколишнього середовища, але при великій концентрації має задушливий вплив на людину. Він нерідко накопичується в районі підлоги в приміщеннях, що недостатньо провітрюються, а при значному зменшенні вміст кисню може призвести до втрати свідомості і навіть смертельного результату. Тому важливо стежити за концентрацією кисню в закритому приміщенні, яке не повинно падати нижче 19%.

Рідкий Ar здатний викликати обмороження ділянок шкіри та пошкодити слизову оболонку очей, тому в процесі роботи важливо використовувати спецодяг та захисні окуляри. При роботі в атмосфері цього газу з метою запобігання удушенню необхідно застосовувати ізолюючий кисневий прилад або шланговий протигаз.

Історія відкриття аргону починається у 1785 році, коли англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш, вивчаючи склад повітря, вирішив встановити, чи весь азот повітря окислюється.

Протягом багатьох тижнів він піддав впливу електричного розряду суміш повітря з киснем в U-подібних трубках, внаслідок чого в них утворювалися нові порції бурих оксидів азоту, які дослідник періодично розчиняв у луги. Через деякий час утворення оксидів припинялося, але, після зв'язування кисню, що залишився, залишався газовий міхур, обсяг якого не зменшувався при тривалому впливі електричних розрядів у присутності кисню. Кавендіш оцінив обсяг газового міхура, що залишився, в 1/120 від початкового об'єму повітря. Розгадати загадку міхура Кавендіш не зміг, тому припинив своє дослідження і навіть не опублікував його результатів. Лише через багато років англійський фізик Джеймс Максвелл зібрав та опублікував невидані рукописи та лабораторні записки Кавендіша.

Подальша історія відкриття аргону пов'язана з ім'ям Релея, який кілька років присвятив дослідженням густини газів, особливо азоту. Виявилося, що літр азоту, отриманого з повітря, важив більше літра «хімічного» азоту (отриманого шляхом розкладання будь-якої азотистої сполуки, наприклад, закису азоту, окису азоту, аміаку, сечовини або селітри) на 1,6 мг (вага першого була дорівнює 1,2521, а другого 1,2505). Ця різниця була не така вже й мала, щоб можна було її віднести на рахунок помилки досвіду. До того ж, вона постійно повторювалася незалежно від джерела отримання хімічного азоту.

Не дійшовши розгадки, восени 1892 року Релей у журналі «Nature» опублікував лист до вчених, з проханням дати пояснення тому факту, що залежно від способу виділення азоту він отримував різні величини щільності. Лист прочитали багато вчених, проте ніхто не міг відповісти на поставлене в ньому питання.

Відомий вже на той час англійський хімік Вільям Рамзай також не мав готової відповіді, але він запропонував Релею свою співпрацю. Інтуїція спонукала Рамзая припустити, що азот повітря містить домішки невідомого і важчого газу, а Дьюар звернув увагу Релея на опис старовинних дослідів Кавендіша (які вже були на той час опубліковані).

Намагаючись виділити з повітря приховану складову частину, кожен із вчених пішов своїм шляхом. Релей повторив досвід Кавендіша у збільшеному масштабі та на вищому технічному рівні. Трансформатор під напругою 6000 вольт посилав у 50-літровий дзвін, заповнений азотом, сніп електричних іскор. Спеціальна турбіна створювала в дзвоні фонтан бризок розчину луги, що поглинають оксиди азоту та домішку вуглекислоти. Релей, що залишився, висушив, і пропустив через фарфорову трубку з нагрітими мідними тирсою, що затримують залишки кисню. Досвід тривав кілька днів.

Рамзай скористався відкритою ним здатністю нагрітого металевого магнію поглинати азот, утворюючи твердий нітрид магнію. Багаторазово пропускав він кілька літрів азоту через зібраний прилад. Через 10 днів обсяг газу перестав зменшуватися, отже, весь азот виявився пов'язаним. Одночасно шляхом з'єднання з міддю був видалений кисень, що був як домішок азоту. Цим способом Рамзаю в першому ж досвіді вдалося виділити близько 100 см нового газу.

Отже, було відкрито новий елемент. Стало відомо, що він важчий за азот майже в півтора рази і становить 1/80 частину об'єму повітря. Рамзай за допомогою акустичних вимірів виявив, що молекула нового газу складається з одного атома - до цього подібні гази у стійкому стані не зустрічалися. Звідси випливав дуже важливий висновок — якщо молекула одноатомна, то, очевидно, новий газ є не складною хімічною сполукою, а простою речовиною.

Багато часу витратили Рамзай і Релей вивчення його реакційної спроможності по відношенню до багатьох хімічно активних речовин. Але, як і слід було очікувати, дійшли висновку: їхній газ зовсім недіяльний. Це було приголомшливо — до того часу не було відомо жодної настільки інертної речовини.

Велику роль вивченні нового газу відіграв спектральний аналіз. Спектр виділеного з повітря газу з його характерними помаранчевими, синіми та зеленими лініями різко відрізнявся від спектрів відомих газів. Вільям Крукс, один із найвизначніших спектроскопістів того часу, нарахував у його спектрі майже 200 ліній. Рівень розвитку спектрального аналізу на той час не дав можливості визначити, одному або декільком елементам належав спектр, що спостерігається. Через кілька років з'ясувалося, що Рамзай і Релей тримали в руках не одного незнайомця, а кількох — цілу плеяду інертних газів.

7 серпня 1894 року в Оксфорді, на зборах Британської асоціації фізиків, хіміків та дослідників природи, було зроблено повідомлення про відкриття нового елемента, який був названий аргоном. У своїй доповіді Релей стверджував, що в кожному кубічному метрі повітря є близько 15 г відкритого газу (1,288 вага. %). Занадто неймовірний був той факт, що кілька поколінь учених не помітили складової частини повітря та ще й у кількості цілого відсотка! У лічені дні десятки дослідників природи з різних країн перевірили досліди Рамзая і Релея. Сумнівів не залишалося: повітря містить аргон.

Через 10 років, в 1904 році, Релей за дослідження густин найбільш поширених газів і відкриття аргону отримує Нобелівську премію з фізики, а Рамзай за відкриття в атмосфері різних інертних газів - Нобелівську премію з хімії.

Основне застосування

Харчова галузь

У контрольованому середовищі аргон може у багатьох процесах використовуватися як заміна азоту. Висока розчинність (в два рази перевищує розчинність азоту) та певні молекулярні характеристики забезпечують його особливі властивості при зберіганні овочів. За певних умов він здатний уповільнювати метаболічні реакції та значно скорочувати газообмін.

Виробництво скла, цементу та вапна

При використанні для заповнення огорож з подвійним глазуруванням аргон забезпечує чудову теплову ізоляцію.

Металургія

Аргон використовується для попередження контакту та подальшої взаємодії між розплавленим металом та навколишньою атмосферою.

Використання аргону дозволяє оптимізувати такі виробничі процеси як перемішування розплавлених речовин, продування піддонів реакторів для попередження повторного окислення сталі та обробка сталі вузького застосування у вакуумних дегазаторах, включаючи вакуумно-кисневе обезуглерожування, окислювально-відновлювальні процеси та процеси відкритого спалювання. Однак найбільшу популярність аргон набув у процесах аргоно-кисневого обезуглерожування нерафінованої високохромистої сталі, дозволяючи мінімізувати окислення хрому.

Лабораторні дослідження та аналізи

У чистому вигляді та у з'єднаннях з іншими газами аргон використовується для проведення промислових та медичних аналізів та випробувань у рамках контролю якості.

Зокрема, аргон виконує функцію газової плазми в емісійній спектрометрії індуктивно-зв'язаною плазмою (ICP), газової подушки в атомно-абсорбційній спектроскопії в графітній печі (GFAAS) та газу-носія в газовій хроматографії з використанням різних газоаналізаторів.

У поєднанні з метаном аргон використовується в лічильниках Гейгера і детекторах рентгенівського флуоресцентного аналізу (XRF), де він виконує функцію газу, що гасить.

Зварювання, різання та нанесення покриття

Аргон використовується як захисне середовище в процесах дугового зварювання, при піддуві захисного газу і при плазмовому різанні.

Аргон попереджає окислення зварних швів і дозволяє скоротити обсяг диму, що скидається у процесі зварювання.

Електроніка

Надчистий аргон служить як газ-носій для хімічно активних молекул, а також як інертний газ для захисту напівпровідників від сторонніх домішок (наприклад, аргон забезпечує необхідне середовище для вирощування кристалів силікону та германію).

В іонному стані аргон використовується в процесах металізації напиленням, іонної імплантації, нормалізації та травлення при виробництві напівпровідників та високоефективному виробництві матеріалів.

Автомобільна та транспортна галузь

Затарений герметизований аргон служить для заповнення подушок безпеки в автомобілях.

ВИЗНАЧЕННЯ

Аргон- Вісімнадцятий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Ar від латинського «argon». Розташований у третьому періоді, VIIIА групі. Належить до групи благородних (інертних) газів. Заряд ядра дорівнює 18.

Найпоширеніший у природі елемент VIIIA-групи. Зміст аргону повітря 0,932% (об.), 1,28% (мас).

Являє собою безбарвний газ. Погано розчиняється у воді (розчинність знижується у присутності сильних електролітів), краще – в органічних розчинниках. Утворює клатрат складу 8Ar×46Н 2 Про. Не реагує з іншими речовинами (простими і складними).

Атомна та молекулярна маса аргону

ВИЗНАЧЕННЯ

Відносна молекулярна маса речовини (M r)- це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.

Оскільки у вільному стані аргон існує як одноатомних молекул Ar, значення його атомної і молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 39,948.

Ізотопи аргону

Відомо, що у природі аргон може бути у вигляді трьох стабільних ізотопів 36 Ar (0,337%), 38 Ar (0,063%) і 40 Ar (99,6%). Їхні масові числа дорівнюють 36, 38 і 40 відповідно. Ядро атома ізотопу аргону 36 Ar містить вісімнадцять протонів і вісімнадцять нейтронів, а ізотопів 38 Ar і 40 Ar-така кількість протонів, двадцять і двадцять два нейтронів/а відповідно.

Існують штучні ізотопи аргону з масовими числами від 32 до 55, серед яких найбільш стабільним є 39 Ar з періодом напіврозпаду рівним 269 років.

Іони аргону

Як гелій і неон за сильного збудження атомів аргон утворює молекулярні іони типу Ar 2 + .

Молекула та атом аргону

У вільному стані аргон існує як одноатомних молекул Ar.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Всі ми знаємо, що аргон застосовується для зварювання різних металів, але не кожен замислювався про те, що являє собою цей хімічний елемент. А тим часом його історія багата на події. Що характерно, аргон – це винятковий екземпляр періодичної таблиці Менделєєва, який не має аналогів. Сам учений дивувався свого часу, як він взагалі міг потрапити сюди.

В атмосфері є приблизно 0,9 % цього газу. Як і азот, він має нейтральний характер без кольору та запаху. Для підтримки життя він не підходить, зате просто незамінний у деяких галузях людської діяльності.

Невеликий екскурс в історію

Вперше його виявив англієць та фізик за освітою Г. Кавендіш, який помітив присутність у повітрі чогось нового, стійкого до хімічного впливу. На жаль, Кавендіш так і не впізнав природи нового газу. Трохи більше ніж через сто років це помітив і інший вчений - Джон Вільям Страт. Він дійшов висновку, що в азоті з повітря є якась домішка газу невідомого походження, але це аргон чи щось ще, він поки що не міг зрозуміти.

При цьому газ не вступав у реакцію з різними металами, хлором, кислотами, лугами. Тобто з хімічної точки зору мав інертний характер. Ще однією несподіванкою стало відкриття - молекула нового газу включає лише один атом. А на той момент подібний газ був ще невідомий.

Публічне повідомлення про новий газ викликало шок багатьох вчених з усього світу - як можна було переглянути новий газ у повітрі протягом багатьох наукових досліджень і досвідів?! Але у відкриття повірили не всі вчені, включаючи Менделєєва. Судячи з атомної маси нового газу (39,9), він має розташуватися між калієм (39,1) та кальцієм (40,1), але позиція вже була зайнята.

Як уже згадувалося, аргон – з багатою та детективною історією. На деякий час його забули, але після відкриття гелію новий газ визнали офіційно. Було вирішено відвести для нього окрему нульову позицію, розташовану між галогенів і лужних металів.

Властивості

Серед інших інертних газів, що входять до важкої групи, аргон вважається найлегшим. Його маса перевищує вагу повітря у 1,38 раза. У рідкий стан газ переходить при температурі -185,9 °С, а при -189,4 °З нормальному тиску твердне.

Від гелію та неону аргон відрізняється тим, що здатний розчинятися у воді – при температурі 20 градусів у кількості 3,3 мл у ста грамах рідини. Але в ряді органічних розчинів газ розчиняється краще. Вплив електричного струму змушує його світитися, завдяки чому він став широко застосовуватися в освітлювальному устаткуванні.

Біологами виявлено іншу корисну властивість, якою володіє аргон. Це свого роду середовище, де рослина чудово почувається, що доведено дослідами. Так, перебуваючи в атмосфері газу, посаджене насіння рису, кукурудзи, огірків та жита дали свої паростки. В іншій атмосфері, де 98% припадає на аргон і 2% - на кисень, добре проростає така овочева культура, як морква, салат та цибуля.

Що особливо характерно, вміст цього газу в земній корі набагато більший, ніж інші елементи, що знаходяться в його групі. Його зразковий вміст – 0,04 г на одну тонну. Це у 14 разів перевищує кількість гелію та у 57 разів – неону. Що стосується навколишнього Всесвіту, його там ще більше, особливо на різних зірках і в туманностях. За деякими підрахунками, аргону на просторах космосу більше, ніж хлору, фосфору, кальцію чи калію, яких повно Землі.

Одержання газу

Той аргон у балонах, де ми його частіше зустрічаємо, є невичерпним джерелом. До того ж він у будь-якому випадку повертається в атмосферу через те, що при використанні не змінюється у фізичному чи хімічному плані. Винятком можуть бути випадки витрати малої кількості ізотопів аргону отримання нових ізотопів і елементів під час ядерних реакцій.

У промисловості газ отримують шляхом поділу повітря на кисень та азот. Внаслідок чого і народжується газ як побічний продукт. Для цього використовується спеціальне промислове обладнання дворазової ректифікації з двома колонами високого та низького тиску та проміжним конденсатором-випарником. Крім цього, для одержання аргону можуть бути використані відходи аміачного виробництва.

Галузь застосування

Сфера застосування аргону налічує кілька областей:

• харчова промисловість;
• металургія;
• наукові дослідження та досліди;
• зварювальні роботи;
• електроніка;
• автомобільна промисловість.

Цей нейтральний газ знаходиться всередині електричних лап, що уповільнює випаровування вольфрамової спіралі всередині. Завдяки цій властивості широко застосовується заснований на даному газі зварювальний апарат. Аргон дозволяє надійно з'єднувати деталі з алюмінію та дюралю.

Широке поширення газ набув при створенні захисної та інертної атмосфери. Це зазвичай необхідно для термічної обробки тих металів, які легко схильні до окислення. У атмосфері аргону добре ростуть кристали отримання напівпровідникових елементів чи надчистих матеріалів.

Переваги та недоліки застосування аргону у зварюванні

Щодо області зварювання аргон дає певні переваги. Насамперед, металеві деталі в ході зварювання не так сильно нагріваються. Це дозволяє уникнути деформації. До інших переваг належать:

• надійний захист зварного шва;
• швидкість на порядок вища;
• процес легко контролювати;
• зварювання можна механізувати або повністю перевести в автоматичний режим;
• можливість поєднувати деталі з різнорідних металів.

У той же час зварювальний аргон має на увазі і низку недоліків:

• при зварюванні виникає ультрафіолетове випромінювання;
• для використання високоамперної дуги необхідне якісне охолодження;
• складна робота на відкритому повітрі чи на протязі.

Проте за наявності стільки переваг важко недооцінити значення аргонної зварювання.

Запобіжні заходи

При використанні аргону варто виявляти обережність. Хоч газ нетоксичний, але здатний викликати ядуху, заміщаючи собою кисень або зріджуючи його. Тому дуже важливо контролювати обсяг O 2 у повітрі (не менше 19 %) за допомогою спеціальних приладів, ручних або автоматичних.

Робота з рідким газом потребує граничної обережності, оскільки низька температура аргону може спричинити сильне обмороження шкірного покриву та пошкодження очної оболонки. Необхідно використовувати окуляри та спецодяг. Особам, яким потрібно проводити роботи в аргонной атмосфері, необхідно надягати протигази або інші ізолюючі кисневі прилади.

Історія відкриття:

Перший внесок у відкриття аргону зробив англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш. Вивчаючи в 1785 році окислення атмосферного азоту киснем під дією електричного розряду, він виявив, що залишається невеликий обсяг газу, що не окислюється. Однак він не знайшов пояснення цього факту. У 1892 році англійський фізик Дж. Релей виявив невелике (всього на 0,13%) перевищення густини азоту, що виділяється з повітря, над густиною азоту, одержуваного хімічним шляхом. Англійський фізик У. Рамзаєм припустив, що причиною цього може бути домішка ще невідомого важчого газу і запропонував виділити його. Йому та Дж. Релею у 1894 році вдалося виділити цей газ і спектральним аналізом довести, що це новий хімічний елемент. Подальші дослідження показали повну хімічну інертність цієї речовини. Завдяки своїй хімічній інертності (а це був перший із відкритих інертних газів), новий елемент і отримав свою назву Аргон (грец. argos - неактивний, лінивий).

Знаходження в природі та отримання:

В атмосферному повітрі міститься 0,93% аргону за обсягом (9,34 л в 1м 3), його запаси в атмосфері оцінюються в 4·10 14 т. Серед інших ізотопів переважає аргон-40, що постійно утворюється в ході ядерної реакції (електронний захоплення") з природного ізотопу калію: 40 K + e = 40 Ar + n e
У промисловості аргон отримують як побічний продукт при великомасштабному поділі повітря на кисень та азот. При температурі -185,9°C аргон конденсується, -189,4°С - кристалізується.

Фізичні властивості:

Безбарвний газ без запаху. Температура кипіння аргону (при нормальному тиску) –185,9°C, температура плавлення –189,4°C. Щільність за нормальних умов 1,784 кг/м3. 100 мл води при 20°C розчиняється близько 3,3 мл аргону. у деяких органічних розчинниках аргон розчиняється значно краще ніж у воді. При пропущенні електричного розряду через скляну трубку, заповнену аргоном, спостерігається синьо-блакитне свічення.

Хімічні властивості:

Аргон хімічно інертний, за звичайних умов хімічних сполук не утворює. Однак з багатьма речовинами, між молекулами яких діють водневі зв'язки (водою, фенолом, гідрохіноном та іншими), утворює сполуки включення (клатрати), де атом аргону, як свого роду "гість", знаходиться в порожнині, утвореній в кристалічній решітці молекулами речовини- господаря.
За наднизьких температур спектральними методами зафіксовано утворення деяких надзвичайно нестійких молекул, що містять аргон.
Встановлено існування про ексимерних молекул, містять аргон. На переходах цих молекул з метастабільного стану незв'язане генерується лазерне випромінювання.

Найважливіші сполуки:

Клатрат Ar*6H 2 O- з'єднання включення, температура розкладання Аr · 6Н2О при 101325 Па 42,0°С.

Гідрофторид аргону HArF- перша відкрита, і поки що єдина відома на 2013 р. хімічна сполука аргону з електронейтральною молекулою. Отриманий при УФ-опроміненні суміші аргону та фтороводню при 8K. Нестійкий і розпадається вже за 17 К фтороводород і аргон.

CU(Ar)O- утворення такого з'єднання за 3 К передбачається на підставі спектральних даних. У цій молекулі уран повинен бути пов'язаний із трьома іншими атомами - вуглецем, аргоном та киснем.

Застосування:

Аргон широко використовують для створення інертної та захисної атмосфери, перш за все при термічній обробці металів, що легко окислюються (аргонова плавка, аргонова зварка та інші). В атмосфері аргону отримують кристали напівпровідників та багато інших надчистих матеріалів. Аргоном часто заповнюють електричні лампочки (для уповільнення випаровування вольфраму зі спіралі). Ця ж його властивість використовується в аргоновому зварюванні, яке дозволяє з'єднувати алюмінієві та алюмінієві деталі.

Аргон (у суміші з неоном, парами ртуті) застосовують для наповнення газорозрядних трубок (синьо-блакитне світіння), що використовується в рекламі, що світиться. Також аргон використовують у аргонових лазерах.

У геохронології визначення співвідношення ізотопів 40 Ar/ 40 До встановлюють вік мінералів.

Мавлянова Н.Х., Жудін С.М.
ТюмДУ, 501 група, 2013

Джерела:
Аргон /WebElements.narod.ru/ URL: http://webelements.narod.ru/elements/Ar.htm (дата звернення: 8.07.13).
Аргон (елемент) // Вікіпедія. URL: http://ua.wikipedia.org/wiki/Аргон (дата звернення: 8.07.2013).