Аргон для чего используется

Аргон – инертный газ с атомной массой 39,9, в обычных условиях – бесцветный, без запаха и вкуса, примерно в 1,38 раза тяжелее воздуха. Аргон считается наиболее доступным и сравнительно дешевым среди инертных газов.

Аргон занимает третье место по содержанию в воздухе (после азота и кислорода), на него приходятся примерно 1,3% массы и 0,9% объема атмосферы Земли.

В промышленности основной способ получения аргона – метод низкотемпературной ректификации воздуха с получением кислорода и азота и попутным извлечением аргона. Также аргон получают в качестве побочного продукта при получении аммиака.

Газообразный аргон хранится и транспортируется в стальных баллонах (по ГОСТ 949-73). Баллон с чистым аргоном окрашен в серый цвет, с надписью «Аргон чистый» зеленого цвета.

Согласно ГОСТ 10157-79 газообразный и жидкий аргон поставляется двух видов: высшего сорта (с объемной долей аргона не менее 99,993%, объемной долей водяных паров не более 0,0009%) и первого сорта (с объемной долей аргона не менее 99,987%, объемной долей водяных паров не более 0,001%).

Аргон не взрывоопасен и не токсичен, однако при высокой концентрации в воздухе может представлять опасность для жизни: при уменьшении объемной доли кислорода ниже 19% появляется кислородная недостаточность, а при значительном снижении содержания кислорода возникают удушье, потеря сознания и даже смерть.

Меры безопасности при обращении с аргоном:

• дистанционный контроль содержания кислорода в воздухе ручными или автоматическими приборами; объем кислорода в воздухе должен составлять не меньше 19%;
• при работе с жидким аргоном, способным вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз, необходимо использовать защитные очки и спецодежду;
• при работе в атмосфере аргона необходимо использовать шланговый противогаз или изолирующий кислородный прибор.

Применение аргона при сварке

Аргон используется в качестве инертного защитного газа при дуговой сварке, в том числе в качестве основы защитной газовой смеси (с кислородом, углекислым газом). Является основной защитной средой при сварке алюминия, титана, редких и активных металлов.

Аргон также применяется при плазменной сварке в качестве плазмообразующего газа, при лазерной сварке в качестве плазмоподавляющего и защитного газа.

В зависимости от требуемых объемов потребления аргона могут использоваться несколько схем его обеспечения. При объеме потребления до 10 000 м 3 /г аргон обычно доставляют в баллонах. При объеме потребления свыше 10 000 м 3 /г аргон целесообразно перевозить в жидком виде в специальных емкостях железнодорожным или автомобильным транспортом. При транспортировке по железной дороге применяются специализированные цистерны 8Г-513 или 15-558. На автомобильном транспорте наиболее часто устанавливаются универсальные газовые емкости типа ЦТК объемом от 0,5 до 10 м 3 . В этих емкостях также могут транспортироваться кислород и азот.

При централизованном снабжении схемы обеспечения сварочных постов аргоном могут быть следующими:

• непосредственно от транспортной емкости через перекачивающий насос и стационарный газификатор в сеть (см. рисунок ниже);
• от транспортной емкости в стационарную емкость с дальнейшей газификацией и подачей в сеть;
• заполнение баллонов от транспортной газификационной установки.

Рисунок. Снабжение аргоном сварочных постов от транспортной емкости

В атмосфере содержится около 0,9% аргона. Аргон, который, как и азот, представляет собой нейтральный бесцветный газ, существует в природе только в составе атмосферного воздуха. Он не пригоден для поддержания жизни, однако незаменим в некоторых технологических процессах благодаря высокому уровню химической инертности и относительной простоте извлечения.

История открытия

Внешний вид простого вещества
Инертный газ без цвета, вкуса и запаха
Свойства атома
Имя, символ, номер
Атомная масса (молярная масса)	39,948 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s 2 3p 6
Радиус атома	71пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	106 пм
Радиус иона	154 пм
Электроотрицательность	4,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0
Энергия ионизации (первый электрон)	1519,6(15,75) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	(при 186 °C) 1,40 г/см 3
Температура плавления	83,8 K
Температура кипения	87,3 K
Теплота испарения	6,52 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	20,79 Дж/(K·моль)
Молярный объём	24,2 см 3 /моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	5,260 A
Температура Дебая	85 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 0,0177 Вт/(м·К)

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 трубках, в результате чего в них образовывались все новые порции бурых окислов азота, которые исследователь периодически растворял в щёлочи. Через некоторое время образование окислов прекращалось, но, после связывания оставшегося кислорода, оставался газовый пузырь, 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 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 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.

Основное применение

Пищевая отрасль

В контролируемой среде аргон может во многих процессах использоваться в качестве замены для азота. Высокая растворимость (в два раза превышающая растворимость азота) и определенные молекулярные характеристики обеспечивают его особые свойства при хранении овощей. При определенных условиях он способен замедлять метаболические реакции и значительно сокращать газообмен.

Производство стекла, цемента и извести

При использовании для заполнения ограждений с двойным глазурованием аргон обеспечивает превосходную тепловую изоляцию.

Металлургия

Аргон используется для предупреждения контакта и последующего взаимодействия между расплавленным металлом и окружающей атмосферой.

Использование аргона позволяет оптимизировать такие производственные процессы как перемешивание расплавленных веществ, продувка поддонов реакторов для предупреждения повторного окисления стали и обработка стали узкого применения в вакуумных дегазаторах, включая обезуглероживание, процессы и процессы открытого сжигания. Однако наибольшую популярность аргон приобрел в процессах обезуглероживания нерафинированной высокохромистой стали, позволяя минимизировать окисление хрома.

Лабораторные исследования и анализы

В чистом виде и в соединениях с другими газами аргон используется для проведения промышленных и медицинских анализов и испытаний в рамках контроля качества.

В частности аргон выполняет функцию газовой плазмы в эмиссионной спектрометрии плазмой (ICP), газовой подушки в спектроскопии в графитной печи (GFAAS) и в газовой хроматографии с использованием различных газоанализаторов.

В соединении с метаном аргон используется в счетчиках Гейгера и детекторах рентгеновского флуоресцентного анализа (XRF), где он выполняет функцию гасящего газа.

Сварка, резка и нанесение покрытия

Аргон используется в качестве защитной среды в процессах дуговой сварки, при поддуве защитного газа и при плазменной резке.

Аргон предупреждает окисление сварных швов и позволяет сократить объем дыма, сбрасываемого в процессе сварки.

Электроника

Сверхчистый аргон служит в качестве для химически активных молекул, а также в качестве инертного газа для защиты полупроводников от посторонних примесей (например, аргон обеспечивает необходимую среду для выращивания кристаллов силикона и германия).

В ионном состоянии аргон используется в процессах металлизации напылением, ионной имплантации, нормализации и травления при производстве полупроводников и высокоэффективном производстве материалов.

Автомобильная и транспортная отрасль

Затаренный герметизированный аргон служит для наполнения подушек безопасности в автомобилях.

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.

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 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.