Давление аргона в сосуде

Аргон (обозначается как Ar) — наиболее часто встречающийся в воздухе инертный газ. Он отличается полной химической инертностью. Это свойство позволяет широко применять газ в таких областях, как сварка, упаковка, производство материалов высокой чистоты, а также для тушения пожаров.

История открытия

Предыстория открытия Ar началась в 1785 году. Выдающийся ученый  и естествоиспытатель из Великобритании Генри Кэвендиш исследовал состав воздуха. Он подвергал азот окислению и взвешивал получившиеся окислы. По окончании опыта в сосуде оставался газ. Кэвендиш определил его объем в 0,8% от начального объема воздуха.

Состав этого газа ученый определить не смог. Спустя столетие к проблеме вернулись сэры Джон Рэлей и Уильям Рэмзи. В ходе проведенных опытов они обнаружили, что азот, выделенный из воздуха, имеет большую плотность, нежели азот, получаемый в ходе реакции разложения нитрита аммония.

в 1884 году им удалось выделить из воздуха некий газ, более плотный, чем азот. Это вещество имело одноатомную молекулярную структуру и было крайне инертным — т.е. не реагировало с другими веществами.

На заседании Королевского Общества новому газу было присвоено название «аргон», что в переводе с древнегреческого значило «спокойный, ленивый»

Аргон в природе

Ввиду практически полной инертности Ar  представлен в естественной среде исключительно в несвязанном виде. Его процентная доля в различных частях Земли равна приблизительно:

• земная кора — 0,00012%;
• морская вода — 0,00045%;
• атмосфера — 0,926%.

Доля Ar в воздухе выше, чем суммарная доля всех остальных инертных газов. Основным источником для его добычи служит наша атмосфера.

В коре Земли аргон содержится также в виде радиоактивного изотопа Аргон-40 и появляется в ходе реакции распада изотопов Калия.

Современная наука вместе с остальными инертными газообразными элементами относит Ar  к VIII группе периодической системы.

Как добывают аргон

Благодаря значительному с промышленной точки зрения содержанию аргона в воздухе его получают в качестве дополнительного продукта криогенной ректификации O2  и N2.

Технология основана на том факте, что температура кипения (или сжижения) Ar  лежит между температурами N2  и O2.

Перед началом процесса воздух подвергается тщательной очистке от пыли в многоступенчатых фильтрах, осушается от водяных паров, а далее мощными компрессорами сжимается до тех пор, пока не перейдет в жидкое состояние. Жидкость перегоняют в ректификационной колонне, чтобы разделить ее на отдельные вещества.

Первым испаряется азот при -195 °С, его пары собираются на соответствующей тарелке ректификатора и отводятся в отдельный резервуар. Следующим по высоте (и при температуре кипения -185 °С) отбирается аргонная фракция, содержащая 12% Ar, менее полпроцента азота и кислород. Она подается в следующую ректификационную колонну, в которой процентная доля Ar доводится до 85, оставшееся приходится на кислород со следами азота. Такое вещество называется сырым аргоном, исходным материалом для получения очищенного газа.

В промышленности применяется несколько методов очистки сырого аргона от примесей.

Водород, добавляемый в состав сырья, окисляется на катализаторе и нагреве до 500 °С, таким образом, из состава смеси выводится кислород. Образовавшийся на катализаторе водяной пары удаляют при посредстве влагоотделителя. Газ после этого осушают. Аргон с оставшимся в нем азотом вновь ректифицируют.

Применяются и альтернативные методы получения Ar. Во время синтеза аммиака из азота и водорода в химических реакторах Ar получают как сопутствующий продукт производства. Технологический компонент это синтеза — продувочный газ — содержит до 20% Ar. Из этого газа и извлекают самый спокойный элемент. Стоимость производства, складывающаяся в основном из затрат на охлаждение и нагрев компонентов, делится между аммиаком и аргоном, и получается существенно ниже.

Качество газа, получаемого любым методом, определяется технологией очистки его от небольших количеств остаточного N2, O2, водяных паров и H2.

Общая характеристика Ar

Ar входит в группу инертных газов. Заряд его ядра — 18, под таким же номером элемент располагается в таблице Менделеева.

Из всех участников  VIIIA группы он является наиболее часто встречающимся в природе. Объемная доля Ar в атмосфере -0,93%, массовая доля составляет 1,28%.Элемент является  газом без цвета, вкуса и запаха. Химически не активен – аргон не вступает в реакцию и практически не соединяется ни с какими элементами или веществами, за исключением CU(Ar)O, и гидрофторида аргона.

Весьма плохо растворим водой, чуть большая растворимость наблюдается при взаимодействии с органическими растворителям.

Виды аргона

Говоря о видах, или сортах Ar, надо понимать, что это одно и то же химическое вещество. Виды различаются по степени очистки от примесей.

• Высший сорт. Содержание Ar не менее 99,99% . Этот сорт особо высокой чистоты применяется для ответственных сварочных работ, таких, как сварка материалов, химически активных в нагретом состоянии: некоторые цветные сплавы, прежде всего титановые, нержавеющая сталь и др. Используется также для сварки высоконагруженных изделий из конструкционной стали.
• Первый сорт. Содержание Ar не менее 99,98%, Применяется при сварке сплавов на основе алюминия с другими металлами и сплавами, для менее активных цветных металлов.
• Второй сорт. Содержание Ar не менее 99,95%. Используется при сваривании деталей из жаростойких стальных сплавов, алюминия и конструкционных сталей. Применение чистого Ar в этих случаях нежелательно, поскольку приводит к повышенной пористости материала шва и не позволяет защитить сварочную ванну от повышенной влажности и других загрязнений. Во избежание возникновения такого дефекта в состав смеси защитных газов добавляют углекислый газ и кислород, связывающие выделяющийся при сварке водород и другие примеси. Образующиеся в ходе этих реакций шлаки всплывают на поверхность сварочной ванны и после застывания удаляются вместе с окалиной.

Физические и химические свойства

Свойства аргона типичны для члена VIII группы.

При обычной  температуре Ar пребывает в газообразном состоянии. Молекула включает в себя единственный атома, химическая формула весьма простая: Ar. Температура кипения весьма низка : -185,8 °С при атмосферном уровне давления.

Растворимость в воде низкая — всего 3,29 мл на 100 мл жидкости

Плотность аргона при нормальных условиях составляет 1,78 кг/м3. Молярная теплоемкость газа- 20,7 Дж/Кмоль.

Газ практически полностью инертен. На сегодняшний день ученым удалось получить лишь два его соединения — CU(Ar)O, и гидрофторид аргона. Соединения существуют лишь при сверхнизких температурах. Предполагается, что Ar может входить в состав неустойчивых в нормальном состоянии молекул эксимерного типа. Такие молекулы могут существовать лишь в возбужденном состоянии, например, в ходе электроразряда высокой интенсивности. Такие соединения возможны с ртутью, кислородом и фтором.

Электроотрицательность по шкале Полинга равна 4,3.

Как степень окисления, так и электродный потенциал имеют нулевое значение, что характерно для инертного газа.

Ионный радиус составляет 154, радиус ковалентности — 106 Пм. Ионизационный порог- 1519 кдж/моль

Атомная и молекулярная масса

Такие важные параметры, как атомная и молекулярная массы, показывают, насколько масса молекулы вещества и масса его атома соответственно превышают значение, равное одной двенадцатой доле массы атома водорода.

Ввиду того, что молекула Ar состоит из единственного атома,  молекулярная и атомная масса аргона идентичны и составляют 39,984.

Изотопы

В природных условиях Ar встречается в качестве трех устойчивых изотопов

• 36Ar– процентная доля этого изотопа составляет 0,337% в ядре 18 протонов и 18 нейтронов;
• 38Ar- его доля всего 0,063%, в ядре 18 протонов и 20 нейтронов;
• 40Ar – наиболее распространен, его доля составляет 99,6%, в ядре так же 18 протонов, но уже 22 нейтрона.

Искусственным путем удавалось получать изотопы с массовым индексом от 32 до 55, наиболее стабильным из них оказался 39Ar, период полураспада которого составляет 268 лет.

Большая процентная доля 40Ar среди изотопов, встречающихся в природе, вызвана постоянным образованием его в ходе реакции распада изотопа калий-40. На 1000 кг калия в ходе таких реакций за год образуется не более 3100 атомов 40Ar. Но, поскольку эти реакции идут постоянно в течение сотен миллионов лет, изотоп накопился в природе в существенных объемах.

Доминирование тяжелого изотопа в природе обуславливает тот факт, что атомный вес Ar  превышает атомный вес калия, находящегося в таблице следом за ним. При создании Периодической системы такого противоречия не было, поскольку аргон был обнаружен и свойства его были исследованы значительно позже, в первом десятилетии XX века. Первоначально Ar был помещен в первую группу таблицы, восьмая группа была выделена позднее.

Ионы

Как и другие инертные газы (такие, как He и Ne), Ar подвержен ионизации. При возбуждении атомов и сообщении им высоких энергий возникают молекулярные ионы Ar2+.

Молекула и атом

Для  инертных газов эти понятия идентичны, поскольку эти элементы не желают вступать в химическую связь даже с себе подобными. Молекула включает в себя один атом, химическая формула газа не отличается от обозначения элемента: Ar.

Молярная масса

Молярная масса аргона составляет 39,95 г/моль.

Существуют несколько методов ее вычисления:

• С применением относительной атомной массы M и коэффициента пропорциональности к, выражающего соотношение между относительной массой и молярной. Этот коэффициент является универсальной константой и равен для всех элементов. Молярная масса M выражается как произведение коэффициента пропорциональности на относительную массу.
• С использованием молярного объема. Потребуется найти объем, занимаемый при обычных условиях некоторой массой газа, далее рассчитать массу 22,4 литров вещества при таких же условиях.
• С применением уравнения Менделеева-Клапейрона, моделирующего идеальный газ.

pV = mRT / M,

проведя преобразования, получим выражение для молярной массы:

M=mRT/pV

где

• p – давление в паскалях,
• V –объем в кубометрах
• m – масса в граммах,
• Т — температура в Кельвинах,
• R – константа, значение которой 8,314 Дж/(моль×К).

Область применения

Шире всего аргон применяется при сварочных работах. Он используется для создания защитной атмосферы вокруг сварочной ванны, вытесняя из рабочей зоны O2 и N2, содержащиеся в атмосфере. Особенно важно это для сварки цветных металлов, многие из которых, к примеру, Ti, отличаются высокой химической активностью в нагретом состоянии. Незаменим инертный газ также для неразъемного соединения нержавеющих и высоколегированных сплавов.

Также широко применяется  при монтаже высоконагруженных строительных конструкций, таких, как каркасы высотных зданий, фермы мостов и многих других. Здесь его применение обеспечивает высокое качество, однородность и долговечность ответственных соединений. В строительной индустрии аргонная сварка доминирует среди других методов.

Не менее широко применяется аргонная сварка в машиностроении, прежде всего химическом и пищевом. Швы получаются долговечные и надежные, даже в условиях воздействия агрессивных сред.

Нефтяная и газовая отрасли также применяют аргонная сварку при монтаже трубопроводов, газоперекачивающих станций и нефтеперегонных комбинатов.

Используется метод также в атомной промышленности, в транспортном машиностроении и в аэрокосмической отрасли.

В домохозяйствах аргонная сварка распространена не так широко. Это объясняется:

• высокой стоимостью оборудования и расходных материалов;
• необходимостью достаточной квалификации сварщика;
• меньшими нагрузками, испытываемыми домашними конструкциями;
• более низкими требованиями к прочности и долговечности сварных соединений.

Если в домохозяйстве возникает эпизодическая потребность в таких сварочных работах, то дешевле, быстрее и надежнее пригласить сварщика-специалиста.

Характерным свойством Ar является его более высокая плотность по сравнению с воздухом. Поэтому максимальная эффективность аргонной сварки достигается при нижнем сварочном положении. В этом случае инертный раз растекается по поверхности детали и образует защитное облако значительной протяженности, позволяя вести сварку, как большими токами, так и на большой скорости. При сварке в наклонном и верхнем положении приходится учитывать «проваливание» аргона сквозь воздух. Чтобы компенсировать это явление, либо увеличивают подачу газа, либо проводят работы в герметичном помещении, заполненным инертным газом. В обоих случаях себестоимость работ возрастает.

Поскольку потенциал ионизации Ar невысок, его использование обеспечивает идеальные геометрических характеристик сварочного шва, прежде всего, профиля. Возбужденная электродуга в аргоновой атмосфере также отличается высокой стабильностью своих параметров. С другой стороны, низкое значение потенциала ионизации обуславливает и более низкое напряжение розжига и поддержания дуги. Это сокращает ее тепловыделение и усложняет провар толстых листов металла.

Более высокая температура дуги в аргоновой атмосфере существенно повышает проплав сварочного шва. Это позволяет проводить сварку за один проход при условии точного соблюдения параметров зазора между заготовками.

В случае применения TIG-метода сварочных работ аргоновая атмосфера защищает от коррозионного влияния не только зону сварки, но и окончание неплавкого электрода.

В ряде специфических случаев в состав защитной газовой смеси добавляют гелий.

Кроме применения при сварочных работах, аргон используется:

• Как плазмоообразующее веществона установках плазменного раскроя металла.
• Для создания инертной среды в упаковках пищевых продуктов. Он вытесняет из пакетов и контейнеров кислород воздуха и водяные пары, пагубно влияющие на срок годности продуктов. Продукты в защитной атмосфере хранятся в несколько раз дольше, чем в обычной упаковке. Применяется этот метод и для упаковки медицинских изделий и препаратов, позволяя сохранить их в должной стерильности и химической чистоте.
• В качестве активного агента в противопожарных установках. Аргон вытесняет кислород (или другой газ) из очага горения, прекращая его.
• Для создания защитной среды в технологических установках при обработке полупроводниковых устройств, создании микросхем и других электронных компонентов или материалов высоких степеней чистоты.
• Наполнитель электроламп.
• В рекламных люминесцентных трубках.

Зависимость давления аргона в баллоне от температуры

По мере нагрева давление газообразного вещества в замкнутом объеме повышается. В таблице приведены примерные значения давления в баллоне в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Следует учитывать, что баллонное давление изменяется не мгновенно, а по мере его прогрева или охлаждения.

Техника безопасности при работе с аргоном

Сам по себе не являясь ядовитым, аргон при неправильном использовании может нанести серьезный вред здоровью или даже создать угрозу жизни.

Аргон замещает кислород воздуха и создает смесь, непригодную для дыхания. Человек может пострадать или даже погибнуть от удушья. Сжиженный аргон имеет очень низкую температуру и при контакте с незащищенной кожей приводит к тяжелым обморожениям.

Во избежание неприятных последствий при работе с газом следует неукоснительно соблюдать следующие правила:

• При работе в атмосфере аргона обязательно использовать изолирующий противогаз.
• При работе на полуавтоматах с подачей аргона обеспечить вентиляцию рабочей зоны.
• Использовать газоанализатор, содержание кислорода в воздухе должно быть не ниже 19%.
• Спецодежда должна полностью закрывать коду, быть чистой и целой.

Перед началом работы также следует осмотреть баллоны, шланги и запорную арматуру на предмет отсутствия механических повреждений и утечек газа.