Реферат: Аргон инертный газ

Общие сведения оботкрытиях благородных газов

 К благородным газам относятся гелий, неон,аргон, криптон, ксенон и радон. По своим свойствам они не похожи ни на какиедругие элементы и в периодической системе располагаются между типичнымиметаллами и неметаллами.

История открытияинертных газов представляет большой интерес: во-первых, как триумф введённыхЛомоносовым количественных методов химии(открытие аргона), а во-вторых, кактриумф теоретического предвидения (открытие остальных инертных газов), опирающегосяна величайшее обобщение химии – периодический закон Менделеева.

Открытиефизиком Рэлеем и химиком Рамзаем первого благородного газа – аргона – произошлов то время, когда построение периодической системы казалось завершённым и в нейоставалось лишь несколько пустых клеток.

Ещё 1785 годуанглийский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ,необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерноодна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это за газ, Кавендишу выяснитьне удалось.

Об этом опытевспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) натолкнулся нату же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный изсоединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии, Рэлей через журнал«Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместеподумать и поработать над разгадкой ее причин...

Спустя двагода Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно естьпримесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, и крайне инертногохимически. “Воздух при помощи раскалённой меди был лишён своего кислорода изатем нагрет с кусочками магния в трубочке. После того как значительноеколичество азота было поглощено магнием, была определена плотность остатка.Плотность оказалась в 15 раз больше плотности водорода, тогда как плотностьазота только в 14 раз больше её. Эта плотность возрастала ещё по мередальнейшего поглощения азота, пока не достигла 18. Этим было доказано, чтовоздух содержит газ, плотность которого больше плотности азота… Я получил 100см3 этого вещества и нашёл его плотность равной 19,9. Оно оказалосьодноатомным газом.” Когда они выступили с публичным сообщением о своемоткрытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным,чтобы несколько поколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха,проглядели его составную часть, да еще такую заметную — почти процент! Кстати,именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон и получил свое имя,которое в переводе с греческого значит «недеятельный».

Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральноманализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначальноотнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, чтоэта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер иЭ.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «гелиос», что означаетсолнце. В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что этометалл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почтиодновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяетсяпри нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия ватмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяныхскважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы,испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

После этого открытия Рамзай пришёл к выводу, что существуетцелая группа химических элементов, которая располагается в периодическойсистеме между щелочными металлами и галогенами. Пользуясь периодическим законом и методом Менделеева, былоопределено количество неизвестных благородных газов и их свойства, в частностиих атомные массы. Это позволило осуществить и целенаправленные поискиблагородных газов.

Вначале Рамзай и егосотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результатыанализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем—теперь мы этознаем—новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века,эти «микроследы» не улавливались. Затем исследователи обратились к воздуху.

Всего за четыре последующих года было открыто четыре новыхэлемента, при этом  неон, криптон и ксенон были выделены из воздуха.

Воздух,очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижали, а затем начиналимедленно испарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основноймассы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Затем,полученные фракции исследовали. Одним из методов поиска был спектральныйанализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектраопределяли «кто есть кто».

Когда вразрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха,то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаруженыновые линии, из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавалисвету в трубке огненную окраску. В момент, когда Рамзай наблюдал спектр толькочто полученного газа, в лабораторию вошел его двенадцатилетний сын, успевшийстать «болельщиком» отцовых работ. Увидев необычное свечение, он воскликнул:«new one!» Так возникло название газа «неон», по-древнегречески значит «новый».

После того какбыли открыты гелий, неон и аргон, завершающие три первых периода таблицыМенделеева, уже не вызывало сомнений, что четвёртый, пятый и шестой периодытоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это инеудивительно: в 1 м3 воздуха 9, 3 л аргона и всего лишь 0, 08 млксенона. Но к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанинаТраверса, появилась возможность получать значительные количества жидкоговоздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно сТраверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха,получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона.Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон (“скрытый”). Однако послеоткачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубоватосветился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями вобластях от оранжевой до фиолетовой. Характерные спектральные линии — визитнаякарточка элемента. У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новыйинертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»:в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком. В поискахнового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали околоста тонн жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химическогоэлемента они установили, оперируя всего 0,2 см3 этого газа.Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона ватмосфере крайне мало, именно воздух — практически единственный и неисчерпаемыйисточник ксенона. Неисчерпаемый — потому, что почти весь ксенон возвращается ватмосферу.  

Заслугаоткрытия высшего представителя инертных газов принадлежит тому же Рамзаю. Припомощи весьма тонких технических приёмов он доказал, что радиоактивноеистечение из радия – эманация радия – представляет собой газ, подчиняющийсявсем законам обычных газов, химически инертный и обладающий характернымспектром. Его молекулярный вес – около 220 – был Рамзаем измерен по скоростидиффузии. Если предположить, что ядро атома эманации радия – это остаток ядрарадия после выбрасывания из него ядра атома гелия — a-частицы, то заряд его должен быть равен 88-2=86, т.е. новыйэлемент должен действительно быть  инертным газом с атомным весом 226-4=222.

/>Таким образом, после блестящих экспериментов 16 марта 1900 г. в Лондонепроизошла встреча Менделеева и Рамзая, на которой было официально решеновключить в периодическую систему новую группу химических элементов.

 

Аргон

Аргон Ar 18 39,948

 

История открытия Аргона

В 1785 г. английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухекакой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газаприходилась примерно одна сто двадцатая часть объема воздуха. Но что это загаз, Кавендишу выяснить не удалось.

Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лордРэлей) натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чемазот, выделенный из соединений. Не найдя достоверного объяснения аномалии,Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям спредложением вместе подумать и поработать над разгадкой ее причин...

Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздухадействительно есть примесь неизвестного газа, более тяжелого, чем азот, икрайне инертного химически.

Когда они выступили с публичным сообщением о своем открытии, это произвелоошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколькопоколений ученых, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составнуючасть, да еще такую заметную – почти процент!

Кстати, именно в этот день и час, 13 августа 1894 г., аргон и получилсвое имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный». Его предложилпредседательствовавший на собрании доктор Медан.

Между тем нет ничего удивительного в том, что аргон так долго ускользал отученых. Ведь в природе он себя решительно ничем не проявлял! Напрашиваетсяпараллель с ядерной энергией: говоря о трудностях ее выявления, А. Эйнштейнзаметил, что нелегко распознать богача, если он не тратит своих денег...

Скепсис ученых был быстро развеян экспериментальной проверкой иустановлением физических констант аргона. Но не обошлось без моральныхиздержек: расстроенный нападками коллег (главным образом химиков) Рэлей оставилизучение аргона и химию вообще и сосредоточил свои интересы на физическихпроблемах. Большой ученый, он и в физике достиг выдающихся результатов, за чтов 1904 г. был удостоен Нобелевской премии. Тогда в Стокгольме он вновьвстретился с Рамзаем, который в тот же день получал Нобелевскую премию заоткрытие и исследование благородных газов, в том числе и аргона.

Обобщение истории открытия 

Аргон был открыт как инертный газ в атмосфере в 1894 Дж.Рэлеем, которыйобнаружил, что атмосферный азот на 0,5% тяжелее, чем полученный химическим путем.Разница объяснялась присутствием ничтожного количества более тяжелых инертных газов,преимущественно аргона. Этот элемент был первым из инертных газов, обнаруженныхв природе на нашей планете. Содержание аргона в атмосфере составляет 0,93%(об.),причем его несколько больше над поверхностью больших водоемов, чем над сушей, таккак азот и кислород более растворимы в воде. В электротехнической промышленностиежемесячно расходуется несколько тысяч кубических метров аргона для создания инертнойсреды в лампах накаливания: аргоновая среда позволяет снизить скорость испарениявольфрамовой нити и предотвращает ее окисление.

 

Строение Аргона

Аргон это газ с завершенным последним электронным уровнем

Ar 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6  

10 электронов

18 протонов

22 нейтрона

Физические свойства

Общие свойства инертныхгазов

Всеблагородные газы– бесцветные одноатомные газ безцвета и запаха

обладаютболее высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и припрохождении через них тока ярко светятсяНасыщенный характер атомных молекулинертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точкисжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.

Из подгруппы тяжелых инертных газов аргон самыйлегкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при – 185,9°C,затвердевает при – 189,4°C (в условиях нормального давления). В отличие отгелия и неона, он довольно хорошо адсорбируется на поверхностях твердых тел ирастворяется в воде (3,29 см3в 100 г воды при 20°C). Еще лучше растворяется аргон во многихорганических жидкостях. Зато он практически нерастворим в металлах и недиффундирует сквозь них.

Как все инертные газы, аргон диамагнитен. Это значит, что его магнитнаявосприимчивость отрицательна, он оказывает большее противодействие магнитнымсиловым линиям, чем пустота. Это свойство аргона (как и многие другие)объясняется «замкнутостью» электронных оболочек его атомов.

Под действием электрического тока аргон ярко светится, сине-голубое свечениеаргона широко используется в светотехнике.

Теперь о влиянии аргона на живой организм. При вдыхании смеси из 69% Ar, 11%азота и 20% кислорода под давлением 4 атм возникают явления наркоза, которыевыражены гораздо сильнее, чем при вдыхании воздуха под тем же давлением. Наркозмгновенно исчезает после прекращения подачи аргона. Причина – в неполярностимолекул аргона, повышенное же давление усиливает растворимость аргона в нервныхтканях.

Биологи нашли, что аргон благоприятствует росту растений. Даже в атмосферечистого аргона семена риса, кукурузы, огурцов и ржи выкинули ростки. Лук,морковь и салат хорошо прорастают в атмосфере, состоящей из 98% аргона и только2% кислорода.

Химические свойства

Химическая инертность аргона (как и других газов этой группы) иодноатомность его молекул объясняются прежде всего предельной насыщенностьюэлектронных оболочек. Тем не менее разговор о химии аргона сегодня небеспредметен.

Есть основания считать, что исключительно нестойкое соединениеHg – Ar, образующееся в электрическом разряде, – это подлиннохимическое (валентное) соединение. Не исключено, что будут получены валентныесоединения аргона с фтором и кислородом, которые, скорее всего, будут неустойчивыми,Как нестойки и даже взрывоопасны окислы ксенона – газа, более тяжелого и явноболее склонного к химическим реакциям, чем аргон.

Еще в конце прошлого века француз Вийяр, сжимая аргон под водой при 0°C,получил кристаллогидрат состава Аr · 6Н2О, а в 20...30-х годах XX столетия Б.А. Никитиным,Р.А. Франкраном и другими исследователями при повышенных давлениях инизких температурах были получены кристаллические клатратные соединения аргонас H2S, SO2, галогеноводородами, фенолами инекоторыми другими веществами. В 1976 г. появилось сообщение о синтезегидрида аргона, но пока еще трудно сказать, является ли этот гидрид истиннохимическим, валентным соединением.

Вот пока и все успехи химии...

 Аргон на Земле и во Вселенной

На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместевзятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) в 14 раз больше, чемгелия, и в 57 раз больше, 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 ввоздухе плавательного пузыря рыб аргона находят больше, чем в атмосферномвоздухе. 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 – это самый тяжелый изотоп – аргон-40. Ещебольше доля этого изотопа в аргоне земной коры. Между тем у подавляющегобольшинства легких элементов картина обратная – преобладают легкие изотопы.

Причина этой аномалии обнаружена в 1943 г. В земной коре находитсямощный источник аргона-40 – радиоактивный изотоп калия 40К. Этого изотопа на первый взгляд внедрах немного – всего 0,0119% от общего содержания калия. Однако абсолютноеколичество калия-40 велико, поскольку калий – один из самых распространенных нанашей планете элементов. В каждой тонне изверженных пород 3,1 г калия-40.

Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идет одновременно двумя путями.Примерно 88% калия-40 подвергается бета распаду и превращается в кальций-40. Нов 12 случаях из 100 (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот,захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты («К-захват»).Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре иизлучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а массаядра остается практически неизменной. Так калий превращается в аргон.

Период полураспада 40Кдостаточно велик – 1,3 млрд лет. Поэтому процесс образования 40Аr в недрах Земли будет продолжаться ещедолго, очень долго. Поэтому, хотя и чрезвычайно медленно, но неуклонно будетвозрастать содержание аргона в земной коре и атмосфере, куда аргон «выдыхается»литосферой в результате вулканических процессов, выветривания иперекристаллизации горных пород, а также водными источниками.

Правда, за время существования Земли запас радиоактивного калия основательноистощился – он стал в 10 раз меньше (если возраст Земли считать равным4,5 млрд лет.).

Соотношение изотопов 40Аr: 40К и 40Ar:36Аr в горных породах легло воснову аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно,чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболеенадежным для определения возраста изверженных пород и большинства калийныхминералов. За разработку этого метода профессор Э.К. Герлинг в 1963 годуудостоен Ленинской премии.

Итак, весь или почти весь аргон-40 произошел на Земле от калия-40. Поэтомутяжелый изотоп и доминирует в земном аргоне.

Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы.Вопреки первоначальному принципу ее построения – принципу атомных весов – аргонпоставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседнихэлементах, преобладали легкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место вкосмосе), то атомный вес аргона был бы на две-три единицы меньше...

Теперь о легких изотопах.

Откуда берутся 36Аr и 38Аr? Не исключено, что какая-то частьэтих атомов реликтового происхождения, т.е. часть легкого аргона пришла вземную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и ее атмосферы. Нобольшая часть легких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерныхпроцессов.

Вероятно, еще не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые изних давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы-«родители», ноесть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 иаргон-38. Это бета-распад хлора-36, обстрел альфа-частицами (в урановыхминералах) серы-33 и хлора-35:

3617Cl β–→ 3618Ar + 0–1e + ν.

3316S + 42He → 3618Ar + 10n.

3517Cl + 42He → 3818Ar + 10n + 0+1e.

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.

В космическом аргоне главенствуют изотопы 36Аrи 38Аr, аргона-40 во Вселеннойочень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. Втом же убеждают подсчеты распространенности калия. Оказывается, в космосе калияпримерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле ихсоотношение явно в пользу калия – 660 : 1. А раз мало калия, тооткуда же взяться аргону-40?!

Применение

Все шире применяетсядуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно свариватьтонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми. Небудет преувеличением сказать, что электрическая дуга в аргонной атмосферевнесла переворот в технику резки металлов. Процесс намного ускорился, появиласьвозможность резать толстые листы самых тугоплавких металлов. Продуваемый вдольстолба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза ивольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок.Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчеготемпература в зоне резки достигает 4000—6000° С. К тому же эта газовая струявыдувает продукты резки. При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах иэлектродных покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса

 

Как добывают аргон

Земная атмосфера содержит 66 · 1013 т аргона. Этот источникаргона неисчерпаем, тем более что практически весь аргон рано или поздновозвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпеваетникаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьманезначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерныхреакциях новых элементов и изотопов.

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород иазот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации,состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение),верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. Вконечном счете азот отводится сверху, а кислород – из пространства надконденсатором.

Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтомуаргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхнейколонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10...12% аргона,до 0,5% азота, остальное – кислород. В «аргонной» колонне, присоединенной косновному аппарату, получают аргон с примесью 3...10% кислорода и 3...5% азота.Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем илиадсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах ныне получаютаргон до 99,99%-ной чистоты. Аргон извлекают также из отходов аммиачногопроизводства – из азота, оставшегося после того, как большую его часть связаливодородом.

Аргон хранят и транспортируют в баллонах емкостью 40 л, окрашенных всерый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью. Давление в них 150 атм.Более экономична перевозка сжиженного аргона, для чего используют сосуды Дюараи специальные цистерны.

Искусственные радиоизотопы аргона получены при облучениинекоторых стабильных и радиоактивных изотопов (37Cl, 36Аr,40Аr, 40Са) протонами и дейтонами, а также приоблучении нейтронами продуктов, образовавшихся в ядерных реакторах при распадеурана. Изотопы 37Аr и 41Аr используются как радиоактивные индикаторы:первый – в медицине и фармакологии, второй – при исследовании газовых потоков,эффективности спетом вентиляции и в разнообразных научных исследованиях. Но,конечно, не эти применения аргона самые важные.