Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение аргон среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 71 pm — это 0,071 нм, поэтому около 7,04 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Аргон находится в жидком состоянии в диапазоне 4 K — от 84 K до 87 K.
История
Третий по распространённости газ в атмосфере. Полностью инертен.
Открытие аргона началось с загадочного расхождения, которое больше века не давало покоя учёным. В 1785 году Henry Cavendish (1731-1810), эксцентричный британский аристократ и учёный, провёл замечательный эксперимент в своей частной лаборатории в Клэпхэм-Коммон. Используя электрические искры для соединения атмосферного азота с кислородом, он заметил, что крошечный пузырёк газа — примерно 1/120 первоначального объёма — упорно отказывался вступать в реакцию.
Кавендиш записал в своей записной книжке: «Если какая-либо часть флогистонированного воздуха [азота] нашей атмосферы отличается от остального и не может быть превращена в азотную кислоту, можно с уверенностью заключить, что её количество составляет не более 1/120 всего объёма». Это пророческое наблюдение, затерявшееся в трудах Королевского общества, оставалось без внимания более века.
John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh (1842-1919) столкнулся с озадачивающим противоречием в своей кембриджской лаборатории в 1890-х годах. Пытаясь с беспрецедентной точностью проверить атомные массы, он обнаружил, что азот, выделенный из воздуха, неизменно весил 2.310 грамма на литр, тогда как азот, полученный из химических соединений, весил всего 2.297 грамма на литр.
Эта разница в 0.013 грамма — менее 0.6% — была бы списана большинством учёных на экспериментальную ошибку. Но Рэлей, одержимый вниманием к деталям, повторял измерения десятки раз на протяжении трёх лет. Он проверил разные источники: азот из оксида азота, азот из закиси азота, азот из соединений аммония — во всех случаях масса оказывалась меньше. Только атмосферный азот упорно оставался более тяжёлым.
Разочарованный Рэлей опубликовал письмо в журнале Nature 29 сентября 1892 года: «Меня весьма озадачили некоторые недавние результаты относительно плотности азота, и я был бы признателен, если бы кто-нибудь из ваших читателей-химиков смог предложить объяснение этой причины».
Sir William Ramsay (1852-1916), выдающийся шотландский химик из Университетского колледжа Лондона, с большим интересом прочитал письмо Рэлея. Недавно открыв гелий в земных минералах, Рамзай обладал химическими знаниями, дополнявшими физические измерения Рэлея.
В начале 1894 года Рамзай начал параллельные эксперименты, применив другой подход. Вместо удаления кислорода и водяного пара из воздуха он попытался удалить сам азот, оставив всё, что могло остаться. Используя раскалённый магний для поглощения азота (3Mg + N₂ → Mg₃N₂), Рамзай постепенно удалил весь азот из образца воздуха.
После нескольких недель тщательной работы остался устойчивый остаток — приблизительно 1% первоначального объёма. Этот газ отказывался реагировать с любым химическим реагентом, который пробовал Рамзай: натрием, калием, фосфором, а также самыми сильными кислотами и основаниями.
Поняв, что исследуют одно и то же явление, Рэлей и Рамзай начали сотрудничать в апреле 1894 года. Их объединённые знания — точные измерения Рэлея и химический синтез Рамзая — оказались чрезвычайно эффективными.
Работая в параллельных лабораториях и регулярно обмениваясь письмами и телеграммами, они выделили чистые образцы таинственного газа. Рэлей измерил его плотность: газ был в 19.9 раза тяжелее водорода, тогда как для азота этот показатель составлял 14.0. Рамзай определил его спектр: он полностью отличался от спектров всех известных элементов, демонстрируя яркие красные и зелёные линии, которые прежде никто не наблюдал.
Газ оказался полностью химически инертным — он вообще не образовывал соединений, опровергая современные теории химической связи. Рамзай пытался заставить его вступить в реакцию всеми известными способами: электрическими разрядами, при экстремальных температурах, с помощью мощных окислителей и даже газообразного фтора. Ничего не помогало.
13 августа 1894 года на заседании Британской ассоциации в Оксфорде Рэлей и Рамзай совместно объявили о своём открытии. Они предложили название «аргон», происходящее от греческого «argos» — «ленивый» или «неактивный», — имея в виду его полную химическую инертность.
Объявление сразу вызвало споры. Dmitri Mendeleev (1834-1907), создатель периодической таблицы, первоначально отказался признавать существование аргона, утверждая, что ни один элемент не может быть полностью инертным. Открытие бросило вызов фундаментальным представлениям об атомной связи и потребовало расширить периодическую таблицу, чтобы разместить в ней благородные газы.
Скептицизм постепенно исчез, когда другие учёные воспроизвели эксперименты. Попытки Moissan's заставить аргон реагировать с фтором полностью провалились, подтвердив его инертность. Спектроскопический анализ, проведённый William Crookes's, выявил уникальный атомный спектр аргона.
В 1895 году Королевское общество наградило Рэлея и Рамзая престижной медалью Дэви. Рэлей получил Нобелевскую премию по физике 1904 года «за исследования плотности важнейших газов», а Рамзай — Нобелевскую премию по химии 1904 года «за открытие инертных газообразных элементов в воздухе».
Открытие аргона произвело революцию в химии, выявив совершенно новое семейство элементов. Впоследствии Рамзай открыл гелий (1895), неон (1898), криптон (1898) и ксенон (1898), установив существование группы благородных газов.
Эта работа потребовала полностью пересмотреть периодическую таблицу: в неё добавили группу 18 (ранее группу 0), продемонстрировав, что система Менделеева способна вместить совершенно неожиданные элементы. Открытие также подтвердило силу точных измерений: разница в плотности 0.6% привела к фундаментальным открытиям в области строения атома.
Промышленное производство аргона началось в начале XX века с развитием технологии сжижения воздуха. Установки для разделения воздуха, созданные Carl von Linde's (1842-1934) и первоначально предназначенные для производства кислорода, были модифицированы для извлечения аргона как ценного побочного продукта.
Georges Claude (1870-1960) стал пионером промышленного применения аргона, используя его в первых электрических лампах и заложив основу современной промышленности технических газов. К 1930 году такие компании, как L'Air Liquide и Linde, ежегодно производили тысячи тонн аргона для развивающихся отраслей сварки и металлургии.
Применение
Аргон доминирует в сварке в среде инертного газа как наиболее широко используемый защитный газ: на него приходится 70% мирового производства аргона. Его применение включает:
Крупные поставщики промышленных газов, такие как Air Liquide, Linde и Air Products, производят аргон сварочного качества на предприятиях по всему миру, обслуживая таких автопроизводителей, как Ford, Toyota и BMW.
Аргон играет важнейшую роль в производстве стали и обработке металлов:
ArcelorMittal и Nucor Steel ежемесячно потребляют тысячи тонн аргона на своих интегрированных сталелитейных предприятиях.
Электронная промышленность использует аргон сверхвысокой чистоты (99,9999%+) для важнейших процессов:
Intel, TSMC и Samsung используют системы очистки аргона на своих современных предприятиях по производству микросхем, потребляя аргон чистотой 99,9999%.
Тепловые свойства аргона делают его идеальным для энергоэффективного остекления:
Guardian Glass и Pilkington ежегодно заполняют миллионы стеклопакетов аргоном на производственных предприятиях по всей Северной Америке и Европе.
Аргон используется в различных технологиях освещения и плазменных процессах:
Жидкий аргон (-185.8°C) используется в специализированных областях:
Fermilab и CERN используют тысячи литров жидкого аргона в экспериментах по обнаружению нейтрино и компонентах ускорителей частиц.
Откуда он происходит
0,35 мг/кг земной коры · более распространён, чем 46% элементов
Аргон составляет 0,934 % объёма атмосферы Земли (9 340 ppm), что делает его третьим по распространённости газом атмосферы после азота (78,08 %) и кислорода (20,95 %). Это соответствует примерно 6,6 × 10¹⁵ кг аргона во всей атмосфере — практически неисчерпаемому ресурсу для использования человеком.
Концентрация в атмосфере остаётся remarkably стабильной, поскольку аргон химически инертен и не участвует в атмосферной химии. В отличие от кислорода и азота, которые проходят через биологические и геологические циклы, аргон непрерывно накапливается в результате радиоактивного распада.
Атмосферный аргон Земли почти полностью образуется в результате радиоактивного распада калия-40 (⁴⁰K) в земной коре и мантии. Этот процесс, происходящий на протяжении 4,5 миллиарда лет, включает электронный захват:
⁴⁰K + e⁻ → ⁴⁰Ar + νₑ
При периоде полураспада 1,25 миллиарда лет калий-40 образовал, по оценкам, 99,6 % атмосферного аргона-40. Оставшиеся 0,4 % состоят из первичного аргона-36 и аргона-38, захваченных во время формирования Земли.
Аргон, захваченный горными породами, обеспечивает важные возможности для геологического датирования:
Вулканические породы Йеллоустонского плато, датированные методами K-Ar, свидетельствуют о событиях извержений, происходивших в течение 2,1 миллиона лет.
Некоторые скважины природного газа содержат повышенные концентрации аргона, возникшие в результате геологических процессов:
Эти источники обеспечивают локально концентрированный аргон, но экономически уступают разделению атмосферного воздуха.
Космическая распространённость аргона отражает процессы нуклеосинтеза в массивных звёздах:
Концентрации аргона в планетарных атмосферах значительно различаются:
Высокая концентрация аргона на Земле отражает оптимальные условия для удержания атмосферы и непрерывного радиогенного образования.
Изотопные соотношения атмосферного аргона дают представление об эволюции Земли:
Несмотря на химическую инертность, аргон взаимодействует с биологическими системами:
Всё промышленное производство аргона основано на криогенном разделении воздуха, при котором атмосферный аргон концентрируется методом фракционной перегонки. К основным производственным объектам относятся:
Обращение
Основной риск: Аргон нетоксичен, но в замкнутых пространствах представляет серьёзную опасность удушья. Будучи на 38% плотнее воздуха, аргон скапливается в низко расположенных местах, вытесняя кислород без предупреждения. Основные риски включают:
Риски, связанные со сжатым газом:
Безопасное обращение с баллонами:
Защита органов дыхания:
Криогенная защита (жидкое аргон):
Методы обнаружения:
Действия при удушье:
Воздействие криогенной жидкости:
Порядок действий при утечке газа:
Разливы жидкого аргона:
Безопасность на рабочем месте:
Краткие ответы
Аргон (символ Ar) — элемент 18 в периодической таблице, представитель семейства Благородный газ в 3 периоде, 18 группе. Третий по распространённости газ в воздухе и совершенно не заинтересованный в реакции с чем-либо из него. При комнатной температуре это газ.
[Ne] 3s² 3p⁶; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 8. На внешней оболочке находится 8 электронов, что определяет характер химических связей.Аргон плавится при 83.8 K (-189.3 °C) и кипит при 87.3 K (-185.8 °C).
Стандартная атомная масса Аргон составляет 39.948 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Аргон при комнатной температуре — газ; его плотность при 0 °C и давлении 1 атм составляет около 1.784 г/л — он примерно тяжелее воздуха.
Аргон был открыт в 1894 году Rayleigh & Ramsay. Назван в честь греческое argos, «бездействующий» — он отказывается вступать в реакцию.
На долю Аргон приходится около 0.35 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.