аргон почему так назвали
Аргон
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.
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.
Получение Аргона
Аргон — наиболее распространенный в воздухе инертный газ. В 1 м 3 содержится примерно 0,09 см 3 ксенона, 1,1 см 3 криптона, 5,2 см 3 гелия, 18,2 см 3 неона, 9000 см 3 аргона.
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 Аргона
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.
Глоссарий. Химия
Арго́н — элемент главной подгруппы восьмой группы, третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 18. Обозначается символом Ar (лат. Argon). Третий по распространённости элемент в земной атмосфере (после азота и кислорода) — 0,93 % по объёму. Простое вещество аргон (CAS-номер: 7440–37–1) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
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 все новые порции бурых окислов азота, которые исследователь периодически растворял в щёлочи. Через некоторое время образование окислов прекратилось, но после связывания оставшегося кислорода остался пузырек 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 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. 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 подчеркивало важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность.
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 органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде.
Химические свойства
Пока известны только 2 химических соединения аргона — гидрофторид аргона и CU(Ar)O, которые существуют при очень низких температурах. Кроме того, аргон образует эксимерные молекулы, то есть молекулы, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. 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. Соединение CU(Ar)O получено из соединения урана с углеродом и кислородом CUO. Вероятно существование соединений со связями Ar-Si и Ar-C: FArSiF3 и FArCCH.
Открытие аргона
Благородный газ аргон был открыт благодаря небольшим расхождениям в результатах двух измерений.
В 1892 году британский ученый Джон Стретт, более известный нам как лорд Рэлей (см. Критерий Рэлея), занимался одной из тех однообразных и не слишком увлекательных работ, без которых тем не менее не может существовать экспериментальная наука. Он исследовал оптические и химические свойства атмосферы, поставив перед собой цель измерить массу литра азота с точностью, которой до него никому не удавалось достичь.
Однако результаты этих измерений казались парадоксальными. Масса литра азота, полученного методом удаления из воздуха всех других известных тогда веществ (таких, как кислород), и масса литра азота, полученного посредством химической реакции (пропусканием аммиака над нагретой до красного каления медью) оказывались разными. Получалось, что азот из воздуха на 0,5% тяжелее азота, полученного химическим путем. Это расхождение не давало Рэлею покоя. Убедившись, что никаких ошибок в эксперименте допущено не было, Рэлей опубликовал в журнале Nature письмо, в котором спрашивал, не может ли кто-нибудь объяснить причину этих расхождений.
Сэр Уильям Рамзай (Рэмзи) (Sir William Ramsay, 1852–1916), работавший в то время в Университетском колледже в Лондоне, ответил Рэлею на это письмо. Рамзай предположил, что в атмосфере может присутствовать не открытый еще газ, и для выделения этого газа предложил использовать новейшее оборудование. В проведенном эксперименте обогащенный кислородом воздух, смешанный с водой, подвергался воздействию электрического разряда, что вызывало соединение атмосферного азота с кислородом и растворение образующихся окислов азота в воде. К концу эксперимента, после того как весь азот и кислород из воздуха уже были исчерпаны, в сосуде все еще оставался маленький пузырек газа. Когда через этот газ пропустили электрическую искру и подвергли его спектроскопии, ученые увидели неизвестные ранее спектральные линии (см. Спектроскопия). Это означало, что был открыт новый элемент. Рэлей и Рамзай опубликовали свои результаты в 1894 году, назвав новый газ аргоном, от греческого «ленивый», «безразличный». А в 1904 году оба они за эту работу получили Нобелевскую премию. Однако она не была разделена между учеными, как это принято в наше время, а каждый получил премию в своей области — Рэлей по физике, а Рамзай — по химии.
Имел место даже своего рода конфликт. В то время многие ученые полагали, что «владеют» отдельными областями исследований, и не было до конца ясно, давал ли Рэлей Рамзаю разрешение работать над этой проблемой. К счастью, оба ученых оказались достаточно мудры, чтобы осознать преимущества совместной работы, и, сообща опубликовав ее результаты, они исключили возможность неприятной борьбы за первенство.
Аргон – самый ленивый газ
Содержание
На данный момент известны изотопы аргона с массовыми числами от 29 до 54, но в в земной атмосфере он представлен тремя стабильными изотопами:
История открытия aргона
Аргон был открыт Джоном Уильямом Стреттом (John Strutt) и Сэром Уильямом Рамзаем (Sir William Ramsay) при исследовании азота, полученного из воздуха химическим путем. Несовпадение плотности этого газа при различных способах получения натолкнуло этих ученых на идею о присутствии в воздухе какого-то тяжелого инертного газа, который и был выделен ими в 1894 г. и назван argon, что с греческого переводится как «ленивый», «медлительный», «неактивный».
Способы получения аргона
Аргон получают как побочный продукт, при производстве кислорода и азота из воздуха методом низкотемпературной ректификации (см. получение аргона)
Применение аргона
Наиболее часто аргон применяют:
Применение аргона в сварке
Аргон применяют в качестве защитной среды при сварке активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе, алюминиевых и магниевых сплавов, а также хромоникелевых коррозионностойких жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок.
Аргон, являясь более тяжелым, чем воздух, своей струей лучше защищает металл при сварке в нижнем положении. Растекаясь по поверхности свариваемого изделия, он защищает достаточно длительно довольно широкую и протяженную зону как расплавленного, так и нагретого при сварке металла.
Применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что дает возможность выполнять однопроходную сварку в щелевую разделку металла больших толщин. При сварке в среде аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки.
При TIG сварке аргон служит защитой не только для сварочной ванны от вредного воздействия воздуха, а также инертной защитой конца электрода.
Для дуговой сварки в целом аргон применяется гораздо чаще, чем гелий, однако при сварке листового алюминия толщиной менее 6 мм аргон рекомендуют смешивать с гелием, чтобы обеспечить нужную теплопроводность. В некоторых случаях аргонно-гелиевые смеси используют для зажигания дуги, после чего сварка происходит в присутствии гелия. Этот метод применяется для сварки толстолистового алюминия вольфрамовым электродом при постоянном токе.
Вредность и опасность аргона
Аргон не оказывает опасного воздействия на окружающую среду, но относится к асфиксантам (удушающий газ). Поскольку газообразный аргон тяжелее воздуха он может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что вызывает кислородную недостаточность и удушье. Поэтому можно сделать вывод, что в больших количествах аргон вреден для организма человека.
Жидкий аргон – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз человека.
Хранение и транспортировка аргона
Газообразный и жидкий аргон поставляется по ГОСТ 10157. Хранят и транспортируют газообразный аргон в баллонах по ГОСТ 949 под давлением 15МПа.
Стальные баллоны должны соответствовать ГОСТ 949. Баллон окрашивается в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью «АРГОН ЧИСТЫЙ».
Возможна транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией.
Характеристики аргона
Характеристики Ar представлены в таблицах ниже:
Аргон: факты и фактики
Как аргон поставил в тупик Д. И. Менделеева и других именитых химиков? Первым аргон открыл Генри Кавендиш в 1795 году: он несколько недель пропускал электрический разряд сквозь воздух, при этом кислород реагировал с азотом (их тогда называли «дефлогистонный воздух» и «флогистонный воздух» соответственно) и давал азотистую кислоту, которую поглощал поташ. Объем газа в сосуде уменьшался, однако газ не исчезал полностью: оставалось что-то, не вступающее в реакцию. Никто на открытие Кавендиша особого внимания не обратил. Но вот в 1882 году лорд Рэлей начал серию нудных опытов по измерению плотности газов. И все время у него получалось, что соотношение веса водорода и изучаемого газа немного меньше целочисленного. Физикам же, еще не подозревавшим о существовании изотопов, очень хотелось, чтобы оно было целочисленным. Желая найти источник ошибки, Рэлей решил получить чистый, не атмосферный, азот. Для этого он прогнал над раскаленной медью смесь аммиака с кислородом: аммиак разлагался, давая азот и воду. Такой азот оказался на полпроцента легче, нежели атмосферный. А в 1894 году Уильям Рамзай обнаружил, что азот поглощается раскаленным магнием. Он-то и решил выделить обнаруженную Рэлеем тяжелую примесь к азоту. Вскоре в руках Рамзая оказалось 40 мл газа, который не поглощался магнием. Измерения показали, что его молекулярный вес равен 40. Поскольку все известные на тот момент газы были двухатомными, получался атомный вес 20, что выглядело странно — тяжелее фтора, легче натрия. Одноатомный же газ был бы слишком тяжелым и никак не вписывался в Периодическую таблицу — такой элемент следовало поставить между двумя металлами — калием и кальцием. Поэтому возникла гипотеза, что Рамзай обнаружил трехатомный азот, благо 40 примерно в три раза больше, чем 14. Вот как Менделеев пишет об этом в «Дополнении к 5-й главе» шестого издания «Основ химии»: «Гипотеза А=40 вовсе не дает места аргону в периодической системе. Мне кажется более простым предположение, что аргон содержит N3, особенно потому, что аргон содержится в азоте. » Рэлей, огорченный неприятием его нового газа, больше химией не занимался и Нобелевскую премию получил в 1904 году по физике за исследование плотностей газов и открытие в связи с этим аргона. А Рамзай за открытие и исследование элементов нулевой группы получил в том же году премию по химии.
Почему аргон с весом 39,9 стоит в таблице перед калием, вес которого 39,1? У аргона есть три устойчивых изотопа с весами 36, 38 и 40. Во Вселенной больше легких изотопов, а аргона-40 очень мало. При этом аргона в планетарных туманностях и в веществе звезд много, он преобладает над такими распространенными на Земле элементами, как калий, кальций, фтор и хлор. А вот на нашей планете и самого-то аргона немного, и его легких изотопов ничтожно мало — видимо, они улетели на периферию Солнечной системы. Аргон-40 мы не унаследовали из протопланетного облака; он образуется здесь и сейчас — в результате радиоактивного превращения калия-40. Обычно у этого изотопа, обеспечивающего основную часть природного фона излучений, нейтрон становится протоном с испусканием позитрона, и получается следующий элемент — кальций-40. Но в каждом пятом случае происходит так называемый К-захват: электрон с нижней орбитали падает в ядро, один из протонов становится нейтроном с испусканием нейтрино, атом же уходит на предыдущую клетку Периодической системы. Именно из-за недостатка легких изотопов аргона на Земле его вес, измеренный химиками, оказался больше, чем у следующего за ним калия, представленного всеми изотопами.
Есть ли на Земле радиоактивный аргон? В природе радиоактивного аргона почти нет, поскольку самый долгоживущий — аргон-39 — имеет период полураспада 269 лет. Однако высокоактивный аргон-41 с периодом полураспада 1,85 часа непрерывно образуется в атомном реакторе, а при неисправностях в системе вентиляции может попасть и за его пределы. После запуска термоядерного реактора проблема усложнится. Согласно расчету Владимира Хрипунова из Курчатовского института (Fusion Engineering and Design, 2015, DOI:10.1016/j.fusengdes.2015.02.058), при массированной нейтронной бомбардировке — напомним, что именно за счет торможения нейтронов стенками токамака планируется снимать тепло, выделяющееся при термоядерном синтезе, — начнет образовываться аргон-39 в достаточном количестве, чтобы вызвать беспокойство за здоровье работников термоядерной станции.
Как аргоном измеряют время? Калий — один из самых распространенных элементов на Земле и других каменистых планетах, а период полураспад калия-40 — 1,3 млрд лет. Постоянно образующийся аргон-40 оказывается заключенным в любую горную породу, и его количество растет начиная со времени ее затвердевания. Соответственно по соотношению аргона-40 и калия-40 можно узнать, когда эта порода (как правило, речь идет о базальте) была извержена из недр планеты. Измерения проводят, бомбардируя аргон-40 потоком нейтронов: получается короткоживущий аргон-41, его распад легко заметить. Аргоном удается мерить время в масштабе от сотен миллионов до десятков тысяч лет, то есть когда углеродный метод работает уже неточно. За разработку метода профессор Э. К. Герлинг получил в 1963 году Ленинскую премию. В частности, аргоновым методом по возрасту окружающих камешков были датированы первые, найденные в Олдувейском ущелье в Кении, останки человека умелого Homo habilis, его возраст оказался 1,7 млн лет (см. «Химию и жизнь», 1967, №6). В числе последних достижений — новая датировка Деканских траппов (Journal of Asian Earth Sciences, 2014, 84, 9–23, DOI:10.1016/j.jseaes.2013.08.021), крупнейшего разлива лавы, занимающего треть Индостана с западной его стороны. Как оказалось, возраст наиболее объемных разливов статистически неотличим от даты катастрофы, погубившей динозавров. Падение же метеорита в районе Юкатана, создавшее кратер Чиксулуб, по новейшим данным произошло на 300 тысяч лет раньше массового вымирания. Вообще, деканская гипотеза давно конкурирует с чиксулубской.
В какие реакции вступает аргон? Не имея свободных электронов и потому будучи химически инертным, аргон образует химические соединения неохотно и в весьма экзотических условиях. Однако он формирует так называемые клатратные соединения: атом аргона может оказаться заключенным в полость, образованную какой-то молекулой, либо в кристаллической решетке другого вещества. Подобно ксенону, аргон способен образовывать и соединения с белками; в результате при повышенном давлении аргон-кислородная смесь вызывает потерю сознания — аргоновый наркоз.
Чем опасен аргон? При работе с установками, заполненными аргоном, следует соблюдать меры предосторожности: аргон — тяжелый газ, он скапливается во всевозможных углублениях, например колодцах, вытесняя оттуда кислород, то есть может создать атмосферу, непригодную для дыхания. Если рабочий, потеряв сознание, упадет в такое углубление, он задохнется. Материаловеды, работающие с аргоном, говорят: «Аргон дырочку найдет», а изготовители оборудования это обстоятельство учитывают. Рассказывают такой случай. На одном предприятии ставили новый шведский газостат. Это огромная установка высотой с пятиэтажный дом, в которой можно подвергать детали нагреву и высокому давлению для устранения внутренних полостей в металле, образующихся при изготовлении. Чтобы избежать окисления детали, газостат заполняют инертным газом — аргоном. Поскольку копать вниз проще, чем строить вверх, газостат хотели заглубить, но изготовители категорически это запретили именно потому, что вытекающий из установки аргон нигде не должен скапливаться. А вот на растения аргон влияет хорошо: в атмосфере из 98% аргона и 2% кислорода семена лука, моркови и салата прорастают вполне успешно.
Зачем заполняют аргоном стеклопакет? Для повышения звукоизоляции и снижения теплопроводности — у аргона выше модуль упругости и ниже теплопроводность, чем у воздуха. Правда, с учетом правила «аргон дырочку найдет», не ясно, как долго этот газ будет находиться внутри стеклопакета.
Как получают аргон? При разделении воздуха на кислород и азот в колоннах высокого давления. Летучесть аргона больше, чем у кислорода, и меньше, чем у азота, — его и забирают из верхней трети колонны. Отделяют аргон также из отхода производства аммиака — того азота, что не израсходовался на реакцию с водородом; он сам собой оказывается обогащенным аргоном.
Как аргон применяют в технике? Будучи самым распространенным инертным газом — все-таки третий по значимости компонент атмосферы Земли после азота и кислорода, — аргон очень востребован, прежде всего в качестве вещества, не способного к химическим реакциям. Заполнив установку или весь цех аргоном, можно не бояться, что нагретая металлическая деталь или заготовка окислится либо насытится азотом с последующим выделением нитридов. Склонны к окислению, например, молибден и вольфрам: многие могли наблюдать мгновенное превращение спирали лампы накаливания в синеватый порошок при попадании в нее воздуха. В среде аргона обрабатывают титан, тантал, ниобий, бериллий, гафний, цирконий, а также уран, торий и плутоний. Продувая аргон через сталь в конвертере, из нее удаляют газовые включения. Революцию в технике совершил метод аргонно-дуговой сварки: поток аргона, подаваемый в то место, где горит электрическая дуга, вытесняет воздух и не дает металлу окисляться — оксиды снижают прочность шва, а то и вовсе делают сварку материалов невозможной. Таким методом сваривают легированные стали и цветные металлы, режут их толстые листы. Еще одно серьезное направление — распыление всевозможных материалов для получения чистого от оксидов порошка.
Что такое аргоновые кластеры? Пучки ионизированных кластеров — новый метод обработки поверхности до атомной гладкости. Его суть — бомбардировка не отдельными ионами (это называется «ионное травление»), а гораздо более тяжелыми частицами, состоящими из десятков, а то и тысяч атомов. Пучки аргоновых кластеров получили широкое распространение из-за инертности газа и его относительной дешевизны. Кластеры формируют, подавая газ под высоким давлением через узкое сопло. Проходя сквозь него, газовый поток резко расширяется и охлаждается; атомы аргона слипаются в твердое вещество, где их удерживают силы Ван-дер-Ваальса. Когда поверхность бомбардируют кластерами с высокой энергией, образуются кратеры размером в нанометры; такой будет и гладкость всей поверхности. Повторяя сканирование пучком менее энергичных кластеров, гладкость увеличивают. Таким методом обрабатывают полупроводники, тонкие пленки, поверхность дисков для компьютеров и многое другое. Кластерными пучками можно и создавать наноузоры на поверхностях. Они же позволяют, не нагревая образец, проводить послойное изучение его состава, постепенно забираясь все глубже и глубже; этот метод применяют для анализа строения органических веществ.
Как аргон работает в нанотехнологиях? Аргоновая плазма либо добавка аргона к плазме другого газа — важнейший метод получения всяческих наноструктур: сферических наночастиц, нанолезвий, наноигл. Суть плазменного метода состоит в том, что разделенное на ионы и электроны вещество обладает способностью активировать химические реакции и даже делает возможными те, что в нормальных условиях запрещены термодинамически. Аргон — прекрасный активатор: сам в реакцию не вмешивается, а продукты реакции либо конденсируются в равноосные частицы, либо оседают на поверхности, давая неравноосные структуры. Он же может служить разбавителем плазмы другого, реакционного газа — таким способом меняют параметры процесса. Наконец, высокотемпературную плазму аргона применяют для распыления металлической мишени и получения из нее нанопорошков с частицами заданного размера. Другие инертные газы — неон, ксенон — дают свои размеры. Применяют аргон и как охладитель: он выдувает порошок из зоны плазмы, что опять же позволяет регулировать размер частиц, поскольку тот зависит от времени нахождения материала в зоне плазмы.
Кому нужна пена с аргоном? С помощью аргона можно делать пористые шаблоны из желатина для последующего их заселения клетками при выращивании искусственных органов. Преимущество аргона здесь очевидно — его химическая инертность.
Что такое аргоновый лазер? В этом лазере, изобретенном в 1964 году, генератором света служит трубка, заполненная аргоном. Электроды создают в ней плазму с большой плотностью ионов аргона, а катушка, обмотанная вокруг трубки, формирует магнитное поле, еще больше увеличивающее плотность плазмы. Этот лазер дешевле твердотельных аналогов, дает мощное — 20–30 ватт — излучение в сине-зеленой части спектра, причем его цвет можно переключать между 14-ю спектральными линиями. Такие лазеры применяют для накачки других лазеров, для световых шоу, а также для стимулирования флуоресценции при химическом анализе сложных органических веществ. С его помощью, например, находят следы РНК в количестве пикограмм, то есть столько, сколько есть в одной клетке (Electrophoresis, 2015, DOI:10.1002/elps.201500117). Применяют аргоновый лазер и при лечении слепоты, вызванной диабетом, — она появляется из-за чрезмерного развития кровеносных сосудов в глазу, а лазером их можно безболезненно проредить.
Плазменная щетка в действии и разрушенные ею бактерии (на фото внизу). Из статьи Бо Ян и др. Oral Bacterial Deactivation Using a Low-Temperature Atmospheric Argon Plasma Brush, Journal of Dentistry, 2011, 39, 1.
Как аргон применяют в медицине? Разными способами. Например, плазма может пригодиться для той же дезинфекции ран, хотя в случае с трофическими язвами результаты вышли неоднозначными: вроде бы число бактерий уменьшалось не так быстро, как при применении лекарства, однако язвы заживали с той же скоростью. Возможно, дело в том, что плазмой можно обрабатывать язвы меньшего размера и они заживают быстрее (Journal of Wound Care, 201, 24, 5; DOI:10.12968/jowc.2015.24.5.196). Плазменное лечение не вызывает таких побочных действий, как лекарственные средства, поэтому авторы рекомендуют продолжить исследования с разными источниками плазмы, тем более что устойчивости к ней не может развиться по определению, чего о лекарствах не скажешь.
С помощью специально придуманной плазменной щетки удается уничтожать и бактерии, вызывающие кариес. Но здесь есть нюансы. Так, основными вредителями зубов считаются Streptococcus mutans и Lactobacillus acidophilus, которые образуют на эмали бактериальные маты и выделяют много кислоты. У стрептококка клетки маленькие, и они разрушаются всего за 13 секунд. А у лактобактерии — большие, образующие толстые слои, и, чтобы избавиться от них, нужны уже минуты (Journal of Dentistry, 2011, 39, 1; DOI:10.1016/j.jdent.2010.10.002). Вряд ли такая щетка появится в быту, а вот стоматологу для дезинфекции свежеобработанного дупла пригодится. К тому же плазма изменяет поверхность вещества зуба, что увеличивает прочность ее соединения с пломбой на 60%. Тут главное — не перестараться: эффект дает обработка в течение 30 секунд, а несколько минут, наоборот, ухудшают сцепление (European Journal of Oral Science. 2010, 118, 5; DOI:10.1111/j.1600-0722.2010.00761). Аргоновой плазмой можно быстро остановить кровь при внутреннем кровотечении. Вдыхание аргона защищает нейроны, пострадавшие от ишемического удара или вследствие травмы (PLoS One, 2014, 9, 12:e115984, DOI:10.1371/journal.pone.0115984).
Как работает аргоновая криохирургия? Криохирургия — это уничтожение больных тканей в результате их быстрого замораживания. Ее применяют по самым разным показаниям, от сведения бородавок и сглаживания шрамов до удаления опухолей. Если бородавки замораживают снаружи ваткой, смоченной в жидком азоте, то шрамы и опухоли — изнутри, вводя в них полую иглу — криозонд, через которую прокачивают холодное вещество. Используют еще и криоаппликаторы — их на замораживаемый объект накладывают. Установка с жидким азотом — гораздо проще и дешевле, но в ней применяют толстые, диаметром 6 мм, зонды. Аргоновая же устроена гораздо сложнее, требует высокой квалификации персонала, в частности специальных знаний по работе с высоким давлением, но позволяет очень точно замораживать ткань: диаметр иглы может быть величиной с миллиметр, такая игла легко проходит сквозь кожу. Заморозку проводят газообразным аргоном. Газ хранят под давлением 400 атмосфер, а, проходя через узкое сопло и затем резко расширяясь, он вследствие эффекта Джоуля—Томсона охлаждает до –140°С. Если термодатчики, воткнутые рядом с местом заморозки, показывают, что температура слишком упала и могут пострадать здоровые ткани, в зонд подают гелий, который отогревает замерзшую ткань. Так можно проводить циклы контролируемого замораживания-размораживания, что увеличивает эффективность процедуры, да и примерзший криозонд проще извлекать.
Как аргоновый резак используют хирурги? С помощью аргонового плазменного резака можно проводить удивительные по виртуозности операции — подрезать стенты, вставленные в кишечник, или тонкие протоки пищеварительной системы, например те, что доставляют желчь и секрет поджелудочной железы. В силу разных причин (опухоль, камни и подобное) проток может перекрыться. Для лечения туда вставляют трубочку — стент, например, из интерметаллида NiTi — нитинола. Изначально ее диаметр невелик, а попав на место и нагревшись, изделие, в силу эффекта памяти формы нитинола, увеличивается в размере и расширяет просвет сосуда. Однако может получиться так, что размер стента выбран неверно либо со временем из-за изменений в организме становится неподходящим. Кроме того, стент может зарасти или сдвинуться с места и так перекрыть канал, что к нему не подберешься с тем эндоскопом, которым этот стент размещали. Тогда вводят плазменный резак мощностью в несколько десятков ватт и подрезают стент. Во многих случаях эта операция проходит вполне успешно, никаких повреждений сосудов и кровотечения не вызывает (а если и вызовет, той же плазмой можно остановить кровь), но для самочувствия пациента она гораздо лучше, нежели изъятие старого стента и установка нового (Endoscopy, 2005, 37, 5,434–438). Это важно, поскольку возраст пациента может быть преклонным.