Аргон: факти та фактики

Як аргон поставив у глухий кут Д.І.Менделєєва та інших іменитих хіміків? Першим аргон відкрив Генрі Кавендіш в 1795: він кілька тижнів пропускав електричний розряд крізь повітря, при цьому кисень реагував з азотом (їх тоді називали «дефлогістон повітря» і «флогістон повітря» відповідно) і давав азотисту кислоту, яку поглинав поташ. Обсяг газу в посудині зменшувався, проте газ не зникав повністю: залишалося щось, що не входить у реакцію. Ніхто на відкриття Кавендіша особливої ​​уваги не звернув. Але ось у 1882 році лорд Релей почав серію нудних дослідів щодо вимірювання щільності газів. І весь час у нього виходило, що співвідношення ваги водню і газу, що вивчається, трохи менше цілого. Фізикам, які ще не підозрювали про існування ізотопів, дуже хотілося, щоб воно було цілочисленним. Бажаючи знайти джерело помилки, Релей вирішив отримати чистий, не атмосферний азот. Для цього він прогнав над розпеченою міддю суміш аміаку з киснем: аміак розкладався, даючи азот та воду. Такий азот виявився на піввідсотка легшим, ніж атмосферний. А 1894 року Вільям Рамзай виявив, що азот поглинається розпеченим магнієм. Він і вирішив виділити виявлену Релеєм важку домішку до азоту. Незабаром у руках Рамзаю виявилося 40 мл газу, який не поглинався магнієм. Вимірювання показали, що його молекулярна вага дорівнює 40. Оскільки всі відомі на той момент гази були двоатомними, виходила атомна вага 20, що виглядало дивно — важче за фтор, легше за натрій. Одноатомний газ був би надто важким і ніяк не вписувався в Періодичну таблицю — такий елемент слід поставити між двома металами — калієм і кальцієм.Тому виникла гіпотеза, що Рамзай виявив триатомний азот, благо 40 приблизно втричі більше, ніж 14. Ось як Менделєєв пише про це в «Додатку до 5-го розділу» шостого видання «Основ хімії»: «Гіпотеза А=40 зовсім не дає місця аргону у періодичній системі. Мені здається простішим припущення, що аргон містить N₃особливо тому, що аргон міститься в азоті. Релей, засмучений неприйняттям його нового газу, більше хімією не займався і Нобелівську премію отримав у 1904 році з фізики за дослідження щільностей газів і відкриття у зв'язку з цим аргону. А Рамзай за відкриття та дослідження елементів нульової групи отримав того ж року премію з хімії.

Чому аргон із вагою 39,9 стоїть у таблиці перед калієм, вага якого 39,1? Аргон має три стійкі ізотопи з вагами 36, 38 і 40. У Всесвіті більше легких ізотопів, а аргону-40 дуже мало. При цьому аргону в планетарних туманностях і в речовині зірок багато, він переважає такі поширені на Землі елементи, як калій, кальцій, фтор і хлор. А ось на нашій планеті й самого аргону небагато, і його легких ізотопів дуже мало — мабуть, вони відлетіли на периферію Сонячної системи. Аргон-40 ми не успадкували з протопланетної хмари; він утворюється тут і зараз – внаслідок радіоактивного перетворення калію-40. Зазвичай у цього ізотопу, що забезпечує основну частину природного фону випромінювань, нейтрон стає протоном з випромінюванням позитрону, і виходить наступний елемент кальцій-40. Але в кожному п'ятому випадку відбувається так званий К-захоплення: електрон з нижньої орбіталі падає в ядро, один з протонів стає нейтроном з нейтрино-випромінюванням, атом же йде на попередню клітину Періодичної системи.Саме через брак легких ізотопів аргону на Землі його вага, виміряна хіміками, виявилася більшою, ніж у наступного за ним калію, представленого всіма ізотопами.

Чи є на Землі радіоактивний аргон? У природі радіоактивного аргону майже немає, оскільки довгоживучий — аргон-39 — має період напіврозпаду 269 років. Однак високоактивний аргон-41 з періодом напіврозпаду 1,85 години безперервно утворюється в атомному реакторі, а при несправності системи вентиляції може потрапити і за його межі. Після запуску термоядерного реактора проблема ускладниться. Згідно з розрахунком Володимира Хрипунова з Курчатівського інституту ("Fusion Engineering and Design"), при масованому нейтронному бомбардуванні - нагадаємо, що саме за рахунок гальмування нейтронів стінками токамака планується знімати тепло, що виділяється при термоядерному синтезі, - почне утворюватися аргон-39. щоб викликати занепокоєння за здоров'я працівників термоядерної станції.

Як аргоном вимірюють час? Калій — один із найпоширеніших елементів на Землі та інших кам'янистих планетах, а період напіврозпаду калію-40 — 1,3 млрд. років. Аргон-40, що постійно утворюється, виявляється ув'язненим у будь-яку гірську породу, і його кількість зростає починаючи з часу її затвердіння. Відповідно за співвідношенням аргону-40 і калію-40 можна дізнатися, коли ця порода (як правило, йдеться про базальт) була вивергнута з надр планети. Вимірювання проводять, бомбардуючи аргон-40 потоком нейтронів: виходить короткоживучий аргон-41, його розпад легко помітити. Аргону вдається міряти час у масштабі від сотень мільйонів до десятків тисяч років, тобто коли вуглецевий метод працює вже неточно. За розробку методу професор Е.К.Герлінг отримав 1963 року Ленінську премію.Зокрема, аргоновим методом за віком навколишніх камінців були датовані перші, знайдені в Олдувейській ущелині в Кенії, останки людини вмілої Homo habilis, її вік виявився 1,7 млн. років (див. «Хімію і життя», 1967 № 6). Серед останніх досягнень — нове датування Деканських трапів («Journal of Asian Earth Sciences»), найбільшого розливу лави, що займає третину Індостану із західного боку. Як виявилося, вік найбільш об'ємних розливів статистично не відрізняється від дати катастрофи, яка занапастила динозаврів. Падіння ж метеорита в районі Юкатану, яке створило кратер Чиксулуб, за новітніми даними сталося на 300 тисяч років раніше за масове вимирання. Взагалі, деканська гіпотеза давно конкурує з чиксулубською.

Які реакції вступає аргон? Не маючи вільних електронів і тому, будучи хімічно інертним, аргон утворює хімічні сполуки неохоче і в екзотичних умовах. Однак він формує так звані клатратні сполуки: атом аргону може виявитися ув'язненим у порожнину, утворену якоюсь молекулою, або в кристалічній решітці іншої речовини. Подібно до ксенону, аргон здатний утворювати з'єднання з білками; в результаті при підвищеному тиску аргон-киснева суміш спричиняє втрату свідомості - аргоновий наркоз.

Чим небезпечний аргон? При роботі з установками, заповненими аргоном, слід дотримуватися запобіжних заходів: аргон - важкий газ, він накопичується у всіляких поглибленнях, наприклад колодязях, витісняючи звідти кисень, тобто може створити атмосферу, непридатну для дихання. Якщо робітник, знепритомнівши, впаде в таке поглиблення, він задихнеться. Матеріалознавці, які працюють з аргоном, кажуть: «Аргон дірочку знайде», а виробники обладнання цю обставину враховують.Розповідають такий випадок. На одному підприємстві ставили новий шведський газостат. Це величезна установка висотою з п'ятиповерховий будинок, в якій можна піддавати деталі нагрівання та високого тиску для усунення внутрішніх порожнин у металі, що утворюються під час виготовлення. Щоб уникнути окислення деталі, газостат заповнюють інертним газом – аргоном. Оскільки копати вниз простіше, ніж будувати вгору, газостат хотіли заглибити, але виробники категорично це заборонили саме тому, що аргон, що випливає з установки, ніде не повинен накопичуватися. А ось на рослини аргон впливає добре: в атмосфері з 98% аргону та 2% кисню насіння цибулі, моркви та салату проростає цілком успішно.

Навіщо заповнюють склопакет аргоном? Для підвищення звукоізоляції та зниження теплопровідності - у аргону вище модуль пружності і нижче теплопровідність, ніж у повітря. Щоправда, з урахуванням правила «аргон дірочку знайде», не зрозуміло, як довго цей газ перебуватиме всередині склопакета.

Як одержують аргон? При поділі повітря на кисень та азот у колонах високого тиску. Летучість аргону більша, ніж у кисню, і менша, ніж у азоту, — його й забирають із верхньої третини колони. Відокремлюють аргон також з відходу виробництва аміаку азоту, що не витратився на реакцію з воднем; він сам собою виявляється збагаченим аргоном.

Як аргон застосовують у техніці? Будучи найпоширенішим інертним газом — таки третій за значимістю компонент атмосфери Землі після азоту і кисню, — аргон дуже затребуваний, насамперед як речовина, не здатна до хімічних реакцій.Заповнивши установку або весь цех аргоном, можна не боятися, що нагріта металева деталь або заготівля окислиться або насититься азотом з наступним виділенням нітридів. її повітря. обробляють титан, тантал, ніобій, берилій, гафній, цирконій, а також уран, торій і плутоній. місце, де горить електрична дуга, витісняє повітря і не дає металу окислюватися оксиди знижують міцність шва, а то й зовсім роблять зварювання матеріалів неможливим Таким способом зварюють леговані сталі та кольорові метали, ріжуть їх товсті листи.

Що таке аргонові кластери? Пучки іонізованих кластерів — новий метод обробки поверхні до атомної гладкості. через інертність газу та його відносну дешевизну Кластери формують, подаючи газ під високим. тиском через вузьке сопло. Проходячи крізь нього, газовий потік різко розширюється і охолоджується; гладкість усієї поверхні.Повторюючи сканування пучком менш енергійних кластерів, гладкість збільшують. Таким методом обробляють напівпровідники, тонкі плівки, поверхня дисків для комп'ютерів та багато іншого. Кластерними пучками можна створювати наноузоры на поверхнях. Вони ж дозволяють, не нагріваючи зразок, проводити пошарове вивчення його складу, поступово забираючись дедалі глибше; цей метод застосовують для аналізу будови органічних речовин.

Як аргон працює у нанотехнологіях? Аргонова плазма або добавка аргону до плазми іншого газу - найважливіший спосіб отримання всіляких наноструктур: сферичних наночастинок, нанолез, наноігл. Суть плазмового методу полягає в тому, що розділена на іони та електрони речовина має здатність активувати хімічні реакції і навіть уможливлює ті, що в нормальних умовах заборонені термодинамічно. Аргон - чудовий активатор: сам у реакцію не втручається, а продукти реакції або конденсуються в рівноосні частки, або осідають на поверхні, даючи нерівновісні структури. Він може служити розріджувачем плазми іншого, реакційного газу — у такий спосіб змінюють параметри процесу. Нарешті, високотемпературну плазму аргону застосовують для розпилення металевої мішені та отримання з неї нанопорошків із частинками заданого розміру. Інші інертні гази – неон, ксенон – дають свої розміри. Застосовують аргон і як охолоджувач: він видує порошок із зони плазми, що знову ж таки дозволяє регулювати розмір часток, оскільки той залежить від часу знаходження матеріалу в зоні плазми.

Кому потрібна піна з аргоном? За допомогою аргону можна робити пористі шаблони з желатину для подальшого заселення клітинами при вирощуванні штучних органів. Перевага аргону тут очевидна – його хімічна інертність.

Що таке аргоновий лазер? У цьому лазері, винайденому в 1964, генератором світла служить трубка, заповнена аргоном. Електроди створюють у ній плазму з великою щільністю іонів аргону, а котушка, обмотана навколо трубки, формує магнітне поле, яке ще більше збільшує щільність плазми. Цей лазер дешевший за твердотільні аналоги, дає потужне — 20—30 ватів — випромінювання в синьо-зеленій частині спектру, причому його колір можна перемикати між 14-ма спектральними лініями. Такі лазери застосовують для накачування інших лазерів, світлових шоу, а також для стимулювання флуоресценції при хімічному аналізі складних органічних речовин. З його допомогою, наприклад, знаходять сліди РНК у кількості пікограм, тобто стільки, скільки є в одній клітині (Electrophoresis, 2015, doi: 10.1002/elps.201500117). Застосовують аргоновий лазер і при лікуванні сліпоти, спричиненої діабетом, вона з'являється через надмірний розвиток кровоносних судин в оці, а лазером їх можна безболісно прорідити.

Як аргоном проводять стерилізацію? Для знищення бактерій використовують холодну аргонову плазму. У такій плазмі є гарячі електрони, а температура іонів дорівнює кімнатній, тобто вона може обпалити, але зберігає здатність активувати реакції. Реакції ці залежать і від способу отримання плазми (від температури її електронів), і від добавок інших газів.Наприклад, опромінення клітин ссавців у фізіологічному розчині чистим або вологим аргоном давало насамперед гідроксил-радикал, який пригнічував розвиток клітин. А ось плазма з аргону з добавками 1% кисню або 1% повітря давала, найімовірніше, атомарний кисень. Реагуючи з хлорид-іоном, він породжував радикали Cl₂ - або ClO-, що вбивчо діють на клітини, причому ніякі ферменти-антиоксиданти на кшталт супероксиддисмутази з ними впоратися не могли. Час життя таких радикалів виявився на рівні півгодини («Biointerphases»). Підсумок зрозумілий: аргоновою плазмою можна проводити холодну дезінфекцію. Так, кишкову паличку на зразку вдається перевести за 10 хвилин (Applied Biochemistry & Biotechnology), а з добавкою 0,5% кисню - вже за 30 секунд (International Journal of Radiation Biology). Взагалі холодна плазма з різних газів очищає поверхню м'яса, птиці, овочів, фруктів від таких мікробів, як кишкова паличка, листерія, сальмонела, золотистий стафілокок, за лічені секунди. І жодної антимікробної «хімії», яка лякає споживача. Однак ця технологія нова, обладнання не стандартизоване, кожен генератор дає свою плазму, і результати дослідів порівнювати важко. Також невідомо, як така обробка вплине на якість їжі при її масовій обробці (Annual Review of Food Science & Technology).

Плазмова щітка в дії (вгорі праворуч) та зруйновані нею бактерії: Lactobacillus acidophilus (4 фото зліва) та Streptococcus mutans (2 фото праворуч). Зі статті Бо Ян та ін.

Як аргон застосовують у медицині? У різний спосіб.Наприклад, плазма може стати в нагоді для тієї ж дезінфекції ран, хоча у випадку з трофічними виразками результати вийшли неоднозначними: начебто кількість бактерій зменшувалася не так швидко, як при застосуванні ліків, проте виразки загоювалися з тією ж швидкістю. Можливо, справа в тому, що плазмою можна обробляти виразки меншого розміру і вони гояться швидше (Journal of Wound Care). Плазмове лікування не викликає таких побічних дій, як лікарські засоби, тому автори рекомендують продовжити дослідження з різними джерелами плазми, тим більше, що стійкості до неї не може розвинутись за визначенням, чого про ліки не скажеш.

За допомогою спеціально вигаданої плазмової щітки вдається знищувати і бактерії, що викликають карієс. Але тут є нюанси. Так, основними шкідниками зубів вважаються Streptococcus mutans та Lactobacillus acidophilus, які утворюють на емалі бактеріальні мати та виділяють багато кислоти. У стрептокока клітини маленькі, і вони руйнуються лише за 13 секунд. Ау лактобактерії - великі, що утворюють товсті шари, і, щоб позбутися їх, потрібні вже хвилини (Journal of Dentistry). Навряд чи така щітка з'явиться у побуті, а ось стоматологу для дезінфекції свіжообробленого дупла знадобиться. До того ж, плазма змінює поверхню речовини зуба, що збільшує міцність її з'єднання з пломбою на 60%. Тут головне не перестаратися: ефект дає обробка протягом 30 секунд, а кілька хвилин, навпаки, погіршують зчеплення («European Journal of Oral Science»). Аргоновою плазмою можна швидко зупинити кров за внутрішньої кровотечі. Вдихання аргону захищає нейрони, які постраждали від ішемічного удару або внаслідок травми (PLoS One).

Як працює аргонова кріохірургія? Кріохірургія - це знищення хворих тканин внаслідок їх швидкого заморожування. Її застосовують за різними показаннями, від зведення бородавок і згладжування шрамів до видалення пухлин. Якщо бородавки заморожують зовні ваткою, змоченою в рідкому азоті, то шрами і пухлини - зсередини, вводячи в них порожню голку - кріозонд, через яку прокачують холодну речовину. Використовують ще й кріоаплікатори – їх на об'єкт, що заморожується, накладають. Установка з рідким азотом - набагато простіше і дешевше, але в ній застосовують товсті діаметром 6 мм зонди. Аргонова ж влаштована набагато складніше, вимагає високої кваліфікації персоналу, зокрема спеціальних знань щодо роботи з високим тиском, але дозволяє дуже точно заморожувати тканину: діаметр голки може бути завбільшки з міліметр, така голка легко проходить крізь шкіру. Заморожування проводять газоподібним аргоном. Газ зберігають під тиском 400 атмосфер, а, проходячи через вузьке сопло і потім різко розширюючись, він внаслідок ефекту Джоуля Томсона охолоджує до -140°С. Якщо термодатчики, встромлені поряд із місцем заморозки, показують, що температура занадто впала і можуть постраждати здорові тканини, в зонд подають гелій, який відігріває замерзлу тканину. Так можна проводити цикли контрольованого заморожування-розморожування, що збільшує ефективність процедури, та й примерз кріозонд простіше вилучати.

Як аргоновий різак використовують хірурги? За допомогою аргонового плазмового різака можна проводити дивовижні за віртуозністю операції - підрізати стенти, вставлені в кишечник, або тонкі протоки травної системи, наприклад ті, що доставляють жовч і секрет підшлункової залози. В силу різних причин (пухлина, каміння тощо) протока може перекритися.Для лікування туди вставляють трубочку стент, наприклад, з інтерметаліду NiTi нітінолу. Спочатку її діаметр невеликий, а потрапивши на місце і нагрівшись, виріб, внаслідок ефекту пам'яті форми нітинолу, збільшується у розмірі та розширює просвіт судини. Однак може вийти так, що розмір стенту обраний неправильно або згодом через зміни в організмі стає невідповідним. Крім того, стент може зарости або зрушити з місця і так перекрити канал, що до нього не підберешся з ендоскопом, яким цей стент розміщували. Тоді вводять плазмовий різак потужністю кілька десятків ват і підрізають стент. У багатьох випадках ця операція проходить цілком успішно, ніяких пошкоджень судин і кровотечі не викликає (а якщо й викличе, тою ж плазмою можна зупинити кров), але для самопочуття пацієнта вона набагато краща, ніж вилучення старого стенту та встановлення нового (Endoscopy) . Це важливо, оскільки вік пацієнта може бути похилим.

Стент із нітінолу легко розширює просвіт судини

Аргон

Аргон - хімічний елемент, що знаходиться під номером 18 у періодичній таблиці Менделєєва. Як речовина, аргон є одноатомним інертним газом без запаху, смаку і кольору. Займає 3-тє місце за поширеністю Землі. Його випереджають кисень та азот.

Історія відкриття

Вчені не підозрювали існування аргону до 1785 року. З того моменту розпочалися численні експерименти. Хіміки та фізики з Англії піддавали порцію повітря впливу електричного струму та луги. Це було необхідно для того, щоб розділити повітря на молекули речовин, з яких воно складається. Наприкінці експериментів завжди залишався невідомий газ, який у півтора рази важчий за азот.

Аргон офіційно був представлений 7 серпня 1894 року на Британських зборах фізиків, хіміків та дослідників природи в Оксфорді. Про його відкриття було зроблено доповідь англійськими вченими Джоном Релеєм та Вільямом Рамзаєм. Саме вони проводили більшість досліджень повітря і зрештою виявили аргон.

«Аргон» з давньогрецької перекладається як «неактивний, повільний, лінивий». Назва повністю відбиває суть елемента, оскільки він хімічно неактивний.

Хімічні та фізичні властивості

Аргон недіяльний. Практично не входить у реакцію коїться з іншими речовинами. Кипить за нормальної температури -185 °C. При температурі -189 C утворює кристали. Має 3 стабільні ізотопи 36 Ar (0,337 %), 38 Ar (0,063 %), 40 Ar (99,600 %).

Де знаходиться

На Землі аргону найбільше міститься у повітрі. Також речовина знаходиться у Світовому океані, в солоній та прісній воді, та у земній корі.

У Всесвіті цей інертний газ поширений мало. Спільно з неоном аргон присутній у деяких планетарних туманностях та на зірках.

У яких областях застосовується

Аргон використовується для створення лазерів та плазмоутворювача. Широке застосування для інертного газу знайшли в контактному, лазерному та дуговому зварюванні. При цьому є 3 сорти аргону. Вони різняться між собою за наявності сторонніх домішок і використовуються для різних металів. Перший сорт чистий на 99,99%, другий – на 99,99%, а третій – на 99,95%.

Інертний газ знайшов своє місце у технічної промисловості, а й у харчової. Так, харчова добавка Е938 це і є аргон.

Аргон не впливає на організм людини, якщо він знаходиться у повітрі у нормальних кількостях. Всесвітнє антидопінгове агентство (ВАДА) визнало аргон допінгом у 2014 році.При барометричному тиску від 0,2 МПа та вище даний інертний газ може тимчасово посилити психологічну чи фізичну діяльність людини. Тільки при дуже високій концентрації аргон може спровокувати нудоту, біль голови, блювоту і навіть удушення від нестачі кисню.