Аналитические линии плазмообразующего газа (аргона) на фрагменте спектра образца углеродистой низколегированной стали
Аргон – элемент с атомной массой 39,944 и порядковым номером 18. Принадлежит к 8-ой группе главной подгруппы таблицы Менделеева, относится к благородным инертным одноатомным газам. Не обладает ни запахом, ни цветом, ни вкусом. Негорючий и невзрывоопасный.
Арго́н — химический элемент 18-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы VIII группы) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 18. Обозначается символом Ar (лат. ). Третий по распространённости элемент в земной атмосфере (после азота и кислорода) — 0,93 % по объёму. Простое вещество аргон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
О советском/российском предприятии см. НИИ «Аргон».
В промышленности аргон известен своей инертностью, то есть химической нейтральностью. Газ не вступает в реакцию с металлами, не растворяется в них, что позволяет эффективно применять аргон в составе защитной среды. Доставка аргона в баллонах актуальна для многих металлообрабатывающих предприятий, строительных фирм и инженерных организаций.
Рабочие характеристики баллонов для аргона
Аргоновые баллоны производят из высококачественной стали по бесшовной технологии, ведь внутреннее давление заполняющего газа должно быть не менее 150 атмосфер. Стандартная емкость для аргона состоит из нескольких элементов:
Вес и объем баллона, рабочее давление и другие характеристики указываются на его корпусе. Для простоты идентификации сосуд окрашивается в серый цвет и имеет надпись «Аргон», выполненную зеленой краской.
Применение аргона в баллонах
Аргоновые баллоны задействуют во многих областях. Потребность купить аргон 40 л возникает при сварке и газопламенной резке, в металлообработке, для удаления газовых включений из жидкой стали, на производствах осветительного оборудования. Газом заполняют лампы и световые приборы, также с его помощью:
Наиболее часто аргоновые баллоны используют в электросварочных операциях для защиты дуги, а также в резке листового проката. Аргон хорошо защищает сварочную ванну, способствует прочности и надежности сварных соединений, позволяет получать гладкие и однородные швы.
Аргон, как один из самых доступных и дешевых газов, получил широкое применение в разнообразных отраслях промышленности. Для его получения задействуют несколько промышленных способов, благодаря чему аргон отличается особой доступностью и используется в разнообразных технологических операциях.
Особенности газа
Аргон – дешевый инертный газ, нашедший массовое применение в разнообразных сферах деятельности человека. Наиболее часто потребность купить аргон 40л возникает в металлообрабатывающей отрасли, на металлургических предприятиях и ряде смежных сфер. Покупатели могут приобрести аргон в двух состояниях: сжиженном и газообразном. Оба вида аргона под высоким давлением заправляются в специализированные стальные емкости – баллоны, перевозку которых осуществляют железнодорожным или автотранспортом. Поставка жидкого аргона производится, как правило, при заказе больших объемов – так вещество занимает меньше места при транспортировке, что сопровождается дополнительной экономической выгодой.
Сферы применения аргона в баллонах
Область задействования аргона очень широка. Ведь низкая цена аргона 40л делает газ доступным и удобным для множества промышленных операций. Такой газ задействуют при производстве аргоновых ламп, часто встречающихся на рекламных вывесках. Также аргон применим в металлургии и горной добыче – с его помощью выплавляют металлы с особыми свойствами, исключают контакт расплавленного металла с азотом, кислородом и другими газовыми средами. Аргон применяется при термообработке тантала, циркония, вольфрама, бериллия и пр.
Газ аргон задействуют в научно-исследовательской деятельности – с его помощью производят анализ чистоты материалов. В химическом производстве аргон позволяет получать сверхчистые вещества, в энергетике газом наполняют газоразрядные лампы.
Часто аргон применим в строительных операциях и на машиностроительных предприятиях – газ участвует в процессах электросварки алюминия и стали, защищая сварочную дугу. Также этот газ необходим для оперативного раскроя различных металлических элементов, например листового металлопроката. Сварка с использованием аргона может быть как ручной, так и полуавтоматической и автоматической. Независимо от способа сваривания, газ обеспечивает высокие показатели защиты сварочной ванны. Сварные соединения, получаемые при применении аргона, отличаются надежностью и прочностью, швы гладкие, ровные и с однородной структурой.
Инертные газы не вступают в реакцию с другими веществами, не участвуют в синтезе химических соединений, не поддерживают процессы горения. И тем не менее, такие газы широко применяются в промышленности, где их физико-химические свойства максимально востребованы и актуальны. Один из таких газов – аргон. Его задействуют в сварочных операциях, раскрое металла, химических реакциях, на пищевых производствах, при сборке электроники и т. д.
Свойства и характеристики газа аргона
Важнейшее отличительное качество аргона – его инертность, то есть неспособность вступать в любые химические реакции. Этот газ тяжелее воздуха, практически не растворяется в воде, при нормальных условиях бесцветный, не имеет вкуса и запаха, не подвержен горению, отличается низкой теплопроводностью. Аргон не ядовит, его доля в воздушной массе составляет 0,9 % объема. Газ имеет плотность 1,784 кг/м3, температура кипения в ректификационной установке -185,8 °C. Благодаря доступности получения и низкой стоимости потребность заказать аргон с доставкой возникает у множества промышленных предприятий, строительных компаний и научно-исследовательских центров.
Применение аргона в различных отраслях
Аргон востребован во многих отраслях промышленности, в народном хозяйстве и даже в быту. Его применение распространено в следующих сферах:
Как лучше приобретать аргон?
Потребителям доступен аргон двух видов: в сжиженном и газообразном состоянии, в зависимости от сферы применения и условий эксплуатации. Наиболее выгодный вариант покупки – обмен баллонов с аргоном. Обменивая старые баллоны, клиент сразу же получает аттестованные заполненные емкости, готовые к эксплуатации. В случае если заказчик впервые приобретает газ, ему необходимо купить новую заполненную емкость, также готовую к использованию. В дальнейшем баллон используют для обмена. При необходимости у компании-поставщика технических газов можно приобрести дополнительное газобаллонное оборудование, например горелки.
Заполненная аргоном и парами ртути газоразрядная трубка
Ниже перечислены области применения аргона:
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
В промышленности аргон получают как побочный продукт при крупномасштабном разделении воздуха на кислород и азот. При температуре −185,9 °C (87,3 кельвина) аргон конденсируется, при −189,35 °C (83,8 Кельвина) — кристаллизуется.
Ввиду близости температур кипения аргона и кислорода (90 K) разделение этих фракций ректификационным способом затруднительно. Аргон считается посторонней примесью, допускаемой только в техническом кислороде чистотой 96 %.
Получение Аргона
Аргон — наиболее распространенный в воздухе инертный газ. В 1 м3 содержится примерно 0,09 см3 ксенона, 1,1 см3 криптона, 5,2 см3 гелия, 18,2 см3 неона, 9000 см3 аргона.
В атмосфере Земли аргон занимает третье место. На первом – азот, на втором — кислород. В процентном отношении это примерно 0,93% по объёму или 1.3% по массе. По этой причине он является самым легкодоступным и недорогим инертным газом.
Получение и промышленное производство этого газа происходит как выделение сопутствующего газа при добыче азота и кислорода из атмосферного воздуха. Наиболее простой метод — это глубокое охлаждение и ректификация с последующей доочисткой от примесей.
Кроме того, аргон получают при производстве аммиака. Доочистку аргона осуществляют по технологии гидрирования с платиновым катализатором или адсорбционным методом с использованием молекулярных сит или активного угля.
Распространение в природе
Аргон не играет никакой заметной биологической роли.
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 возбуждённые 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.
Основными потребителями аргона являются:
Металлургия. Применение аргона в современных технологических процессах выплавки стали — продувка расплава в ковше. Эта операция выполняет несколько функций: охлаждение металла, ускорение плавления вводимых в ковш лигатур и раскислителей, гомогенизация металла по химическому составу и температуре, очищение от неметаллических включений, образующихся от раскисляющих и легирующих добавок, углеродное раскисление металла и его обезуглероживание, удаление водорода и азота, ускорение десульфурации (удаление серы из расплава), вдувание раскисляющих и легирующих порошкообразных добавок.
В металлургии высококачественных сплавов аргон используется для защиты расплава от контакта с воздухом во время выплавки и разливки. Высокотемпературная обработка титана и его сплавов требует защитной аргоновой атмосферы. Незаменим аргон и в технологиях обработки таких редких металлов как цирконий, вольфрам, тантал, ниобий, бериллий, гафний и др.
Металлообрабатывающая промышленность. Основное использование аргона — создание защитной завесы при электродуговой (АРДЭС), контактной и лазерной сварке, термообработке. Аргон — плазмообразующий газ в установках сварки и резки активных, редких металлов, сплавов на их основе, например, алюминиевых и магниевых, нержавеющих, хромоникелевых, жаропрочных сплавов и легированных сталей.
Радиоэлектронная промышленность. Здесь аргон незаменим для создания инертной среды в установках плазменного напыления, заполнение колб электрических и люминесцентных ламп, электровакуумных приборов, газосветной рекламы. Например, сине-голубое свечение получается при заполнении трубок аргоном с парами ртути.
Пищевая промышленность. Благодаря своей химической нейтральности, аргон широко используют как пропеллтен («выталкивающий» газ) в аэрозольных упаковках, антифламинг (вещество снижающее образование пены) и «упаковочный» газ в пищевой промышленности.
Спектральный анализ и метрология. В данной сфере аргон наиболее часто используется как газ-носитель, инертная среда и плазмообразующий газ в контрольно-измерительных приборах, а также при производстве поверочных газовых смесей (ПГС) для различных газоанализаторов.
В данной сфере применения чистота аргона имеет ключевое значение. Даже при минимальных отклонениях качества аргона от соответствующих ГОСТов и ТУ, регламентированных для использования в конкретных приборах, изменяются условия работы и анализа, что приводит к серьезным искажениям результатов измерений, нарушению работоспособности оборудования, снижению качества продукции, снижению ресурса фильтров и, как следствие, серьезным экономическим убыткам.
Для предотвращения вышеописанного, могут использоваться специализированные фильтры, а также установки доочистки аргона (инертных газов) лабораторного или промышленного назначения.
Так как наша компания занимается разработкой и производством спектрометров, применение аргона в этих приборах мы решили рассмотреть более подробно. Ниже в статье этому будет посвящена отдельная глава.
Прочие сферы применения. Огнетушительные установки, заполнение стеклопакетов и поддув сухих гидрокостюмов водолазов для лучшей теплоизоляции, в медицине — очистка разрезов при хирургическом вмешательстве, в химической промышленности — инертная среда для нестабильных на воздухе соединений, а так же в прочих областях промышленности.
Первый процесс (обычный β-распад) протекает в 88 % случаев и ведёт 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.
История открытия Аргона
Впервые неизвестный до этого газ, при химических и физических экспериментах, обнаружил в 1785 году Генри Кавендиш — английский физик и химик. Но он не смог разгадать загадку и прекратил исследования. Позднее на записи Кавендиша обратил внимание Джеймс Максвелл.
И лишь спустя более ста лет, в 1894 году, химик Уильям Рамзай и физик Джон Уильям Стретт (Лорд Рэлей) сделали доклад об открытии нового элемента, который, за свою химическую неактивность, назвали аргоном. Это случилось в Оксфорде на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей, физиков и химиков. Название нового газа произошло от греческого слова ἀργός, что в переводе означает — неактивный, медленный.
Спустя еще 10 лет, эти ученые получили Нобелевские премии за исследования газов, открытие аргона и других инертных газов в атмосфере.