Аргон на Землі та у Всесвіті
Аргон інертний газ
Ще наприкінці минулого століття француз Війяр, стискаючи аргон під водою при 0 ° C, отримав кристалогідрат складу Аr · 6Н2О, а в 20.30-х роках XX століття Б.А. Нікітіним, Р.А. Франкраном та іншими дослідниками при підвищених тисках та низьких температурах були отримані кристалічні клатратні сполуки аргону з H2S, SO2, галогеноводородами, фенолами та деякими іншими речовинами. У 1976 р. з'явилося повідомлення про синтез гідриду аргону, але поки що важко сказати, чи є цей гідрид істинно хімічною, валентною сполукою.
Ось поки що й усі успіхи хімії.
Аргон на Землі та у Всесвіті
Головне "сховище" земного аргону - атмосфера. Його в 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 переважній більшості легких елементів картина зворотна – переважають легкі ізотопи.
Причина цієї аномалії виявлена в 1943 р. У земній корі знаходиться сильне джерело аргону-40 - радіоактивний ізотоп калію 40К. Цього ізотопу на перший погляд у надрах небагато – лише 0,0119% загального вмісту калію. Однак абсолютна кількість калію-40 велика, оскільки калій – один із найпоширеніших на нашій планеті елементів. У кожній тонні порід вивержених 3,1 г калію-40.
Радіоактивний розпад атомних ядер калію-40 йде одночасно двома шляхами. Приблизно 88% калію-40 піддається розпаду бета і перетворюється на кальцій-40. Але в 12 випадках зі 100 (в середньому) ядра калію-40 не випромінюють, а, навпаки, захоплюють по одному електрону з найближчою до ядра К-орбіти (К-захоплення). Захоплений електрон з'єднується з протоном – утворюється новий нейтрон у ядрі та випромінюється нейтрино. Атомний номер елементазменшується на одиницю, а маса ядра залишається майже незмінною. Так калій перетворюється на аргон.
Щоправда, за час існування Землі запас радіоактивного калію ґрунтовно вичерпався – він став у 10 разів меншим (якщо вік Землі вважати рівним 4,5 млрд років).
Співвідношення ізотопів 40Аr: 40К та 40Ar: 36Аr у гірських породах лягло в основу аргонного методу визначення абсолютного віку мінералів. Очевидно, що більше ці відносини, то давніша порода. Аргонний метод вважається найбільш надійним визначення віку вивержених порід і більшості калійних мінералів. За розробку цього професор Е.К. Герлінг у 1963 році удостоєний Ленінської премії.
Отже, весь або майже весь Аргон-40 стався на Землі від калію-40. Тому важкий ізотоп і домінує у земному аргоні.
Цим чинником пояснюється, до речі, одна з аномалій періодичної системи. Попри первісний принцип її побудови – принцип атомних ваг – аргон поставлений у таблиці попереду калію. Якби в аргоні, як і в сусідніх елементах, переважали легкі ізотопи (як це, мабуть, має місце в космосі), то атомна вага аргону була б на дві-три одиниці меншою.
Тепер про легкі ізотопи.
Звідки беруться 36Аr та 38Аr? Ймовірно, що частина цих атомів реліктового походження, тобто. частина легкого аргону прийшла у земну атмосферу з космосу для формування нашої планети та її атмосфери. Але більшість легких ізотопів аргону народилася Землі внаслідок ядерних процесів.
Ймовірно, ще не всі такі процеси виявлено. Швидше за все деякі з них давно припинилися, тому що вичерпалися короткоживучі атоми-«батьки», але є і ядерні процеси, що понині протікають, в яких народжуються аргон-36 і аргон-38. Це бета-розпадхлору-36, обстріл альфа-частинками (в уранових мінералах) сірки-33 та хлору-35:
3617Cl β–→ 3618Ar + 0–1e + ν.
3316S + 42He → 3618Ar + 10n.
3517Cl + 42He → 3818Ar + 10n + 0+1e.
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.
У космічному аргоні панують ізотопи 36Аr і 38Аr, аргону-40 у Всесвіті дуже мало. На це вказує мас-спектральний аналіз аргону із метеоритів. У цьому переконують підрахунки поширеності калію. Виявляється, в космосі калію приблизно в 50 тис. разів менше, ніж аргону, тоді як на Землі їх співвідношення явно на користь калію - 660: 1. А якщо мало калію, то звідки взятися аргону-40?!
Все ширше застосовується дугове електрозварювання серед 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 і 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
Як добувають аргон
Земнаатмосфера містить 66 · 1013 т аргону. Це джерело аргону невичерпне, тим більше практично весь аргон рано чи пізно повертається в атмосферу, оскільки при використанні він не зазнає жодних фізичних або хімічних змін. Виняток становлять дуже незначні кількості ізотопів аргону, що витрачаються на отримання в ядерних реакціях нових елементів та ізотопів.
Отримують аргон як побічний продукт при розподілі 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, отримують аргон з домішкою 3.10% кисню та 3.5% азоту. Далі слідує очищення «сирого» аргону від кисню (хімічним шляхом або адсорбцією) 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 більшу частину його зв'язали воднем.