Аргон, Argon
Історія відкриття аргону могла б послужити основою хорошого детектива. Повідомлення про відкриття нового газу повірили далеко не всі хіміки. Засумнівався у ньому й сам Менделєєв. Відкриття аргону, здавалося, могло призвести до того, що вся «будівля» періодичної системи звалиться. Аргон не мав у таблиці аналогів, йому взагалі не знаходилося місця у періодичній системі: куди, скажіть, можна помістити елемент, позбавлений хімічних властивостей?
Вісімнадцятий елемент
Аргон належить до благородних газів, а історія рясніє воістину драматичними моментами. У 1785 році англійський хімік і фізик Г. Кавендіш виявив у повітрі якийсь новий газ, надзвичайно стійкий хімічно. Перед цього газу припадала приблизно одна сто двадцята частина обсягу повітря. Але що це за газ, Кавендіш з'ясувати не вдалося.
Про цей досвід згадали 107 років, коли Джон Вільям Стратт (лорд Релей) натрапив на ту ж домішку, помітивши, що азот повітря важче, ніж азот, виділений зі сполук. Не знайшовши достовірного пояснення аномалії, Релей через журнал Nature звернувся до колег-природознавців із пропозицією разом подумати та попрацювати над розгадкою її причин.
Через два роки Релей та У. Рамзай встановили, що в азоті повітря дійсно є домішка невідомого газу, важчого за азот. Газ поводився парадоксально: не вступав у реакції з хлором, металами, кислотами, лугами, тобто. був абсолютно хімічно інертний. І ще одна несподіванка: Рамзай довів, що молекула цього газу складається з одного атома, а до того часу одноатомні гази були невідомі.
Повідомленню про відкриття нового газу повірили далеко не всі хіміки, засумнівався у ньому і сам Менделєєв. Відкриття аргону, здавалося, могло призвести до того, що весь «будинок» періодичнийсистеми звалиться. Атомна маса газу (39,9) вказувала йому місце між калієм (39,1) та кальцієм (40,1). Але в цій частині таблиці всі клітини давно зайняті. Аргон не мав у таблиці аналогів, йому взагалі не знаходилося місця у періодичній системі.
Тому офіційне визнання аргон отримав лише через чверть століття — після відкриття гелію. Тепер уже двом елементам не було місця у періодичній системі. Після тривалих дискусій Менделєєв і Рамзай дійшли висновку, що інертним газам потрібно відвести окрему, так звану, нульову групу між галогенами і лужними металами.
Хімічна інертність аргону (як і інших газів нульової групи) та одноатомність його молекул пояснюються насамперед граничною насиченістю електронних оболонок.
З підгрупи важких інертних газів аргон найлегший. Він важчий за повітря в 1,38 рази. Рідина стає при -185,9°С, твердне при -189,4°С (в умовах нормального тиску). Молекула аргону одноатомна.
На відміну від гелію і неону він досить добре адсорбується на поверхнях твердих тіл і розчиняється у воді (3,29 см 3 в 100 г води при 20°С). Ще краще розчиняється аргон у багатьох органічних рідинах. Зате він практично нерозчинний у металах і не дифундує крізь них.
Під дією електричного струму аргон яскраво світиться, і сьогодні синьо-блакитне свічення аргону широко використовується у світлотехніці.
Біологи виявили, що аргон сприяє росту рослин. Навіть в атмосфері чистого аргону насіння рису, кукурудзи, огірків та жита викинули паростки. Цибуля, морква та салат добре проростають в атмосфері, що складається з 98% аргону і лише 2% кисню.
На Землі та у Всесвіті
Головне «сховище» земного аргону – атмосфера. Його у ній (за вагою) 1,286%, причому 99,6%атмосферного аргону – найважчий ізотоп – аргон-40. Ще більша частка цього ізотопу в аргоні земної кори. Тим часом у більшості легких елементів картина зворотна — переважають легкі ізотопи.
У матерії Всесвіту аргон представлений ще ряснішим, ніж на нашій планеті. Особливо багато його у речовині гарячих зірок та планетарних туманностей. Підраховано, що аргону у космосі більше, ніж хлору, фосфору, кальцію, калію — елементів, поширених Землі.
Як добувають аргон
Земна атмосфера містить 66 1013 тонн аргону. Це джерело газу невичерпне. Тим більше, що практично весь аргон рано чи пізно повертається в атмосферу, оскільки при використанні він не зазнає жодних фізичних чи хімічних змін. Виняток становлять дуже незначні кількості ізотопів аргону, що витрачаються на отримання в ядерних реакціях нових елементів та ізотопів.
Одержують аргон як побічний продукт при поділі повітря на кисень і азот. Зазвичай використовують повітророзділювальні апарати дворазової ректифікації, що складаються з нижньої колони високого тиску (попередній поділ), верхньої колони низького тиску та проміжного конденсатора-випарника. Кінець кінцем азот відводиться зверху, а кисень — з простору над конденсатором.
Летучість аргону більша, ніж кисню, але менше, ніж азоту. Тому аргонну фракцію відбирають у точці, що знаходиться приблизно на третині висоти верхньої колони, і відводять у спеціальну колону. Склад аргонної фракції: 10-12% аргону, до 0,5% азоту, решта - кисень. В «аргонної» колоні, приєднаної до основного апарату, одержують аргон з домішкою 3-10% кисню та 3-5% азоту. Далі слідує очищення «сирого» аргону від кисню (хімічним шляхом абоадсорбцією) та від азоту (ректифікацією). У промислових масштабах нині отримують аргон до 99,99% чистоти. Аргон витягують також з відходів аміачного виробництва з азоту, що залишився після того, як велику його частину зв'язали воднем.
Потрібний у господарстві «ледар»
Як найдоступніший і найдешевший інертний газ аргон ставпродуктом масового виробництва, особливо в останні десятиліття.
Спочатку головним споживачем елемента №18 булаелектровакуумна техніка. І зараз переважна більшість ламп накалювання (мільярди штук на рік) заповнюють сумішшю аргону (86%) і азоту (14%). Перехід із чистого азоту на цю суміш підвищив світловіддачу ламп. Оскільки в аргоні вдало поєднуються значна щільність із малою теплопровідністю, метал нитки розжарювання випаровується в таких лампах повільніше, передача тепла від нитки до колби в них менша. Використовується аргон і в сучаснихлюмінесцентних лампах для полегшення запалення, кращої передачі струму та запобігання катодам від руйнування.
Проте в останні десятиліття найбільша частина одержуваного аргону йде не в лампочки, а в металургію, металообробку і деякі суміжні з ними галузі промисловості. Серед аргону ведуть процеси, у яких треба виключити контакт розплавленого металу з киснем, азотом, вуглекислотою і вологою повітря. Аргонне середовище використовується при гарячій обробці титану, танталу, ніобію, берилію, цирконію, гафнію, вольфраму, урану, торію, а також лужних металів. В атмосфері аргону обробляють плутоній, одержують деякі сполуки хрому, титану, ванадію та інших елементів (сильні відновники).
Вже існують металургійні цехи обсягом кілька тисяч кубометрів з атмосферою, що складається з аргону.Висока чистота. У цих цехах працюють в ізолюючих костюмах, а дихають повітрям, що подається через шланги (видихається повітря відводиться також через шланги); запасні дихальні апарати закріплені на спинах працюючих.
Захисні функції виконує аргон і при вирощуванні монокристалів (напівпровідників, сегнетоелектриків), а також при виробництві твердосплавних інструментів. Продуванням аргону через рідку сталь з неї видаляють газові включення. Це покращує властивості металу.
Все ширше застосовується дугове електрозварювання в середовищі аргону. В аргонному струмені можна зварювати тонкостінні вироби і метали, які раніше вважалися важкозварюваними.
Не буде перебільшенням сказати, що електрична дуга в аргонній атмосфері внесла переворот у техніку різання металів. Процес набагато прискорився, з'явилася можливість різати товсті листи тугоплавких металів. Продувається вздовж стовпа дуги аргон (у суміші з воднем) оберігає кромки розрізу та вольфрамовий електрод від утворення окисних, нітридних та інших плівок. Одночасно він стискає та концентрує дугу на малій поверхні, через що температура в зоні різання досягає 4000-6000°С. До того ж цей газовий струмінь видує продукти різання. При зварюванні в аргонному струмені немає потреби у флюсах і електродних покриттях, а отже, і в зачистці шва від шлаку і залишків флюсу.
Прагнення використовувати властивості та можливості надчистих матеріалів – одна з тенденцій сучасної техніки. Для надчистоти потрібні інертні захисні середовища, зрозуміло, також чисті; аргон - найдешевший і найдоступніший з благородних газів. Тому його виробництво та споживання зростало, зростає і зростатиме.