Все что нужно знать об аргоне простыми словами

Аргон – это химический элемент, занимающий в периодической таблице Д.И. Менделеева место под номером 18. Инертный, по-другому благородный, одноатомный газ аргон, который, при нормальных условиях не вступает в химические реакции и является чистым веществом, незаменим во многих сферах человеческой деятельности.

В данной статье рассказывается о его физических и химических свойствах, областях применения, технике безопасности при использовании.

Происхождение названия

Впервые с аргоном во второй половине XVIII века столкнулся английский ученый Кавендиш при изучении состава воздуха.

Во время проведения эксперимента после удаления с помощью химических реакций кислорода и азота в трубке оставался небольшой пузырек газа, который не реагировал на внешние воздействия. Его размер составлял около 1/120 первоначального объема. Понять причину этого Кавендишу не удалось.

И только более чем через столетие, на исходе XIX века, совместные усилия ученых Рэлея и Рамзая, также англичан, привели к ликвидации белого пятна в периодической таблице.

Они заинтересовались разницей в весе двух объемов азота, равных 1 л, один из которых был получен из воздуха, другой – в результате химической реакции. Эта разница составляла 1,6 мг и не могла быть отнесена на счет погрешности измерения.

Ученые предположили, что в первом случае, кроме азота, присутствует неизвестный газ, что и подтвердил последующий спектральный анализ. Поскольку этот газ оказался химически неактивным, то есть не вступал в какие-либо реакции, то и название он получил соответствующее.

В переводе с древнегреческого языка ἀργός (читается как «аргос») – медленный, ленивый.

Несколько позднее, также с помощью спектрального анализа, были открыты и другие инертные газы, присутствующие в составе атмосферы, хотя и в значительно меньших, чем аргон, количествах.

Распространенность

Температура кипения аргона при атмосферном давлении очень низка, поэтому на Земле его можно встретить лишь в виде газа.

По количеству в составе атмосферного воздуха, которое составляет около 1%, элемент уступает лишь азоту и кислороду, и это в несколько десятков раз больше, чем общее количество других инертных газов – ксенона, криптона, гелия, неона.

Поэтому он наиболее популярен. А такого содержания в воздухе вполне достаточно для промышленной добычи, тем более что после использования газ практически полностью возвращается в атмосферу, не вступая в какие-либо реакции по причине своей инертности.

Чтобы понять, как добывают аргон, необходимо учесть, что температуры кипения кислорода и азота различны и равны, соответственно, 90 °К (-183 °С) и 77 °К (-196 °С). В то же время аргон закипает при температуре, большей, чем азот, и меньшей, чем кислород.

Данную физическую особенность и используют инженеры, чтобы получить газ в чистом виде. Происходит это при низкотемпературной ректификации воздуха, то есть разделения его на азот и кислород путем многократного ожижения и испарения. Аргон в этом процессе появляется в качестве побочного продукта.

Во вселенной

В окружающей наш мир материи аргона немного – всего 0,02% от общей массы.

Ученые обнаружили его входящим вместе с еще одним инертным газом – неоном в состав некоторых звезд, а также планетарных туманностях – оболочках ионизированных газов, образующихся вокруг звезд на исходе их существования.

Распространение в природе

На нашей планете, кроме атмосферы, аргон содержится в земной коре и морской воде, но в значительно меньшей степени – его количество составляет лишь тысячные доли процента от общей массы.

Физические свойства

1 см3 аргона в газообразном состоянии при стандартных условиях весит 1,78×10-3г, что означает, что его плотность равна 1,78×10-3г/см3.

То есть аргон тяжелее, чем воздух, который имеет плотность 1,2×10-3г/см3. Поэтому при попадании в атмосферу из какой-либо емкости, например, газового баллона, аргон будет занимать объем в нижней части помещения, вытесняя оттуда воздух и постепенно с ним смешиваясь.

Температура конденсации аргона, то есть его кипения, в условиях атмосферного давления равна 87,3 °К (-185,9 °С). При температуре 83,8 °К (– 189,3 °С) жидкость отвердевает. Плотность аргона в жидком состоянии при давлении в одну атмосферу равна 1,39х103 кг/м3.

Химические свойства

Аргон является инертным газом, не имеющим ни запаха, ни вкуса, ни цвета и в периодической таблице занимает место среди других неметаллов в столбце с прочими благородными газами. Его химическая формула – Ar (первые две буквы латинского слова argon).

Атомная и молекулярная масса

Атомной массой называется средняя масса существующих в земных условиях изотопов с учетом их распространенности. Для аргона она составляет 39,948. Его молекулярная масса равна атомной.

Изотопы

Изотопы – это разновидности атомов с одинаковым зарядом ядра и различной массой. На Земле существуют следующие изотопы аргона:

• 40Ar с ядром, состоящим из 18 протонов и 22 нейтронов в земной атмосфере представлен наиболее всего – 99,6% от общего количества газа;
• 36Ar (18 нейтронов) – 0,337%;
• 38Ar (20 нейтронов) – 0,063%.

Источником изотопа 40Ar является изотоп калия 40К, являющийся радиоактивным и попадающий на поверхность земли вместе с продуктами извержения вулканов.

Также существуют изотопы, создаваемые искусственно. Их масса может иметь значение от 30 до 55 атомных единиц, но они нестабильны. Наиболее устойчивым является 39Ar с периодом полураспада, составляющим 269 лет, самые неустойчивые существуют в течение десятков наносекунд.

Ионы

Для того чтобы оторвать от атома электрон, необходимо потратить энергию, которая называется энергией ионизации.

Для создания катиона (положительно заряженного иона) Ar+ потребуется 1520 кДж/моль. Это можно осуществить с помощью пропускания через газ электрических разрядов.

Молекула и атом

Атом имеет положительно заряженное ядро, в состав которого входит 18 протонов. Вокруг ядра по трем орбитам вращаются 18 электронов – 2 на первой, на второй и третьей – по 8.

Таким образом, внешняя орбита заполнена электронами полностью. Именно этим объясняется отсутствие каких-либо химических соединений с участием аргона – при нормальных условиях он существует только в свободном виде.

Такое свойство присуще всем остальным инертным газам – у каждого из них внешняя электронная орбита заполнена полностью.

Молекула по этой же причине состоит из одного атома и так же, как и атом, обозначается – Ar.

Читать также: Виды аттестации сварщиков

Молярная масса

Один моль – это 6,02х1023 молекул данного вещества. Величина 6,02х1023  называется числом Авогадро и обозначается как NA. Молярная масса, определяющая свойства аргона, как и любого газа – это масса одного моля. Для аргона она равна 39,948 г/моль.

Получение

Чаще всего аргон получают с помощью криогенной ректификации воздуха. Для этого воздух сначала тщательно очищают от частиц пыли, прогоняя через несколько фильтров, осушают, затем сжимают при помощи компрессоров до перехода в состояние жидкости.

Последнюю отправляют в ректификационную колонну – устройство, в котором при различных температурах происходит последовательное испарение азота, аргона и кислорода.

Аргонная фракция, содержащая 12%, аргона, подвергается еще одной ректификации, в результате чего доля газа в смеси доходит до 85%, остальное приходится на кислород с небольшим количеством азота.

Такой газ называют сырым аргоном и уже из него получают чистый аргон, который в зависимости от количества оставшихся примесей в соответствии с ГОСТ 10157-62 может быть трех марок:

• марка А – объемный процент содержания аргона, не менее 99,99%. Применяется при сварке титановых сплавов, нержавеющей стали, конструкционной стали – при повышенных требованиях к прочности;
• марка Б – не менее 99,96%. Используется во время сварки алюминия, менее активных, чем титан, цветных металлов;
• марка В – не менее 99,90%. Востребована при работе с жаростойкими сплавами, алюминиевыми материалами, конструкционными сталями. Часто используется совместно с углекислым газом и кислородом.

Еще один способ получения аргона – при синтезировании аммиака. Побочным продуктом реакции является продувочный газ, содержащий до 20% аргона, причем стоимость его получения заметно ниже.

Читать также: реестр НАКС поиск сварщиков по фамилии

Биологическая роль

Под биологической ролью элемента подразумевается его участие в жизнедеятельности каких-либо организмов. Аргон в таких процессах участия не принимает, следовательно, этой роли не выполняет.

Область применения

Аргон применяется в самых различных областях деятельности человека. В первую очередь востребовано отсутствие его химическая активности.

Наиболее широко газ используется при сварке – для создания вокруг дуги газового слоя, оттесняющего атмосферные кислород и азот. Поскольку этот газ тяжелее воздуха, то применять его лучше при использовании нижнего положения.

Аргон растекается над поверхностью материала, вытесняя вверх кислород с азотом, и прикрывает не только область расплава, но также и нагретую часть поверхности.

Это важно во время работы с металлами, отличающимися активностью при высокой температуре, например, такими как титан. Аргон также используют во время сварки высоколегированных и нержавеющих сталей. Неметаллы обычно соединяют с использованием газовой сварки.

Использование инертного газа дает возможность увеличить температуру дуги, а это сказывается на проплавлении шва, который приобретает форму кинжала и позволяет в один проход соединять куски металла большой толщины.

В связи с тем, что в отсутствие кислорода шов получается значительно более ровным и прочным, аргон востребован при изготовлении ответственных конструкций в строительстве: высоких зданий, железнодорожных и автомобильных мостов.

Швы высокого качества востребованы в химическом и пищевом машиностроении, атомной промышленности, аэрокосмической сфере. Нефте- и газопроводы также сооружаются с применением аргонной сварки.

В электронике инертность аргона также находит применение. Его закачивают в колбы осветительных и радиоламп – для защиты, соответственно, нити накаливания или электродов, используют при выращивании полупроводниковых кристаллов.

В сфере производства продуктов питания газ применяется в качестве вытеснителя (в первую очередь, присутствующего в воздухе кислорода). Его закачивают в герметичные упаковки с продуктами с целью увеличения срока хранения.

Низкое значение теплопроводности аргона дает возможность применять его в качестве теплоизолятора – в оконных рамах, гидрокостюмах.

Способность излучать фиолетовый свет при нагревании находит применение в рекламных афишах и надписях.

Другие области применения:

• пожаротушение;
• лазеры;
• хирургические операции

и многое другое.

Полезная стать – Технология ручной дуговой сварки

Окраска баллона

При использовании баллонов для хранения газов за каждым из них закреплен цвет, в который окрашена сама емкость, а также цвет полосы, нанесенной по окружности на ее образующую вблизи горловины. Баллон, предназначенный для аргона, окрашен в серый цвет, при этом цвет полоса и надпись – зеленые.

Для транспортировки жидкого аргона применяются специальные емкости типа сосуда Дьюара и цистерны.

Полезная статья – Технология сварки труб

Зависимость давления аргона в баллоне от температуры

При заправке давление аргона в баллоне составляет порядка 150 атм. Однако в соответствии с законами физики все газы при нагревании расширяются. Если отсутствует возможность для расширения, что и наблюдается в замкнутом объеме, то при повышении температуры давление внутри него будет нарастать. В случае идеального газа соблюдается следующая зависимость:

где P – давление внутри замкнутого объема;

Т – абсолютная температура газа по шкале Кельвина, которая выше температуры по шкале Цельсия на 273°, то есть

где t – температура по шкале Цельсия.

Зависимость давления реального газа в баллоне от температуры приведена в таблице:

Таким образом, при увеличении температуры на 60 ° (от -30 °С до +30 °С) давление аргона в баллоне растет более чем на 40%.

ДЛЯ СПРАВКИ: аргон в 40-литровом баллоне при давлении 150 атм и комнатной температуре весит около 7,5 кг. При этом вес баллона, изготовленного из углеродистой стали, составляет 58,5 кг.

Техника безопасности при работе с аргоном

Газ не является ни токсичным, ни взрывоопасным, тем не менее, попадание излишнего количества аргона в воздух ведет к уменьшению в нем процентной доли кислорода, а это уже опасно для здоровья и жизни человека и может привести к кислородной недостаточности.

В обычном атмосферном воздухе содержится 20,9% кислорода, уменьшение его доли до 18% ведет к появлению головной боли и сонливости, при значении менее 15–16% человек теряет сознание.

В случае вдыхания аргона, так же как и других инертных газов, возникает мгновенное удушье и потеря сознания, чреватые летальным исходом.

Поэтому во время работы в замкнутом пространстве должны отсутствовать какие-либо утечки газа через уплотнения в соединениях трубопроводов или трещины в шлангах.

С особым вниманием за этим нужно следить при проведении сварки в слабопроветриваемых помещениях, а также приямках, где газ может скапливаться, поскольку тяжелее воздуха. Перед началом работы следует проверить содержание кислорода в окружающем пространстве – оно должно быть не менее 19%.

Читать также: Как настроить полуавтомат для сварки

В противном случае необходимо надеть изолирующий противогаз, который предотвращает какой-либо контакт органов дыхания с окружающим воздухом. Работы в таких условиях проводят два человека.

Первая помощь в случае отравления газообразным аргоном заключается в эвакуации пострадавшего на свежий воздух, проведении искусственного дыхания, использовании кислородной подушки.

Жидкий аргон при попадании на тело человека может вызвать ожоги, поэтому, работая с ним, необходимо надевать защитные очки и спецодежду, способную предохранить поверхность тела от контакта с ним.

Свои вопросы вы можете оставить в комментариях, и наши специалисты Вам помогут найти ответ.