Аргон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
18 ХлорАргонКалий
Ne

Ar

Kr
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
18Ar
Cubic-face-centered.svg
Electron shell 018 Argon.svg
Внешний вид простого вещества
Свойства атома
Название, символ, номер

Арго́н / Argon (Ar), 18

Атомная масса
(молярная масса)

39,948(1)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Ne] 3s2 3p6

Радиус атома

? (71)[2] пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

106[2] пм

Радиус иона

154[2] пм

Электроотрицательность

4,3 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

0

Степени окисления

0

Энергия ионизации
(первый электрон)

 1519,6(15,76) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

1,784·10−3 г/см³

Плотность при т. п.

1,40 г/см³

Температура плавления

83,8 К (-189,35 °C)

Температура кипения

87,3 К (-185,85 °C)

Уд. теплота плавления

7,05 ккал/кг кДж/моль

Уд. теплота испарения

6,45 кДж/моль кДж/моль

Молярная теплоёмкость

20,79[3] Дж/(K·моль)

Молярный объём

24,2 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая гранецентрированая

Параметры решётки

5,260 Å

Температура Дебая

85 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 0,0164 вт/м×град Вт/(м·К)

18
Аргон
Ar
39,948
3s23p6

Арго́н — элемент главной подгруппы восьмой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 18. Обозначается символом Ar (лат. Argon). Третий по распространённости элемент в земной атмосфере (после азота и кислорода) — 0,93 % по объёму. Простое вещество аргон (CAS-номер: 7440-37-1) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

История[править | править вики-текст]

История открытия аргона начинается в 1785 году, когда английский физик и химик Генри Кавендиш, изучая состав воздуха, решил установить, весь ли азот воздуха окисляется. В течение многих недель он подвергал воздействию электрического разряда смесь воздуха с кислородом в U-образных трубках, в результате чего в них образовывались все новые порции бурых оксидов азота, которые исследователь периодически растворял в щёлочи. Через некоторое время образование окислов прекратилось, но после связывания оставшегося кислорода остался пузырек газа, объём которого не уменьшался при длительном воздействии электрических разрядов в присутствии кислорода. Кавендиш оценил объём оставшегося газового пузыря в 1/120 от первоначального объёма воздуха[4][5][6]. Разгадать загадку пузыря Кавендиш не смог, поэтому прекратил свое исследование, и даже не опубликовал его результатов. Только спустя много лет английский физик Джеймс Максвелл собрал и опубликовал неизданные рукописи и лабораторные записки Кавендиша.

Дальнейшая история открытия аргона связана с именем Рэлея, который несколько лет посвятил исследованиям плотности газов, особенно азота. Оказалось, что литр азота, полученного из воздуха, весил больше литра «химического» азота (полученного путём разложения какого-либо азотистого соединения, например, закиси азота, окиси азота, аммиака, мочевины или селитры) на 1,6 мг (вес первого был равен 1,2521, а второго 1,2505 г). Эта разница была не так уж мала, чтобы можно было её отнести на счет ошибки опыта. К тому же она постоянно повторялась независимо от источника получения химического азота[4].

Не придя к разгадке, осенью 1892 года Рэлей в журнале «Nature» опубликовал письмо к учёным, с просьбой дать объяснение тому факту, что в зависимости от способа выделения азота он получал разные величины плотности. Письмо прочли многие учёные, однако никто не был в состоянии ответить на поставленный в нём вопрос[4][5].

У известного уже в то время английского химика Уильяма Рамзая также не было готового ответа, но он предложил Рэлею свое сотрудничество. Интуиция побудила Рамзая предположить, что азот воздуха содержит примеси неизвестного и более тяжелого газа, а Дьюар обратил внимание Рэлея на описание старинных опытов Кавендиша (которые уже были к этому времени опубликованы)[5].

Пытаясь выделить из воздуха скрытую составную часть, каждый из учёных пошел своим путём. Рэлей повторил опыт Кавендиша в увеличенном масштабе и на более высоком техническом уровне. Трансформатор под напряжением 6000 вольт посылал в 50-литровый колокол, заполненный азотом, сноп электрических искр. Специальная турбина создавала в колоколе фонтан брызг раствора щёлочи, поглощающих окислы азота и примесь углекислоты. Оставшийся газ Рэлей высушил, и пропустил через фарфоровую трубку с нагретыми медными опилками, задерживающими остатки кислорода. Опыт длился несколько дней[4].

Рамзай воспользовался открытой им способностью нагретого металлического магния поглощать азот, образуя твёрдый нитрид магния. Многократно пропускал он несколько литров азота через собранный им прибор. Через 10 дней объём газа перестал уменьшаться, следовательно, весь азот оказался связанным. Одновременно путём соединения с медью был удален кислород, присутствовавший в качестве примеси к азоту. Этим способом Рамзаю в первом же опыте удалось выделить около 100 см³ нового газа[4].

Итак, был открыт новый элемент. Стало известно, что он тяжелее азота почти в полтора раза и составляет 1/80 часть объёма воздуха. Рамзай при помощи акустических измерений нашёл, что молекула нового газа состоит из одного атома — до этого подобные газы в устойчивом состоянии не встречались. Отсюда следовал очень важный вывод — раз молекула одноатомна, то, очевидно, новый газ представляет собой не сложное химическое соединение, а простое вещество[4].

Много времени затратили Рамзай и Рэлей на изучение его реакционной способности по отношению ко многим химически активным веществам. Но, как и следовало ожидать, пришли к выводу: их газ совершенно недеятелен. Это было ошеломляюще — до той поры не было известно ни одного настолько инертного вещества[4].

Большую роль в изучении нового газа сыграл спектральный анализ. Спектр выделенного из воздуха газа с его характерными оранжевыми, синими и зелёными линиями резко отличался от спектров уже известных газов. Уильям Крукс, один из виднейших спектроскопистов того времени, насчитал в его спектре почти 200 линий. Уровень развития спектрального анализа на то время не дал возможности определить, одному или нескольким элементам принадлежал наблюдаемый спектр. Несколько лет спустя выяснилось, что Рамзай и Рэлей держали в своих руках не одного незнакомца, а нескольких — целую плеяду инертных газов[4].

7 августа 1894 года в Оксфорде, на собрании Британской ассоциации физиков, химиков и естествоиспытателей, было сделано сообщение об открытии нового элемента, который был назван аргоном. В своём докладе Рэлей утверждал, что в каждом кубическом метре воздуха присутствует около 15 г открытого газа (1,288 вес. %)[4][5]. Слишком невероятен был тот факт, что несколько поколений ученых не заметили составной части воздуха, да еще и в количестве целого процента! В считанные дни десятки естествоиспытателей из разных стран проверили опыты Рамзая и Рэлея. Сомнений не оставалось: воздух содержит аргон[4].

Через 10 лет, в 1904 году, Рэлей за исследования плотностей наиболее распространённых газов и открытие аргона получает Нобелевскую премию по физике, а Рамзай за открытие в атмосфере различных инертных газов — Нобелевскую премию по химии[4].

Происхождение названия[править | править вики-текст]

По предложению доктора Медана (председателя заседания, на котором был сделан доклад об открытии) Рэлей и Рамзай дали новому газу имя «аргон» (от др.-греч. ἀργός — ленивый, медленный, неактивный). Это название подчеркивало важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность[4].

Распространённость[править | править вики-текст]

Во Вселенной[править | править вики-текст]

Содержание аргона в мировой материи оценивается приблизительно в 0,02 % по массе[7].

Аргон (вместе с неоном) наблюдается на некоторых звездах и в планетарных туманностях. В целом его в космосе больше, чем кальция, фосфора, хлора, в то время как на Земле существуют обратные отношения[8].

Распространение в природе[править | править вики-текст]

Аргон — третий по содержанию после азота и кислорода компонент воздуха, его среднестатистическое содержание в атмосфере Земли составляет 0,934 % по объему и 1,288 % по массе[5][8], его запасы в атмосфере оцениваются в 4·1014 т[3][5]. Аргон — самый распространённый инертный газ в земной атмосфере, в 1 м³ воздуха содержится 9,34 л аргона (для сравнения: в том же объеме воздуха содержится 18,2 см³ неона, 5,2 см³ гелия, 1,1 см³ криптона, 0,09 см³ ксенона)[5][8].

Содержание аргона в литосфере — 4·10−6 % по массе[3]. В каждом литре морской воды растворено 0,3 см³ аргона, в пресной воде его содержится 5,5·10−5 — 9,7·10−5 %. Его содержание в Мировом океане оценивается в 7,5·1011 т, а в изверженных породах земной оболочки — 16,5·1011 т[8].

Определение[править | править вики-текст]

Качественно аргон обнаруживают с помощью эмиссионного спектрального анализа, основные характеристические линии — 434,80 и 811,53 нм. При количественном определении сопутствующие газы (O2, N2, H2, CO2) связываются специфичными реагентами (Ca, Cu, MnO, CuO, NaOH) или отделяются с помощью поглотителей (например, водных растворов органических и неорганических сульфатов). Отделение от других инертных газов основано на различной адсорбируемости их активным углём. Используются методы анализа, основанные на измерении различных физических свойств (плотности, теплопроводности и др.), а также масс-спектрометрические и хроматографические методы анализа[3].

Физические свойства[править | править вики-текст]

Аргон — одноатомный газ с температурой кипения (при нормальном давлении) −185,9 °C (немного ниже, чем у кислорода, но немного выше, чем у азота). В 100 мл воды при 20 °C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде. Плотность при нормальных условиях составляет 1,7839 кг/м3

Химические свойства[править | править вики-текст]

Пока известны только 2 химических соединения аргона — гидрофторид аргона и CU(Ar)O, которые существуют при очень низких температурах. Кроме того, аргон образует эксимерные молекулы, то есть молекулы, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Есть основания считать, что исключительно нестойкое соединение Hg—Ar, образующееся в электрическом разряде, — это подлинно химическое (валентное) соединение. Не исключено, что будут получены другие валентные соединения аргона с фтором и кислородом, которые тоже должны быть крайне неустойчивыми. Например, при электрическом возбуждении смеси аргона и хлора возможна газофазная реакция с образованием ArCl. Также со многими веществами, между молекулами которых действуют водородные связи (водой, фенолом, гидрохиноном и другими), образует соединения включения (клатраты), где атом аргона, как своего рода «гость», находится в полости, образованной в кристаллической решётке молекулами вещества-хозяина, например, Ar • 6H2O

Соединение CU(Ar)O получено из соединения урана с углеродом и кислородом CUO[9]. Вероятно существование соединений со связями Ar-Si и Ar-C: FArSiF3 и FArCCH.

Изотопы[править | править вики-текст]

Спектр аргона

Аргон представлен в земной атмосфере тремя стабильными изотопами: 36Ar (0,337 %), 38Ar (0,063 %), 40Ar (99,600 %)[5][8]. Почти вся масса тяжёлого изотопа 40Ar возникла на Земле в результате распада радиоактивного изотопа калия 40K (содержание этого изотопа в изверженных породах в среднем составляет 3,1 г/т). Распад радиоактивного калия идёт по двум направлениям одновременно:

\mathrm{{}^{40}_{19}K}\rightarrow\mathrm{{}^{40}_{20}Ca}+ e^- + \bar{\nu}_e

\mathrm{{}^{40}_{19}K} + e^- \rightarrow \mathrm{{}^{40}_{18}Ar}+ \nu_e + \gamma

Первый процесс (обычный β-распад) протекает в 88 % случаев и ведет к возникновению стабильного изотопа кальция. Во втором процессе, где участвуют 12 % атомов, происходит электронный захват, в результате чего образуется тяжёлый изотоп аргона. Одна тонна калия, содержащегося в горных породах или водах, в течение года генерирует приблизительно 3100 атомов аргона. Таким образом, в минералах, содержащих калий, постепенно накапливается 40Ar, что позволяет измерять возраст горных пород; калий-аргоновый метод является одним из основных методов ядерной геохронологии.

Вероятные источники происхождения изотопов 36Ar и 38Ar — неустойчивые продукты спонтанного деления тяжёлых ядер, а также реакции захвата нейтронов и альфа-частиц ядрами лёгких элементов, содержащихся в урано-ториевых минералах.

Подавляющая часть космического аргона состоит из изотопов 36Ar и 38Ar. Это вызвано тем обстоятельством, что калий распространён в космосе примерно в 50 000 раз меньше, чем аргон (на Земле калий преобладает над аргоном в 660 раз). Примечателен произведенный геохимиками подсчёт: вычтя из аргона земной атмосферы радиогенный 40Ar, они получили изотопный состав, очень близкий к составу космического аргона[8].

Получение[править | править вики-текст]

В промышленности аргон получают как побочный продукт при крупномасштабном разделении воздуха на кислород и азот. При температуре −185,9 °C (88 Кельвин) аргон конденсируется, при −189,4 °C (83 Кельвин) — кристаллизуется.

Ввиду близости температур кипения аргона 88 К и кислорода 90 К разделение этих фракций ректификационным способом затруднительно. Аргон считается посторонней примесью, допускаемой только в техническом кислороде чистотой 96%.

Применение[править | править вики-текст]

Заполненная аргоном и парами ртути газоразрядная трубка

Ниже перечислены области применения аргона:

  • в аргоновых лазерах;
  • в лампах накаливания и при заполнении внутреннего пространства стеклопакетов;
  • в качестве защитной среды при сварке (дуговой, лазерной, контактной и т. п.) как металлов (например, титана), так и неметаллов;
  • в качестве плазмаобразователя в плазматронах при сварке и резке;
  • в пищевой промышленности аргон зарегистрирован в качестве пищевой добавки E938, в качестве пропеллента и упаковочного газа;
  • в качестве огнетушащего вещества в газовых установках пожаротушения;
  • в медицине во время операций для очистки воздуха и разрезов, так как аргон не образует химических соединений при комнатной температуре;
  • в качестве составной части атмосферы эксперимента Марс-500[10] с целью снижения уровня кислорода для предотвращения пожара на борту космического корабля при путешествии на Марс;
  • из-за низкой теплопроводности аргон применяется в дайвинге для поддува сухих гидрокостюмов, однако есть ряд недостатков, например, высокая цена газа (кроме этого нужна отдельная система для аргона);
  • в химическом синтезе для создания инертной атмосферы при работе с нестабильными на воздухе соединениями.

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Аргон не играет никакой биологической роли, однако в некоторой специальной литературе утверждается, что длительное отсутствие аргона при дыхании человека отрицательно сказывается на общем состоянии здоровья[источник не указан 417 дней].

Физиологическое действие

Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотический эффект от вдыхания аргона проявляется только при барометрическом давлении свыше 0,2 МПа[11].

Содержание аргона в высоких концентрациях во вдыхаемом воздухе может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии (в результате кислородного голодания)[12].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. 1 2 3 Size of argon in several environments (англ.). www.webelements.com. Проверено 6 августа 2009.
  3. 1 2 3 4 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 194. — 623 с. — 100 000 экз.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Финкельштейн Д.Н. Глава II. Открытие инертных газов и периодический закон Менделеева // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 30-38. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Глава первая. Открытие. Происхождение. Распространенность. Применение // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Атомиздат, 1972. — С. 3-13. — 352 с. — 2400 экз.
  6. Mary Elvira Weeks. XVIII. The inert gases // Discovery of the elements : collected reprints of a series of articles published in the Journal of Chemical Education. — 3rd ed. rev. — Kila, MT: Kessinger Publishing, 2003. — P. 286-288. — 380 p. — ISBN 0766138720 9780766138728.
  7. Argon: geological information (англ.). www.webelements.com. Проверено 9 августа 2009.
  8. 1 2 3 4 5 6 Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 76-110. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  9. Science Magazine: Sign In | Science/AAAS
  10. Снежана Шабанова. Инертные опыты на людях. Проект «Марс-500» (16 апреля 2008). Проверено 26 февраля 2012. Архивировано из первоисточника 28 мая 2012.
  11. Павлов Б.Н. Проблема защиты человека в экстремальных условиях гипербарической среды обитания (рус.). www.argonavt.com (15 мая 2007). Проверено 6 августа 2009. Архивировано из первоисточника 21 августа 2011.
  12. Argon (Ar) - Chemical properties, Health and Environmental effects (англ.). www.lenntech.com. Проверено 6 августа 2009. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.

Ссылки[править | править вики-текст]