Химический элемент Ar
Ar – 18-й элемент периодической таблицы Менделеева, относящийся к благородным инертным газам. Данное вещество является третьим после N (азота) и O (кислорода) по содержанию в атмосфере Земли. В обычных условиях – бесцветен, не горюч, не ядовит, без вкуса и запаха.
Другие свойства газа аргона:
- атомная масса: 39,95;
- содержание в воздухе: 0,9% объема и 1,3% массы;
- плотность в нормальных условиях: 1,78 кг/м³;
- температура кипения: -186°С.
На рисунке название химического элемента и его свойства
Данный элемент был открыт Джоном Стреттом и Уильямом Рамзаем при исследовании состава воздуха. Несовпадение плотности при различных химических испытаниях натолкнуло ученых на мысль, что в атмосфере помимо азота и кислорода присутствует инертный тяжелый газ. В итоге в 1894 г. было сделано заявление об открытии химического элемента, доля которого в каждом кубометре воздуха составляет 15 г.
Аргон, как будущее мировой медицины
Последние 50 лет в России отмечается возрастающий интерес к изучению и использованию инертных или благородных газов в медицинских целях. Ксенон во многих работах называют «идеальным анестетиком» и «анестетиком 21 века». Повсеместное его использование в анестезиологии останавливает только высокая цена. Также ксенон начинают все более активно использовать для терапии, доказана эффективность его применения при многих заболеваниях.
Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить эффект действия ксенона на организм человека и животных. Не вдаваясь в детали, скажем лишь, что есть теории, которые пытаются объяснить механизм действия ксенона, основываясь на характеристике его как благородного газа. Этот подход,который разделяем и мы, позволяет относиться ко всей группе благородных газов, как к перспективным газам для использования в медицинских целях. И в первую очередь – это газ аргон. Он средний по атомному весу среди инертных газов: He (4,00),Ar (39,95),Xe (131,29). Это третий газ по содержанию в атмосфере после азота и кислорода, поэтому он дешев, его стоимость почти в 1000 раз меньше стоимости ксенона. Надо отметить, что исследования по использованию инертных газов начинались именно с аргона, его пытались применить в качестве разбавителя кислорода для дыхательных смесей водолазов. Однако выяснилось, что при давлении свыше 3-х атмосфер проявляется его наркозный эффект. Это открытие в дальнейшем привело к идее использования ксенона для анестезии, т.к. расчеты показали, что ксенон должен обладать эффектом анестезии при атмосферном давлении. Для водолазов же подобрали газ гелий, как не дающий эффект анестезии при любых давлениях. В 1999 г. произошло знаменательное для исследователей благородных газов событие — Российские специалисты во главе с профессором медицины Буровым Н.Е. получили разрешение на применение ксенона в медицинской практике в России. К сожалению, это разрешение не касалось других благородных газов, поэтому количество исследований в России по использованию ксенона в медицине с этого времени стало в порядки отличаться от количества исследований по другим благородным газам. Но повторимся, если определенное воздействие на организм существует у ксенона, значит с высокой вероятностью надо ожидать подобное воздействие и у других благородных газов. Одна из главных способностей (кроме эффекта анестезии), которая открыта у ксенона, и также у аргона, это способность этих газов активировать в клетках продукцию белка Hif-1 alpha. Hif-1 alpha запускает синтез множества других биологически активных белков, включая EPO (эритропоэтин). А эритропоэтин, это основной белок, стимулирующий регенерацию тканей организма. Эта способность благородных газов объясняет многие их лечебные свойства. В настоящее время в клинической практике применяются инъекции рекомбинантного эритропоэтина, продуцируемого клетками млекопитающих. Стоимость их высока, но они применяются,ввиду высокой их эффективности. А благородные газы побуждают организм вырабатывать собственный эритропоэтин, и в случае применения аргона, этот собственный эритропоэтин стоит в сотни, а то и в тысячи дешевле инъекций. Кстати, если сравнить количество благородных газов на земле и в космосе, то выясняется, что в космосе содержание благородных газов значительно больше, чем на земле. Аргон, как будущее мировой медицины Этот факт наводит на следующую гипотезу: Может быть, при превышении содержания благородных газов выше привычных значений, организм считает, что, возможно, произошло некое космическое проникновение, и срабатывает программа защиты организма и вида в целом? Активизируются процессы воспроизводства и процессы регенерации.
Один из пионеров использования благородных газов в медицине профессор Института Медико-Биологических Проблем Павлов Б.Н. писал: — «За аргоном и гелием будущее, наступит день, когда баллоны с этими газами появятся во всех поликлиниках».
По крайней мере, кроме выработки эритропоэтина, ингаляции инертными газами, в первую очередь аргоном и гелием, дают очень мощный эффект увеличения половой функции, эффект этот отмечается у обоих полов. Он ярко выражен у животных и у человека. У животных всеми исследователями отмечается увеличение количества и качества потомства. У мужчин улучшение и восстановление эректильной функции, у женщин улучшение детородной способности. Эффект очень мощный, он начинает работать через сутки после ингаляции, и продолжается длительное время. Ниже приведен перечень заболеваний, для которых выявлено эффективное воздействие ингаляций благородными газами : 1. Гипертония. Выявлен эффект снижения (нормализации) артериального давления. 2. Различные виды отоларингических заболеваний. Отопротективный эффект, улучшение кровоснабжения носоглотки. Эффективное лечение респираторных заболеваний. 3. Улучшение капиллярного кровоснабжения мозга. 4. Улучшение и восстановление по21 тенции, повышение репродуктивной функции. 5. Улучшение общего состояния организма, снятие стрессовых напряжений. 6. Противовоспалительный и иммунопротекторный эффект. 7. Нейропротекторный, у больных более чем на 20 % увеличивается мозговой кровоток, а также почечный, печеночный и т.д. кровоток. 8. Радиопротекторное действие, ингаляции ксеноном используются, для восстановления жизненно важных органов после воздействия химиотерапии и радиотерапии. 9. Воздействие на иммунную систему, как следствие, уменьшение количества применяемых лекарств, в том числе антибиотиков. Причем список далеко не полный, т.к. исследования продолжаются и список этот продолжает расширяться. Но, к сожалению, вся реальная клиническая медицинская деятельность в России происходит только с газом ксеноном, т.к. пока только он один имеет от Фармкомитета РФ разрешение на применение. Но газ этот, как мы уже упоминали, самый дорогой из всех благородных газов. А самый дешевый – аргон, и хотя по потенциальным своим возможностям немногим уступает ксенону, а по соотношению цена/качество намного опережает ксенон, он используется в медицине пока только как технический газ. На сегодня в медицинской практике аргон используется как инертный газ для коагуляции тканей. Здесь аргон также смог себя проявить наилучшим образом. В Екатеринбурге разработана и внедрена в медицинскую практику операция кесарева сечения методом аргоноплазменной коагуляции. Операция проходит почти бескровно. Время реабилитации после родов сокращается в два раза, количество осложнений упало в четыре раза. А т.к. клетки раны, обработанной аргоном, активно начинают вырабатывать эритропоэтин, регенерация тканей в месте разреза происходит в разы быстрее, снижаются болевые ощущения и шов быстрее рассасывается. Шов рассасывается настолько хорошо, что после такой операции в дальнейшем возможны обычные роды. Следует ожидать, что эта технология будет использоваться и при других видах оперативных вмешательств. Вернемся к анестезии. Согласно международным протоколам (Копенгаген (1992), Лондон, Монреаль, Киото (1997) производство таких анестетиков как галотан, пентран, энфлюран, изофлюран, содержащие радикалы углерода, хлора и фтора должно быть приостановлено к 2030 г. Идеальным анестетиком, не имеющим отрицательных эффектов, в том числе по экологии, является ксенон, минусом является только его цена. Поэтому высока вероятность, что для этих целей начнут использовать другие, более дешевые, благородные газы аргон или криптон, но операция должна будет проводиться с помощью барокамеры, т.к. наркозный эффект возникает у этих газов только при повышенном давлении. Так же благородные газы, а в частности газ аргон, как самый доступный из них, можно использовать при лечении инфекционных и вирусных заболеваний, и они вполне могут стать либо заменой антибиотикам, либо могут значительно уменьшить их использование. Есть исследования по воздействию ингаляциями ксеноном на вирус гриппа с очень обнадеживающим результатом. Есть опубликованный и запатентованный результат по лечению гепатита С по этой технологии с применением газа ксенона. Уже более 30 человек вылечены по этой технологии. Автором этой статьи зафиксированы случаи излечения тяжелых случаев гайморита за три ингаляционные процедуры, излечения инфицированных гнойных ранений за четыре ингаляции. Кстати, промышленное животноводство сегодня невозможно без применения антибиотиков, которые затемчерез пищу попадают к человеку. Задача замены антибиотиков в промышленном животноводстве назрела уже давно, но пока решить ее не удается. Нужен эффективный и дешевый способ массового повышения резистивности организмов животных. Потенциально аргон как раз и может являться таким средством. Один из пионеров использования благородных газов в медицине профессор Института Медико-Биологических Проблем Павлов Б.Н. писал: — «За аргоном и гелием будущее, наступит день, когда баллоны с этими газами появятся во всех поликлиниках». Хотелось бы продолжить эту фразу: «Во всех поликлиниках России и мира».
АВТОР СТАТЬИ: Алексей Витальевич Бобровников, руководитель ГК «МедГазПром»
Как добывают аргон
Ar не поддается изменениям в процессе его использования и всегда возвращается в атмосферу. Поэтому ученые считают данный источник неисчерпаемым. Он добывается как сопутствующий продукт при разделении воздуха на кислород и азот посредством низкотемпературной ректификации.
Для реализации этого метода применяются специальные воздухоразделительные аппараты, состоящие из колонн высокого, низкого давления и конденсатора-испарителя. В результате процесса ректификации (разделения) получается аргон с небольшими примесями (3-10%) азота и кислорода. Чтобы произвести очистку, примеси убираются с помощью дополнительных химических реакций. Современные технологии позволяют достичь 99,99% чистоты данного продукта.
Представлены установки по производству данного химического элемента
Хранится и транспортируется газ аргон в стальных баллонах (ГОСТ 949-73), которые имеют серый окрас с полосой и соответствующей надписью зеленого цвета. При этом процесс наполнения емкости должен полностью соответствовать технологическим нормам и правилам безопасности. Детальную информацию о специфике заполнения газовых баллонов можно прочитать в статье: баллоны со сварочной смесью – технические особенности и правила эксплуатации.
Способы получения аргона
Аргон является третьим по распространённости газом в земной атмосфере, поэтому наиболее логичным способом является добывание его из воздуха. Для этой цели используются специальные низкотемпературные ректификационные аппараты.
Процесс отделения инертного вещества осуществляется в такой последовательности:
- Воздух очищается от пыли и подвергается сжатию до жидкого состояния.
- Жидкий воздух, состоящий преимущественно из кислорода, азота и аргона подвергается ректификации.
- После отделения азота, из получившейся при сжатии жидкости, осуществляется доочистка кислородно-аргоновой смеси.
Температура кипения аргона в ректификационной установке составляет минус 185,3˚С. При этом, кислород кипит при температуре на 3 градуса выше, а азот – на 13˚С ниже этого показателя. По причине небольшого отличия в переходе из одного агрегатного состояния в другое, на первом этапе отделения аргона смесь содержит большое количество жидкого кислорода. На заключительной стадии получения аргона производится отделение благородного газа из кислородно-аргоновой смеси. Процесс доочистки, как правило, осуществляется с помощью электролитического водорода. В результате реакции в контактном аппарате с кислородом образуется водяной пар, который затем утилизируется через влагоотделитель.
Аргон может быть получен не только из атмосферного воздуха. При некоторых производственных процессах этот газ может являться сопутствующим продуктом. Например, при производстве аммиака, аргон является примесью азота и является совершенно ненужным элементом, поэтому полученный таким образом газ имеет очень низкую себестоимость, в сравнении с криогенным аргоном.
Где применяется газ аргон
Данный элемент имеет достаточно большую сферу применения. Ниже приведены основные области его использования:
- заполнение внутренней полости ламп накаливания и стеклопакетов;
- вытеснение влаги и кислорода для долгого хранения пищевых продуктов;
- огнетушащее вещество в некоторых системах тушения пожара;
- защитная среда при сварочном процессе;
- плазмообразующий газ для плазменной сварки и резки.
В сварочном производстве он применяется как защитная среда в процессе сварки редких металлов (ниобия, титана, циркония) и их сплавов, легированный сталей разных марок, а также алюминиевых, магниевых и хромоникелевых сплавов. Для черных металлов, как правило, применяют смесь Ar с другими газами – гелием, кислородом, углекислотой и водородом.
Вид защитной среды при сварочном процессе, которую создает аргон
Являясь тяжелее воздуха, аргоновая струя надежно защищает металл во время сварки. Инертный газ на протяжении длительного времени является защитой для расплавленной и нагретой металлической поверхности. Больше о сварочном процессе с применением аргоновой защитной среды читайте в статье: сварка аргоном – технология и режимы работы оборудования.
История
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 U-образных трубках, в результате чего в них образовывались всё новые порции бурых оксидов азота, которые исследователь периодически растворял в щёлочи. Через некоторое время образование окислов прекратилось, но после связывания оставшегося кислорода остался пузырёк газа, 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 своё 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 какого-либо 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 своё сотрудничество. Интуиция побудила Рамзая предположить, что азот воздуха содержит примеси неизвестного и более тяжёлого 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 пошёл своим путём. Рэлей повторил опыт Кавендиша в увеличенном масштабе и на более высоком техническом уровне. Трансформатор под напряжением 6000 вольт посылал в 50-литровый 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 удалён 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 учёных не заметили составной части воздуха, да ещё 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.
Происхождение названия
По предложению доктора Медана (председателя заседания, на котором был сделан доклад об открытии) Рэлей и Рамзай дали новому газу имя «аргон» (от др.-греч. ἀργός — ленивый, медленный, неактивный). Это название подчёркивало важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность.
