Арго́н ( химический символ — Ar , от лат. Ar gon ) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, VIIIA) третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева , с атомным номером 18.

Простое вещество аргон — инертный одноатомный газ без цвета , вкуса и запаха . Является третьим по распространённости химическим элементом в воздухе земной атмосферы (после азота и кислорода ) — 0,93 % по объёму.

История

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 всё новые порции бурых оксидов азота , которые исследователь периодически растворял в щёлочи . Через некоторое время образование окислов прекратилось, но после связывания оставшегося кислорода остался пузырёк 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 . Разгадать загадку пузыря Кавендиш не смог, поэтому прекратил своё 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 (масса первого была равна 1,2521 г, а второго — 1,2505 г). Эта разница была не так уж мала, чтобы можно было её отнести на счёт 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 своё сотрудничество. Интуиция побудила Рамзая предположить, что азот воздуха содержит примеси неизвестного и более тяжёлого 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 пошёл 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 удалён кислород, присутствовавший в качестве примеси к азоту. Этим способом Рамзаю в первом же опыте удалось выделить около 100 мл нового газа .

Итак, был открыт новый газ. 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 % по массе) . Слишком невероятен был тот факт, что несколько поколений учёных не заметили составной части воздуха, да ещё 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 .

Происхождение названия

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 подчёркивало важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность .

Распространённость

Во Вселенной

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

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

Распространение в природе

Аргон — третий по содержанию после азота и кислорода компонент воздуха , его среднестатистическое содержание в атмосфере Земли составляет 0,934 % по объёму и 1,288 % по массе , его запасы в атмосфере оцениваются в 4⋅10 ¹⁴ т . Аргон — самый распространённый инертный газ в земной атмосфере, в 1 м ³ воздуха содержится 9,34 л аргона (для сравнения: в том же объёме воздуха содержится 18,2 мл неона , 5,2 мл гелия , 1,1 мл криптона , 0,09 мл ксенона ) .

Содержание аргона в литосфере — 4⋅10 ⁻⁶ % по массе . В каждом литре морской воды растворено 0,3 мл аргона, в пресной воде его содержится (5,5—9,7)⋅10 ⁻⁵ %. Его содержание в Мировом океане оценивается в 7,5⋅10 ¹¹ т, а в изверженных породах земной оболочки — 16,5⋅10 ¹¹ т . Практически весь аргон в земной атмосфере является радиогенным, поскольку естественный радиоактивный изотоп калия ⁴⁰ K с вероятностью около 11 % претерпевает электронный захват , дочерним продуктом этого канала распада является стабильный ⁴⁰ Ar , наиболее распространённый среди естественных изотопов аргона. Также, в 0,001 % случаев ⁴⁰ K претерпевает позитронный распад , образуя ⁴⁰ Ar. Однако основной канал распада (вероятность примерно 89 %) ⁴⁰ K — β ^- -распад , в результате которого образуется чётно-чётный и стабильный изотоп кальций-40 , а также излучаются электрон и электронное антинейтрино . Природная радиоактивность калия из-за присутствия калия-40 не представляет опасности для жизни и здоровья.

Определение

Качественно аргон обнаруживают с помощью эмиссионного спектрального анализа , основные характеристические линии — 434,80 и 811,53 нм. При количественном определении сопутствующие газы ( O ₂ , N ₂ , H ₂ , CO ₂ ) 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 активированным углём . Используются методы анализа, основанные на измерении различных физических свойств ( плотности , теплопроводности и др.), а также масс-спектрометрические и хроматографические методы анализа .

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 ). В 100 мл воды при 20 °C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых ^{[ каких? ]} органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде. Плотность при нормальных условиях составляет 1,7839 кг/м ³ .

Химические свойства

Пока известно/получено только 1 метастабильное химическое соединение аргона — гидрофторид аргона , которое существует только при очень низких температурах и получено фотолизом фтороводорода на твердой аргоновой матрице (наподобие соединения гелия с натрием, которое существует только при очень высоком давлении).

Кроме того, аргон (как и гелий, неон, например) образует эксимерные молекулы (крайне нестабильные), то есть молекулы, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Например, при электрическом возбуждении смеси аргона и хлора возможна газофазная реакция с образованием ArCl.

Не исключено, что будут получены другие валентные соединения аргона с фтором и кислородом , которые тоже должны быть крайне неустойчивыми/метастабильными. Также со многими веществами, между молекулами которых действуют водородные связи ( водой , фенолом , гидрохиноном и другими), образует, как и неон, например, соединения включения ( клатраты ), где атом аргона, как своего рода «гость», находится в полости, образованной в кристаллической решётке молекулами вещества-хозяина, например, Ar·6H ₂ O (удерживается силами Ван-дер-Ваальса, а не химической связью с атомами).

Предполагается химическое соединение [того же типа, что и гидрофторид аргона] CU(Ar)O из соединения урана с углеродом и кислородом CUO .

Вероятно ещё существование соединений со связями Ar—Si и Ar—C: FArSiF ₃ и FArCCH.

Изотопы

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

${\displaystyle {\ce {^{40}_{19}K->{}_{20}^{40}Ca{}+e^{-}{}+{\bar {\nu }}_{e},}}}$

${\displaystyle {\ce {{}^{40}_{19}K{}+ e^- -> {}^{40}_{18}Ar{}+ \nu_{e}+ \gamma.}}}$

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 ⁴⁰ Ar, что позволяет измерять возраст горных пород; калий-аргоновый метод является одним из основных методов ядерной геохронологии .

Вероятные источники происхождения изотопов ³⁶ Ar и ³⁸ Ar — 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 ³⁶ Ar и ³⁸ Ar. 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 ⁴⁰ Ar, они получили изотопный состав, очень близкий к составу космического аргона .

Получение

В промышленности аргон получают как побочный продукт при крупномасштабном разделении воздуха на кислород и азот. При температуре −185,9 °C (87,3K) аргон конденсируется, при −189,35 °C (83,8K) — 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 %.

Применение

Ниже перечислены области применения аргона:

• в аргоновых лазерах ;
• в качестве газонаполнителя ламп 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 плазмы в плазматронах при сварке и резке;
• в пищевой промышленности 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 » с целью снижения уровня кислорода для предотвращения пожара на борту космического корабля при путешествии на Марс ;
• в дайвинге из-за низкой теплопроводности аргон применяется 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

Аргон не играет заметной биологической роли.

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 (2 атм ) . В 2014 году WADA признала аргон допингом .

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

Примечания

Ссылки

• Вуколов С. П. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• (недоступная ссылка)