Аргон

Общие сведения

Аргон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Третий по распространённости элемент в земной атмосфере (после азота и кислорода) — 0,93 % по объёму и 1,29 % по массе. 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). Есть аргон и в воде, до 0,3 см3 в литре морской и до 0,55 см3 в литре пресной воды. Его среднее содержание в земной коре (кларк) — 0,04 г на тонну, что в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 — чем неона. Получается, что на Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых.

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

 

Физические свойства

Аргон — одноатомный газ с температурой кипения (при нормальном давлении) -185,9 °C (немного ниже, чем у кислорода, но немного выше, чем у азота). Температура плавления -189,4°С. В 100 мл воды при 20 °C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде.

 

Химические свойства

Название «аргон» (от греч. аргон — ленивый, медленный, неактивный) - подчеркивает важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность.

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. 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.

 

Получение

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором. Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией).

 

Применение

Аргон находит широкое применение благодаря своему основному свойству - химической неактивности.

Первоначально главным потребителем аргона была электровакуумная техника. И сейчас подавляющее большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход с чистого азота на эту смесь повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в таких лампах медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в современных люминесцентных лампах для облегчения зажигания, лучшей передачи тока и предохранения катодов от разрушения.

Однако в последние десятилетия наибольшая часть получаемого аргона идет не в лампочки, а в металлургию.

Уже существуют металлургические цеха объемом в несколько тысяч кубометров с атмосферой, состоящей из аргона высокой чистоты. В этих цехах работают в изолирующих костюмах, а дышат подаваемым через шланги воздухом (выдыхаемый воздух отводится также через шланги); запасные дыхательные аппараты закреплены на спинах работающих.

В среде аргона ведут процессы, при которых нужно исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и влагой воздуха. Аргонная среда используется при горячей обработке титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана, тория, а также щелочных металлов. В атмосфере аргона обрабатывают плутоний, получают некоторые соединения хрома, титана, ванадия и других элементов.

Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляют газовые включения. Это улучшает свойства металла.

Все шире применяется дуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми. При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах и электродных покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса. Аргон относится к инертным газам, которые химически не взаимодействуют с металлом и не растворяются в нем. Инертные газы применяют для сварки химически активных металлов (титан, алюминий, магний и др.), а также во всех случаях, когда необходимо получать сварные швы, однородные по составу с основным и присадочным металлом (высоколегированные стали и др.). Инертные газы обеспечивают защиту дуги и свариваемого металла, не оказывая на него металлургического воздействия.

Аргон используется в плазменной сварке и резке металлов как плазмообразующий газ. При микроплазменной сварке большинство металлов сваривают в непрерывном или импульсном режимах дугой прямой полярности, горящей между вольфрамовым электродом плазмотрона и изделием в струе плазмообразующего инертного газа – (чаще всего) аргона.

Электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот в технику резки металлов. Процесс намного ускорился, появилась возможность резать толстые листы самых тугоплавких металлов. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000-6000°С. К тому же, эта газовая струя выдувает продукты резки.

Поскольку аргон обладает низкой теплопроводностью его используют при заполнении внутреннего пространства стеклопакетов.

Защитные функции выполняет аргон и при выращивании монокристаллов (полупроводников, сегнетоэлектриков).

Стремление использовать свойства и возможности сверхчистых материалов - одна из тенденций современной техники. Для сверхчистоты нужны инертные защитные среды, разумеется, тоже чистые; аргон - самый дешевый и доступный из благородных газов.

Аргон высокой чистоты применяют в спектроскопических установках для анализа чистоты материалов и в аргоновых лазерах.

В пищевой промышленности аргон зарегистрирован в качестве пищевой добавки E938, в качестве пропеллента и упаковочного газа.

Используется аргон и в качестве огнетушащего вещества в газовых установках пожаротушения.

 

 

Показатели качества аргона газообразного и жидкого ГОСТ 10157-79.

 

Объёмная доля, % Высший сорт
 Аргон, не менее 99,993
 Кислород, не более  0,0007
 Азот, не более  0,005
Водяной пар, не более, что соответствует t насыщения аргона водяными парами при 760 мм рт. ст., 0° С, не выше 0,0009 минус 61
Сумма углеродсодержащих соединений в пересчёте на СО2, не более 0,0005

 

 

Показатели качества газообразного аргона высокой чистоты ТУ 6-21-12-94

 

Объёмная доля, % Высший сорт
 Аргон, не менее 99,998
 Кислород, не более  0,0002
 Азот, не более  0,001
Водяной пар, не более 0,0003
Сумма углеродсодержащих соединений в пересчёте на СО2, не более 0,00002
Метан, не более 0,0001
Водород, не более 0.0002

 

 

Хранение и перевозка аргона

жидкий аргон газообразный аргон

Аргон газообразный хранится и транспортируется в баллонах окрашенных в серый цвет с надписью "АРГОН" зеленого цвета.

Аргон высокой чистоты хранится и транспортируется в баллонах окрашенных в серый цвет с надписью "АРГОН ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ" белого цвета.

Аргон жидкий хранится и транспортируется в специальных криогенных емкостях.

Аргон сжатый и жидкий относится к классу опасных грузов. Поэтому транспорт используемый для перевозки аргона должен быть оборудован в соответствии с правилами перевозки опасных грузов.

 

Опасные факторы и меры безопасности

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.

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

 

При работе с жидким аргоном необходимо соблюдать меры безопасности при обращении с жидкими криопродуктами.