Газ аргон химические свойства и сфера применения

Аргон (обозначается как Ar) — наиболее часто встречающийся в воздухе инертный газ. Он отличается полной химической инертностью. Это свойство позволяет широко применять газ в таких областях, как сварка, упаковка, производство материалов высокой чистоты, а также для тушения пожаров.

Общая характеристика Ar

Ar входит в группу инертных газов. Заряд его ядра — 18, под таким же номером элемент располагается в таблице Менделеева. Из всех участников  VIIIA группы он является наиболее часто встречающимся в природе. Объемная доля Ar в атмосфере -0,93%, массовая доля составляет 1,28%.Элемент является  газом без цвета, вкуса и запаха. Химически не активен – аргон не вступает в реакцию и практически не соединяется ни с какими элементами или веществами, за исключением CU(Ar)O, и гидрофторида аргона. Весьма плохо растворим водой, чуть большая растворимость наблюдается при взаимодействии с органическими растворителям.

В атмосфере содержится около 0,9% аргона. Аргон, который, как и азот, представляет собой нейтральный бесцветный газ, существует в природе только в составе атмосферного воздуха. Он не пригоден для поддержания жизни, однако незаменим в некоторых технологических процессах благодаря высокому уровню химической инертности и относительной простоте извлечения.

Аргон является одним из наиболее распространенных химических элементов, представленных в атмосфере планеты Земля, занимая третье место после азота и кислорода. В то же время получение аргона – это ответственный и сложный с технологической точки зрения процесс, справиться с которым могут только настоящие профессионалы. Его особенность заключается в том, что в сфере промышленности этот инертный газ получают путем разделения воздуха на азот и O2.

Но есть и определенная сложность – температура кипения этого вещества находится между температурами кипения этих двух газов. Если быть более точным, то она менее чем на 3 градуса отличается от значения, при котором происходит закипание O2. Из-за этого разделить две фракции ректификационным методом невероятно сложно. Ведь Ar будет просто распределяться между другими веществами-компонентами воздуха, присоединяясь к кислороду в большинстве случаев.

Но широкое распространение Ar и его востребованность в самых различных сферах деятельности заставили человечество разрабатывать все более новые способы и технологические методы, позволяющие сделать процесс получения аргона более простым, удобным и эффективным. При этом многие из них связаны с получением технических газов, прошедших глубокую очистку (по теме особо чистых газообразных веществ вы можете прочитать наш отдельный материал).

Основное применение

В контролируемой среде аргон может во многих процессах использоваться в качестве замены для азота. Высокая растворимость (в два раза превышающая растворимость азота) и определенные молекулярные характеристики обеспечивают его особые свойства при хранении овощей. При определенных условиях он способен замедлять метаболические реакции и значительно сокращать газообмен.

Производство стекла, цемента и извести

При использовании для заполнения ограждений с двойным глазурованием аргон обеспечивает превосходную тепловую изоляцию.

Металлургия

Аргон используется для предупреждения контакта и последующего взаимодействия между расплавленным металлом и окружающей атмосферой.

Использование аргона позволяет оптимизировать такие производственные процессы как перемешивание расплавленных веществ, продувка поддонов реакторов для предупреждения повторного окисления стали и обработка стали узкого применения в вакуумных дегазаторах, включая вакуумно-кислородное обезуглероживание, окислительно-восстановительных процессы и процессы открытого сжигания. Однако наибольшую популярность аргон приобрел в процессах аргоно-кислородного обезуглероживания нерафинированной высокохромистой стали, позволяя минимизировать окисление хрома.

Лабораторные исследования и анализы

В чистом виде и в соединениях с другими газами аргон используется для проведения промышленных и медицинских анализов и испытаний в рамках контроля качества.

В частности аргон выполняет функцию газовой плазмы в эмиссионной спектрометрии индуктивно-связанной плазмой (ICP), газовой подушки в атомно-абсорбционной спектроскопии в графитной печи (GFAAS) и газа-носителя в газовой хроматографии с использованием различных газоанализаторов.

В соединении с метаном аргон используется в счетчиках Гейгера и детекторах рентгеновского флуоресцентного анализа (XRF), где он выполняет функцию гасящего газа.

Сварка, резка и нанесение покрытия

Аргон используется в качестве защитной среды в процессах дуговой сварки, при поддуве защитного газа и при плазменной резке.

Аргон предупреждает окисление сварных швов и позволяет сократить объем дыма, сбрасываемого в процессе сварки.

Электроника

Сверхчистый аргон служит в качестве газа-носителя для химически активных молекул, а также в качестве инертного газа для защиты полупроводников от посторонних примесей (например, аргон обеспечивает необходимую среду для выращивания кристаллов силикона и германия).

В ионном состоянии аргон используется в процессах металлизации напылением, ионной имплантации, нормализации и травления при производстве полупроводников и высокоэффективном производстве материалов.

Автомобильная и транспортная отрасль

Затаренный герметизированный аргон служит для наполнения подушек безопасности в автомобилях.

Газ аргон – химические свойства и сфера применения

28 января 2016

В переводе с греческого «argon» означает «медленный» или «неактивный». Такое определение газ аргон получил благодаря своим инертным свойствам, позволяющим широко его использовать во многих промышленных и бытовых целях.

Химический элемент Ar

Ar – 18-й элемент периодической таблицы Менделеева, относящийся к благородным инертным газам. Данное вещество является третьим после N (азота) и O (кислорода) по содержанию в атмосфере Земли. В обычных условиях – бесцветен, не горюч, не ядовит, без вкуса и запаха.

Другие свойства газа аргона:

• атомная масса: 39,95;
• содержание в воздухе: 0,9% объема и 1,3% массы;
• плотность в нормальных условиях: 1,78 кг/м³;
• температура кипения: -186°С.

На рисунке название химического элемента и его свойства

Данный элемент был открыт Джоном Стреттом и Уильямом Рамзаем при исследовании состава воздуха. Несовпадение плотности при различных химических испытаниях натолкнуло ученых на мысль, что в атмосфере помимо азота и кислорода присутствует инертный тяжелый газ. В итоге в 1894 г. было сделано заявление об открытии химического элемента, доля которого в каждом кубометре воздуха составляет 15 г.

Как добывают аргон

Ar не поддается изменениям в процессе его использования и всегда возвращается в атмосферу. Поэтому ученые считают данный источник неисчерпаемым. Он добывается как сопутствующий продукт при разделении воздуха на кислород и азот посредством низкотемпературной ректификации.

Для реализации этого метода применяются специальные воздухоразделительные аппараты, состоящие из колонн высокого, низкого давления и конденсатора-испарителя. В результате процесса ректификации (разделения) получается аргон с небольшими примесями (3-10%) азота и кислорода. Чтобы произвести очистку, примеси убираются с помощью дополнительных химических реакций. Современные технологии позволяют достичь 99,99% чистоты данного продукта.

Представлены установки по производству данного химического элемента

Хранится и транспортируется газ аргон в стальных баллонах (ГОСТ 949-73), которые имеют серый окрас с полосой и соответствующей надписью зеленого цвета. При этом процесс наполнения емкости должен полностью соответствовать технологическим нормам и правилам безопасности. Детальную информацию о специфике заполнения газовых баллонов можно прочитать в статье: баллоны со сварочной смесью – технические особенности и правила эксплуатации.

Где применяется газ аргон

Данный элемент имеет достаточно большую сферу применения. Ниже приведены основные области его использования:

• заполнение внутренней полости ламп накаливания и стеклопакетов;
• вытеснение влаги и кислорода для долгого хранения пищевых продуктов;
• огнетушащее вещество в некоторых системах тушения пожара;
• защитная среда при сварочном процессе;
• плазмообразующий газ для плазменной сварки и резки.

В сварочном производстве он применяется как защитная среда в процессе сварки редких металлов (ниобия, титана, циркония) и их сплавов, легированный сталей разных марок, а также алюминиевых, магниевых и хромоникелевых сплавов. Для черных металлов, как правило, применяют смесь Ar с другими газами – гелием, кислородом, углекислотой и водородом.

Вид защитной среды при сварочном процессе, которую создает аргон

Меры предосторожности при эксплуатации

Данный химический элемент не представляет абсолютно никакой опасности для окружающей среды, но при большой концентрации оказывает удушающее воздействие на человека. Он нередко скапливается в районе пола в недостаточно проветриваемых помещениях, а при значительном уменьшении содержание кислорода может привести к потере сознания и даже смертельному исходу. Поэтому важно следить за концентрацией кислорода в закрытом помещении, которая не должна падать ниже 19%.

Еще мы советуем посмотреть третью часть обучения сварке в защитной среде аргона:

Жидкий Ar способен вызвать обморожение участков кожи и повредить слизистую оболочку глаз, поэтому в процессе работы важно использовать спецодежду и защитные очки. При работе в атмосфере этого газа с целью предотвращения удушения необходимо применять изолирующий кислородный прибор или шланговый противогаз.

Заправить баллоны аргоном можно в компании «Промтехгаз», где соблюдается правильная технология заправки и предоставляется качественное обслуживание.

Если вы интересуетесь другими техническими газами, информацию можете найти здесь.

АРГОН относится к инертным, или благородным, газам.  Простое вещество аргон — газ без запаха, цвета и вкуса.

Название: от греческого «argos» (недеятельный).

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 –189,3°C. Критическая температура –122,43°C, критическое давление 4,86 МПа. Плотность при нормальных условиях 1,7839 кг/м3.

В 100 мл воды при 20°C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде.

В промышленности аргон получают как побочный продукт при крупномасштабном 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).

Нахождение в природе:

Аргон распространен в природе только в свободном виде. В земной коре его содержание составляет 1,2·10–4 %, в морской воде — 0,45·10–4 %. В атмосферном воздухе содержится 0,93% аргона по объему (9,34 л в 1м3). Это значительно больше, чем содержание в воздухе всех остальных инертных газов вместе взятых. Воздух служит неиссякаемым источником для получения аргона.

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

Аргон широко используют для создания инертной и защитной атмосферы, прежде всего при термической обработке легко окисляющихся металлов (аргоновая плавка, аргоновая сварка и другие).

В атмосфере аргона получают кристаллы полупроводников и многие другие сверхчистые материалы.

Аргоном часто заполняют электрические лампочки (для замедления испарения вольфрама (W) со спирали). При пропускании электрического разряда через стеклянную трубку, заполненную аргоном, наблюдается сине-голубое свечение, что широко используется, например, в светящейся рекламе. Аргон используется для подсветки рекламных плакатов, стендов. Так называемые неоновые осветительные приборы на самом деле заполняются аргоном.

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.

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.

Опасные факторы и меры безопасности

При всех своих преимуществах аргон достаточно опасен.

Может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии (в результате кислородного голодания).

В жидком состоянии он способен вызвать обморожение кожи, слизистой оболочки при соприкосновении с ней, поэтому при работе с жидким аргоном необходимо соблюдать меры безопасности при обращении с жидкими криопродуктами.

Что представляет собой аргон?

Это одноатомный инертный газ, который не имеет какого-либо запаха, цвета и вкуса. Он является одним из основных компонентов воздуха, а также в больших количествах содержится в атмосфере нашей планеты. Температура его кипения составляет минус 185.9 градусов по Цельсию, при этом такая отметка находится очень близко от отметки кипения O2. Следует обратить внимание, что, находясь в воздухе в больших концентрациях, он может быть опасен для человека, так как вытесняет кислород и приводит к проявлению симптомов кислородного голодания.

Согласно государственным стандартам (ГОСТ) находящийся в газообразном состоянии Ar должен храниться и транспортироваться в специально предназначенных для этого газовых баллонах, сделанных с применением стального сплава. Чистое вещество должно находиться в емкостях, обладающих соответствующим окрасом и маркировкой – баллон серого цвета с зеленой надписью: «Аргон чистый».

Зависимость давления аргона в баллоне от температуры

По мере нагрева давление газообразного вещества в замкнутом объеме повышается. В таблице приведены примерные значения давления в баллоне в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Следует учитывать, что баллонное давление изменяется не мгновенно, а по мере его прогрева или охлаждения.

Благодаря значительному с промышленной точки зрения содержанию аргона в воздухе его получают в качестве дополнительного продукта криогенной ректификации O2  и N2. Технология основана на том факте, что температура кипения (или сжижения) Ar  лежит между температурами N2  и O2. Перед началом процесса воздух подвергается тщательной очистке от пыли в многоступенчатых фильтрах, осушается от водяных паров, а далее мощными компрессорами сжимается до тех пор, пока не перейдет в жидкое состояние. Жидкость перегоняют в ректификационной колонне, чтобы разделить ее на отдельные вещества. Первым испаряется азот при -195 °С, его пары собираются на соответствующей тарелке ректификатора и отводятся в отдельный резервуар. Следующим по высоте (и при температуре кипения -185 °С) отбирается аргонная фракция, содержащая 12% Ar, менее полпроцента азота и кислород. Она подается в следующую ректификационную колонну, в которой процентная доля Ar доводится до 85, оставшееся приходится на кислород со следами азота. Такое вещество называется сырым аргоном, исходным материалом для получения очищенного газа.

В промышленности применяется несколько методов очистки сырого аргона от примесей.

Область применения

Шире всего аргон применяется при сварочных работах. Он используется для создания защитной атмосферы вокруг сварочной ванны, вытесняя из рабочей зоны O2 и N2, содержащиеся в атмосфере. Особенно важно это для сварки цветных металлов, многие из которых, к примеру, Ti, отличаются высокой химической активностью в нагретом состоянии. Незаменим инертный газ также для неразъемного соединения нержавеющих и высоколегированных сплавов. Также широко применяется  при монтаже высоконагруженных строительных конструкций, таких, как каркасы высотных зданий, фермы мостов и многих других. Здесь его применение обеспечивает высокое качество, однородность и долговечность ответственных соединений. В строительной индустрии аргонная сварка доминирует среди других методов. Не менее широко применяется аргонная сварка в машиностроении, прежде всего химическом и пищевом. Швы получаются долговечные и надежные, даже в условиях воздействия агрессивных сред. Нефтяная и газовая отрасли также применяют аргонная сварку при монтаже трубопроводов, газоперекачивающих станций и нефтеперегонных комбинатов.

Используется метод также в атомной промышленности, в транспортном машиностроении и в аэрокосмической отрасли.

В домохозяйствах аргонная сварка распространена не так широко. Это объясняется:

• высокой стоимостью оборудования и расходных материалов;
• необходимостью достаточной квалификации сварщика;
• меньшими нагрузками, испытываемыми домашними конструкциями;
• более низкими требованиями к прочности и долговечности сварных соединений.

Если в домохозяйстве возникает эпизодическая потребность в таких сварочных работах, то дешевле, быстрее и надежнее пригласить сварщика-специалиста. Характерным свойством Ar является его более высокая плотность по сравнению с воздухом. Поэтому максимальная эффективность аргонной сварки достигается при нижнем сварочном положении. В этом случае инертный раз растекается по поверхности детали и образует защитное облако значительной протяженности, позволяя вести сварку, как большими токами, так и на большой скорости. При сварке в наклонном и верхнем положении приходится учитывать «проваливание» аргона сквозь воздух. Чтобы компенсировать это явление, либо увеличивают подачу газа, либо проводят работы в герметичном помещении, заполненным инертным газом. В обоих случаях себестоимость работ возрастает.

Поскольку потенциал ионизации Ar невысок, его использование обеспечивает идеальные геометрических характеристик сварочного шва, прежде всего, профиля. Возбужденная электродуга в аргоновой атмосфере также отличается высокой стабильностью своих параметров. С другой стороны, низкое значение потенциала ионизации обуславливает и более низкое напряжение розжига и поддержания дуги. Это сокращает ее тепловыделение и усложняет провар толстых листов металла. Более высокая температура дуги в аргоновой атмосфере существенно повышает проплав сварочного шва. Это позволяет проводить сварку за один проход при условии точного соблюдения параметров зазора между заготовками.

В случае применения TIG-метода сварочных работ аргоновая атмосфера защищает от коррозионного влияния не только зону сварки, но и окончание неплавкого электрода.

В ряде специфических случаев в состав защитной газовой смеси добавляют гелий.

Кроме применения при сварочных работах, аргон используется:

• Как плазмоообразующее веществона установках плазменного раскроя металла.
• Для создания инертной среды в упаковках пищевых продуктов. Он вытесняет из пакетов и контейнеров кислород воздуха и водяные пары, пагубно влияющие на срок годности продуктов. Продукты в защитной атмосфере хранятся в несколько раз дольше, чем в обычной упаковке. Применяется этот метод и для упаковки медицинских изделий и препаратов, позволяя сохранить их в должной стерильности и химической чистоте.
• В качестве активного агента в противопожарных установках. Аргон вытесняет кислород (или другой газ) из очага горения, прекращая его.
• Для создания защитной среды в технологических установках при обработке полупроводниковых устройств, создании микросхем и других электронных компонентов или материалов высоких степеней чистоты.
• Наполнитель электроламп.
• В рекламных люминесцентных трубках.

Техника безопасности при работе с аргоном

Сам по себе не являясь ядовитым, аргон при неправильном использовании может нанести серьезный вред здоровью или даже создать угрозу жизни. Аргон замещает кислород воздуха и создает смесь, непригодную для дыхания. Человек может пострадать или даже погибнуть от удушья. Сжиженный аргон имеет очень низкую температуру и при контакте с незащищенной кожей приводит к тяжелым обморожениям. Во избежание неприятных последствий при работе с газом следует неукоснительно соблюдать следующие правила:

• При работе в атмосфере аргона обязательно использовать изолирующий противогаз.
• При работе на полуавтоматах с подачей аргона обеспечить вентиляцию рабочей зоны.
• Использовать газоанализатор, содержание кислорода в воздухе должно быть не ниже 19%.
• Спецодежда должна полностью закрывать коду, быть чистой и целой.

Перед началом работы также следует осмотреть баллоны, шланги и запорную арматуру на предмет отсутствия механических повреждений и утечек газа.

Как получают аргон в промышленных условиях?

Отвечая на вопрос о том, как получают аргон, следует отметить, что это достаточно непростая задача. Чаще всего для этого применяют технологию низкотемпературной ректификации воздуха, в процессе которой происходит разделение воздуха на разные фракции – O2 и азот. При этом сам Ar добывают в качестве побочного продукта.

Затем в процессе получения аргона фракцию снова подвергают ректификации по аналогичной технологии в результате чего получают «сырой аргон». Находясь в виде пара, он может содержать от 75% до 95% чистого вещества. После этого сырой продукт подвергают очистке путем введения в него H2 и специального катализатора, в результате чего содержащийся в смеси кислород затрачивается на окисление водорода.

схема сепарационной установки

Отечественные производители обычно предлагают Ar, в котором содержание чистого вещества варьируется в пределах от 99.9% до 99.99%. При этом существует еще и особо чистый газ, объем примесей в котором очень мал – не более 0.005% гелия и 0.001% O2.

Выводы о применении и получении аргона

Ar является одним из самых распространенных газов, который в то же время очень непросто получить в чистом виде. Его добывают несколькими способами, а впоследствии используют в различных сферах деятельности человека, в том числе на производстве, при проведении сварочных работ или в лазерных установках.

Если вы желаете купить Ar высокой степени очистки, то вы можете обратиться в компанию «ПРОМТЕХГАЗ». Для этого нужно пройти по ссылке https://idealgaz.ru/. Специалисты компании не только расскажут вам о том, как получают аргон, но и предложат наиболее выгодную стоимость на него.

История открытия

Предыстория открытия Ar началась в 1785 году. Выдающийся ученый  и естествоиспытатель из Великобритании Генри Кэвендиш исследовал состав воздуха. Он подвергал азот окислению и взвешивал получившиеся окислы. По окончании опыта в сосуде оставался газ. Кэвендиш определил его объем в 0,8% от начального объема воздуха. Состав этого газа ученый определить не смог. Спустя столетие к проблеме вернулись сэры Джон Рэлей и Уильям Рэмзи. В ходе проведенных опытов они обнаружили, что азот, выделенный из воздуха, имеет большую плотность, нежели азот, получаемый в ходе реакции разложения нитрита аммония. в 1884 году им удалось выделить из воздуха некий газ, более плотный, чем азот. Это вещество имело одноатомную молекулярную структуру и было крайне инертным — т.е. не реагировало с другими веществами. На заседании Королевского Общества новому газу было присвоено название «аргон», что в переводе с древнегреческого значило «спокойный, ленивый»

Аргон в природе

Ввиду практически полной инертности Ar  представлен в естественной среде исключительно в несвязанном виде. Его процентная доля в различных частях Земли равна приблизительно:

• морская вода — 0,00045%;
• атмосфера — 0,926%.

Доля Ar в воздухе выше, чем суммарная доля всех остальных инертных газов. Основным источником для его добычи служит наша атмосфера. В коре Земли аргон содержится также в виде радиоактивного изотопа Аргон-40 и появляется в ходе реакции распада изотопов Калия. Современная наука вместе с остальными инертными газообразными элементами относит Ar  к VIII группе периодической системы.

Физические и химические свойства

Свойства аргона типичны для члена VIII группы. При обычной  температуре Ar пребывает в газообразном состоянии. Молекула включает в себя единственный атома, химическая формула весьма простая: Ar. Температура кипения весьма низка : -185,8 °С при атмосферном уровне давления. Растворимость в воде низкая — всего 3,29 мл на 100 мл жидкости Плотность аргона при нормальных условиях составляет 1,78 кг/м3. Молярная теплоемкость газа- 20,7 Дж/Кмоль. Газ практически полностью инертен. На сегодняшний день ученым удалось получить лишь два его соединения — CU(Ar)O, и гидрофторид аргона. Соединения существуют лишь при сверхнизких температурах. Предполагается, что Ar может входить в состав неустойчивых в нормальном состоянии молекул эксимерного типа. Такие молекулы могут существовать лишь в возбужденном состоянии, например, в ходе электроразряда высокой интенсивности. Такие соединения возможны с ртутью, кислородом и фтором. Электроотрицательность по шкале Полинга равна 4,3.

Как степень окисления, так и электродный потенциал имеют нулевое значение, что характерно для инертного газа.

Ионный радиус составляет 154, радиус ковалентности — 106 Пм. Ионизационный порог- 1519 кдж/моль

Атомная и молекулярная масса

Такие важные параметры, как атомная и молекулярная массы, показывают, насколько масса молекулы вещества и масса его атома соответственно превышают значение, равное одной двенадцатой доле массы атома водорода. Ввиду того, что молекула Ar состоит из единственного атома,  молекулярная и атомная масса аргона идентичны и составляют 39,984.

Изотопы

В природных условиях Ar встречается в качестве трех устойчивых изотопов

• 36Ar– процентная доля этого изотопа составляет 0,337% в ядре 18 протонов и 18 нейтронов;
• 38Ar- его доля всего 0,063%, в ядре 18 протонов и 20 нейтронов;
• 40Ar – наиболее распространен, его доля составляет 99,6%, в ядре так же 18 протонов, но уже 22 нейтрона.

Искусственным путем удавалось получать изотопы с массовым индексом от 32 до 55, наиболее стабильным из них оказался 39Ar, период полураспада которого составляет 268 лет. Большая процентная доля 40Ar среди изотопов, встречающихся в природе, вызвана постоянным образованием его в ходе реакции распада изотопа калий-40. На 1000 кг калия в ходе таких реакций за год образуется не более 3100 атомов 40Ar. Но, поскольку эти реакции идут постоянно в течение сотен миллионов лет, изотоп накопился в природе в существенных объемах. Доминирование тяжелого изотопа в природе обуславливает тот факт, что атомный вес Ar  превышает атомный вес калия, находящегося в таблице следом за ним. При создании Периодической системы такого противоречия не было, поскольку аргон был обнаружен и свойства его были исследованы значительно позже, в первом десятилетии XX века. Первоначально Ar был помещен в первую группу таблицы, восьмая группа была выделена позднее.

Ионы

Как и другие инертные газы (такие, как He и Ne), Ar подвержен ионизации. При возбуждении атомов и сообщении им высоких энергий возникают молекулярные ионы Ar2+.

Молекула и атом

Для  инертных газов эти понятия идентичны, поскольку эти элементы не желают вступать в химическую связь даже с себе подобными. Молекула включает в себя один атом, химическая формула газа не отличается от обозначения элемента: Ar.

Молярная масса

Молярная масса аргона составляет 39,95 г/моль. Существуют несколько методов ее вычисления:

• С применением относительной атомной массы M и коэффициента пропорциональности к, выражающего соотношение между относительной массой и молярной. Этот коэффициент является универсальной константой и равен для всех элементов. Молярная масса M выражается как произведение коэффициента пропорциональности на относительную массу.
• С использованием молярного объема. Потребуется найти объем, занимаемый при обычных условиях некоторой массой газа, далее рассчитать массу 22,4 литров вещества при таких же условиях.
• С применением уравнения Менделеева-Клапейрона, моделирующего идеальный газ.

pV = mRT / M,

проведя преобразования, получим выражение для молярной массы:

• p – давление в паскалях,
• V –объем в кубометрах
• m – масса в граммах,
• Т — температура в Кельвинах,
• R – константа, значение которой 8,314 Дж/(моль×К).

Виды аргона

Говоря о видах, или сортах Ar, надо понимать, что это одно и то же химическое вещество. Виды различаются по степени очистки от примесей.

• Высший сорт. Содержание Ar не менее 99,99% . Этот сорт особо высокой чистоты применяется для ответственных сварочных работ, таких, как сварка материалов, химически активных в нагретом состоянии: некоторые цветные сплавы, прежде всего титановые, нержавеющая сталь и др. Используется также для сварки высоконагруженных изделий из конструкционной стали.
• Первый сорт. Содержание Ar не менее 99,98%, Применяется при сварке сплавов на основе алюминия с другими металлами и сплавами, для менее активных цветных металлов.
• Второй сорт. Содержание Ar не менее 99,95%. Используется при сваривании деталей из жаростойких стальных сплавов, алюминия и конструкционных сталей. Применение чистого Ar в этих случаях нежелательно, поскольку приводит к повышенной пористости материала шва и не позволяет защитить сварочную ванну от повышенной влажности и других загрязнений. Во избежание возникновения такого дефекта в состав смеси защитных газов добавляют углекислый газ и кислород, связывающие выделяющийся при сварке водород и другие примеси. Образующиеся в ходе этих реакций шлаки всплывают на поверхность сварочной ванны и после застывания удаляются вместе с окалиной.

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 окислов азота, которые исследователь периодически растворял в щёлочи. Через некоторое время образование окислов прекращалось, но, после связывания оставшегося кислорода, оставался газовый пузырь, 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. 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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. %). 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.

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.

В каких сферах его применяют?

С каждым годом Ar становится все более популярным и востребованным. Уникальный по своим свойствам инертный газ применяется в различных сферах деятельности человека, к которым можно отнести:

• Использование лазерного оборудования – он является обязательным элементом системы лазера.
• Производство источников света. В первую очередь к ним следует отнести классические лампы накаливания, внутреннее пространство которых заполняется Ar (в итоге это позволяет максимально повысить эксплуатационные характеристики такой лампочки).
• Изготовление пластиковых окон. Его используют для заполнения пространства внутри стеклопакета, что значительно увеличивает теплоизоляционные качества готовой оконной конструкции.
• Работу газовых систем для тушения пожаров. Одноатомный газ является одним из основных компонентов, используемых в огнетушительных установках (подробнее прочесть об использовании систем газового пожаротушения вы можете здесь).
• Применение в сфере пищевой промышленности. Здесь он встречается в качестве распространенной пищевой добавки, а также при создании особой среды или упаковки, позволяющей продлить срок службы различных продуктов питания.

Отдельно следует отметить аргоновую сварку – технологию, позволяющую выполнять работы по свариванию различных металлов и неметаллов. В этом случае Ar выступает в качестве основного компонента для создания специальной защитной среды, в том числе при применении метода дуговой, контактной или лазерной сварки. Сотрудникам автомобильных сервисов может быть интересна наша статья, которая посвящена сварке литых дисков с использованием аргоновой сварки.