Аргон

Изотопы

Спектр аргона

Аргон представлен в земной атмосфере тремя стабильными изотопами: 36Ar (0,337 %), 38Ar (0,063 %), 40Ar (99,600 %). 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:

1940K→2040Ca+e−+ν¯e{\displaystyle \mathrm {{}_{19}^{40}K} \rightarrow \mathrm {{}_{20}^{40}Ca} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}

1940K+e−→1840Ar+νe+γ{\displaystyle \mathrm {{}_{19}^{40}K} +e^{-}\rightarrow \mathrm {{}_{18}^{40}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 40Ar, что позволяет измерять возраст горных пород; 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.

Процесс получения аргона

Схематично процесс добычи аргона описывается следующим образом. Вначале воздух очищается от пыли и сжимается до сжижения. Жидкий воздух подвергается ректификации с целью разделения его на составные части. Получающаяся аргоно-азотно-кислородная смесь (сырой аргон) затем очищается от кислорода и азота.

Разделение воздуха и попутное извлечение из него аргона в промышленном масштабе осуществляется путем сжижения и ректификации при низкой температуре.

Жидкий кислород под давлением 101 кПа кипит при температуре -182,9°С, а жидкий азот — при температуре -195,8°С. Поэтому пары жидкого воздуха при кипении обогащаются легкокипящим азотом, температура кипения которого почти на 13°С ниже, чем у кислорода. Одновременно происходит обогащение кипящей жидкости кислородом. Благодаря этому, в ректификационной разделительной колонке, где непрерывно кипит жидкий воздух и конденсируются его пары, удается получить одновременно кислород (в нижней части) и азот — (в верхней части). Большая часть жидкого аргона, температура кипения которого -185,3°С, скапливается в средней части колонки, откуда в смеси с кислородом и азотом отводится (так называемая аргонная фракция) в специальную аргонную колонну, смонтированную вместе с воздухораспределительным аппаратом. Здесь аргонная фракция (содержащая 8-12% аргона, 0,2-0,3% азота, остальное — кислород) подвергается дополнительной ректификации и обогащается аргоном до 85-95% (остальные 15-5% составляет смесь азота и кислорода). Этот продукт называют сырым аргоном, из него на последующих этапах очистки получают чистый Ar.

Получение аргона путем двойной ректификации воздуха

Аргон по летучести занимает промежуточное положение между азотом и кислородом — основными компонентами воздуха. Этим и объясняется специфическое поведение аргона при ректификации жидкого воздуха. Окончательное разделение жидкого воздуха на азот и кислород производится в колонне низкого давления воздухоразделительного аппарата. Дистиллятом этой колонны является газообразный азот, а нижним продуктом — газообразный или жидкий кислород.

Схема аппарата двойной ректификации воздуха

1. колонна высокого давления
2. колонна низкого давления
3. промежуточный койденсатор-испаритель

В верхней части колонны низкого давления аргон выступает в роли тяжелолетучего (по сравнению с азотом) компонента, а в нижней части — легколетучего (по сравнению с кислородом). Этим объясняется существование в колонне низкого давления зон повышенной концентрации аргона в обеих секциях колонны — концентрационной (выше ввода жидкости из куба колонны высокого давления) и отгонной (ниже ввода). На распределение аргона по тарелкам ректификационной колонны низкого давления сильно влияет сопутствующий ему третий компонент — кислород. Содержание аргона в зоне повышенной концентрации верхней секции колонны возрастает по мере уменьшения содержания кислорода в дистилляте при неизменном составе продукционного кислорода (этого можно достичь увеличением числа тарелок в колонне).

Защитные газы и их влияние на технологические свойства дуги

В качестве защитных газов при дуговой сварке плавлением ТИГ и МИГ/МАГ применяют инертные газы, активные газы и их смеси. Защитный газ выбирают с учетом способа сварки, свойств свариваемого металла, а также требований, предъявляемых к сварным швам.

Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Поэтому их целесообразно применять при сварке химически активных металлов и сплавов на их основе (алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы, легированные стали различных марок). При сварке ТИГ и МИГ/МАГ используются такие инертные газы как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси.

Активными защитными газами называют газы, способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке сталей в качестве защитной среды применяют углекислый газ (СО₂). Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму этот защитный газ используют только при сварке МИГ/МАГ.

К активным газам применяемым при МИГ/МАГ также относятся газовые смеси в состав которых входят аргон (Ar), кислород (О₂), азот (N₂), водород (H₂). Готовые газовые смеси поставляются в баллонах, также они могут быть получены путем смешивания газов составляющих смесь.

Классификация способов сварки в защитных газах приведена на схеме ниже.

Свойства защитных газов

В таблице ниже приведены физические свойства защитных газов.

Газ	Плотность кг/м3	Теплоемкость, Дж/г oС	Теплопроводность, вт/м oС	Энергия диссоциации, эВ	Потенциал ионизации, В	Сечение столкновения, м2
Ar	1,783	0,524	0,19	не диссоц.	15,76	2,5∙10-20
He	0,178	5,242	1,66	не диссоц.	24,58	10∙10-20
CO2	1,977	0,821	0,19	5,5	14,3	25∙10-20
H2	0,090	14,246	2,36	4,48	15,4	130∙10-20
O2	1,429	0,916	—	5,08	12,5	20∙10-20
N2	1,251	1,039	0,29	7,37	15,5	20∙10-20
Воздух	1,293	1,006	—	—	—	—

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.

Применение

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» 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.

Определение

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.

На Земле и во Вселенной

На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) — 0,04 г на тонну, что в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 — чем неона. Есть аргон и в воде, до 0,3 см3 в литре морской и до 0,55 см3 в литре пресной воды. Любопытно, что в воздухе плавательного пузыря рыб аргона находится больше, чем в атмосферном воздухе. Это потому, что в воде аргон растворим лучше, чем азот…

Главное «хранилище» земного аргона — атмосфера. Его в ней (по весу) 1,286%, причем 99,6% атмосферного аргона — самый тяжелый изотоп — аргон-40. Еще больше доля этого изотопа в аргоне земной коры. Между тем у подавляющего большинства легких элементов картина обратная — преобладают легкие изотопы.

В материи Вселенной аргон представлен еще обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звезд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия — элементов, весьма распространенных на Земле.

Интересные факты

• Характеристики идентичны обычному Колоссу.
• На этом корабле постоянно находится Бан Данна (вплоть до игры X³: Воссоединение включительно).
• В первой игре X — По ту сторону границы в процессе прохождения сюжета корабль могли уничтожить ксеноны.
• До патча 2.7 для игры X³: Земной конфликт он был бессмертен. После этого патча бессмертие с него сняли. Он может быть взят на абордаж. Взамен потерянного Аргона-1 генерируется другой с другим капитаном.
• Он играет важную роль в сюжетах игр X²: Угроза и X³: Воссоединение.
• Капитаном в этих играх был Хан Трио. В последующих версиях игр капитан этого судна меняется.
• В ранних играх серии базировался в секторе Стена, хотя по его описанию он уже тогда должен был располагаться в Аргон Прайм. Начиная с игры X²: Угроза, был переведён в Аргон Прайм. Он также следует в сектор Аргон Прайм после победы над ксенонами в X-BTF (X — По ту сторону границы).
• В игре X-Мобилизация все Колоссы (в секторах Туманность Херрона, Стена и Красное сияние) назывались «Аргон-1», что могло создавать путаницу.
• В XBTF щиты этого корабля имели суммарную энергию 425 МДж, так что Аргон-1 превосходил все остальные корабли по защищённости.
• Несколько раз покидал сектор Аргон Прайм: в игре X²: Угроза сначала в Юго-западное облако для сообщения неприятных новостей про отца Джулиана,затем в Омикрон Лиры,где вступил в бой с хааками и их флагманом. В игре X³: Воссоединении только на битву в Крае еретиков.
• Хотя этот корабль почти постоянно присутствует в Аргон Прайм, он может покидать сектор даже вне сюжета.
• В игре X²: Угроза по сюжету нужно было два раза пристыковаться к этому кораблю с помощью автопилота.
• В игре X³: Воссоединении по сюжету тоже нужно пристыковаться к этому кораблю. Вместо автоматической стыковки вам покажут ролик,будучи уже пристыкованным, в котором сын навещает отца уже на пристыкованном Аргоне-1.
• С него стартует Звено «Гамма».
• Вот как описывает Сайя Хо этот корабль, когда Джулиан Гардна-Бреннан медленно возвращается на её Никконофуне после миссии по сканированию заводов с нивидиумом: «Аргон-1? Большой корабль? С кучей пушек? В «Аргон Прайм»? Ты должен это запомнить, и полетели туда».
• В основном сюжете игры X³: Воссоединение изначально имеет в трюме следующее содержимое: шесть по 1 ГДж щиты, четыре ИП-2, пять ИЛ-1, девять ИЛ-2, семь ионных излучателей, пять ПП-1, восемь ПП-2, два ЗЛК-1, три ударно-импульсных генератора, три ФП-1, по двенадцать ФП-2 и ФП-3, семь ракет «Аврора», две ракеты «Тайфун», Боевой программный модуль БПМ-1, Боевой программный модуль БПМ-2, видеоочки, прыжковый двигатель, система жизнеобеспечения, сканер грузов, сканер С-2, сингулярный уплотнитель времени, ускорители.

1. Викторина по X3TC, см. Ответы

Распространённость

Во Вселенной

Содержание аргона в мировой материи 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 4·1014 т. Аргон — самый распространённый инертный газ в земной атмосфере, в 1 м³ воздуха содержится 9,34 л аргона (для сравнения: в том же объёме воздуха содержится 18,2 см³ неона, 5,2 см³ гелия, 1,1 см³ криптона, 0,09 см³ ксенона).

Содержание аргона в литосфере — 4·10−6 % по массе. 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.

Активные газы

Углекислый газ (двуокись углерода) — бесцветен, не ядовит, тяжелее воздуха. При нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С) плотность углекислого газа в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Жидкая углекислота — бесцветная жидкость, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении 1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях образуется 509 л углекислого газа.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека. Так как двуокись углерода в 1,5 раз тяжелее воздуха она может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать удушье. Помещения, где производится сварка с использованием двуокиси углерода, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией.

Основными примесями углекислого газа, отрицательно влияющими на процесс сварки и свойства швов, являются воздух (азот воздуха) и вода. Воздух скапливается над жидкой углекислотой в верхней части баллона, а вода – под углекислотой в нижней части баллона. Повышенное содержание воздуха и водяных паров в углекислоте может при сварке привести к образованию пор в швах, которые чаще всего появляются в начале и конце отбора газа из баллона. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглотителями влаги.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый газ. Для этого используют электрические подогреватели газа, которые устанавливаются перед редуктором.

Углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие. Из легирующих элементов ванны наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно — кремний, марганец, хром, ванадий и др.

Кислород — это бесцветный нетоксичный газ без запаха. Является сильным окислителем. Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Поэтому объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В зависимости от содержания кислорода и примесей технический газообразный кислород изготовляют трех сортов. Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее 99,7 об. %, во втором — не менее 99,5 об. % и в третьем — не менее 99,2 об. %.

В сварочном производстве кислород широко применяют для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке как составную часть защитной газовой смеси. Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток (перехода крупнокапельного переноса в мелкокапельный, см. Сварка плавящимся металлическим электродом в защитных газах (МIG/МАG)) уменьшается. Обычно содержание кислорода в смеси с аргоном не превышает 2-5%. В такой среде дуга горит стабильно. Перенос металла мелкокапельный с минимальным разбрызгиванием.

Азот — бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает горение. В сварочном производстве азот находит ограниченное применение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимодействует с ней, и поэтому может быть использован при сварке меди в качестве защитного газа. По отношению к большинству других металлов азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить. Азот также применяется при плазменной резке и как компонент газовой смеси при сварке аустенитной нержавеющей стали.

Водород — не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Водород редко используют в в качестве защитного газа. Так как смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны, при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной безопасности и специальные правила техники безопасности. При работе с водородом необходимо следить за герметичностью всех соединений, т.к. он образовывает с воздухом взрывчатые смеси в широких пределах.

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.

Сварка аргоном

Аргонно-дуговая сварка

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.

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.

Стеклопакет с аргоном

Принцип действия стеклопакета с аргоном

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 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.

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.

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.