Ar – аргон

В 1785 году английский химик и физик Г. Кавендиш обнаружил в воздухе какой-то новый газ, необыкновенно устойчивый химически. На долю этого газа приходилась примерно одна сто двадцатая часть объёма воздуха. Но что это за газ Кавендишу выяснить не удалось.

Об этом опыте вспомнили 107 лет спустя, когда Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей)* натолкнулся на ту же примесь, заметив, что азот воздуха тяжелее, чем азот, выделенный из соединений. Не найдя достойного объяснения аномалии, Рэлей через журнал «Nature» обратился к коллегам-естествоиспытателям с предложением вместе подумать и поработать над разгадкой её причин…

Спустя два года Рэлей и У. Рамзай установили, что в азоте воздуха действительно есть примесь неизвестного газа, Более тяжёлого, чем азот, и крайне инертного химически.

Когда они выступили с публичным сообщением о своём открытии, это произвело ошеломляющее впечатление. Многим казалось невероятным, чтобы несколько поколений учёных, выполнивших тысячи анализов воздуха, проглядели его составную часть, да ещё такую заметную – один процент!

Именно в этот день и час, 13 августа 1894 года, аргон получил своё имя, которое в переводе с греческого значит «недеятельный». Его предложил председательствующий на собрании доктор Медан.

Нет ничего удивительного в том, что аргон так долго «ускользал» от учёных. Ведь в природе он себя решительно ничем не проявлял. (Говоря о трудностях выявления ядерной энергии, А. Эйнштейн заметил, что нелегко распознать богача, если он не тратит свойх денег… )

Сомнения учёных были быстро развеяны экспериментальной проверкой и установлением физических констант аргона. Но не обошлось и без моральных издержек: расстроенный нападками коллег (главным образом химиков) Рэлей оставил изучение аргона и химию вообще и сосредоточил свои интересы на физических проблемах. Большой учёный, он и в физике достиг выдающихся результатов, за что в 1904 году был удостоен Нобелевской премии. Тогда в Стокгольме он встретился с Рамзаем, который в тот же день получил Нобелевскую премию за открытие и исследование благородных газов, в том числе и аргона.

Облик «недеятельного» газа

Химическая инертность аргона (как и других газов этой подгруппы) и одноатомность его молекул объясняются прежде всего предельной насыщенностью электронных оболочек. Тем не менее разговоры о химии аргона сегодня не беспредметны. Валентный слой атома аргона, как и неона, содержит восемь электронов. Вследствие большой устойчивости электронной структуры атома (энергия ионизации 15,76 эВ) соединения валентного типа для аргона не получены. Имея относительно большой размер атома (молекулы), аргон более склонен к образованию межмолекулярных связей, чем гелий и неон. Поэтому аргон в виде простого вещества характеризуется несколько более высокими температурами плавления (-184,3 °C) и кипения (-185,9 °C). Он лучше адсорбируется.

Аргон образует молекулярные соединения включения – КЛАТРАТЫ – с водой, фенолом, толуолом, и другими веществами. Ещё в конце прошлого века француз Вийяр, сжимая аргон под водой при 0 °C, получил кристаллогидрат состава Ar·6H2O, а в 20–30-х годах ХХ столетия Б. А. Никитиным, Р. А. Франкраном и другими исследователями при повышенных давлениях и низких температурах были получены кристаллические клатратные соединения. Гидрат аргона примерного состава Ar·6H2O представляет собой кристаллическое вещество, разлагающееся при атмосферном давлении и температуре –42,8 °C. Его можно получить непосредственным взаимодействием аргона с водой при 0 °C и давлении порядка 1,5 · 10[7]· Па. С соединениями H2S, SO2, CO2, HСl аргон деёт двойные гидраты, то есть смешанные клатраты.

Из подгруппы тяжёлых инертных газов аргон самый лёгкий. Он тяжелее воздуха в 1,38 раза. Жидкостью становится при –185,9 °C, затвердевает при –189,4 °C (в условиях нормального давления). В отличие от гелия и неона, он хорошо адсорбируется на поверхностях твёрдых тел и растворяется аргон во многих органических жидкостях. Зато он практически нерастворим в металлах и не диффундирует сквозь них.

Как и многие инертные газы, аргон диамагнитен. Это значит, что его магнитная восприимчивость отрицательна, он оказывает большее противодействие силовым линиям магнитного поля, чем пустота. Это свойство аргона (как и многие другие) объясняется «замкнутостью» электронных оболочек.

Аргон применяют в металлургических и химических процессах, требующих инертной атмосферы (аргоно-дуговая сварка алюминиевых и алюмо-магниевых сплавов), электротехнике, ядерной энергетике (ионизационные счётчики и камеры) и т. п. Под действием электрического тока аргон ярко светится, сине-голубое свечение аргона широко используется в светотехнике – флюоресцентные лампы, лампы накаливания, разрядные трубки.

На Земле аргон значительно более распространён, чем остальные благородные газы. Его объёмная доля в земной атмосфере составляет 0,93%. Он находится в виде трёх стабильных изотопов: 40Ar (99,600%), 38Ar (0,063%) и 36Ar (0,337%). Изотоп 40Ar образуется в природных условиях при распаде изотопа 40К за счёт электронного захвата (1 s-электронного калия ядром):

19К + еˉ → 18К.

Теперь о влиянии аргона на живой организм.

При вдыхании смеси из 69% аргона, 11% азота и 20% кислорода под давлением 4 атм возникают явления наркоза, которые выражены гораздо сильнее, чем при вдыхании воздуха под тем же давлением. Наркоз мгновенно исчезает после прекращения подачи аргона. Причина – в неполярности молекул аргона, повышенное же давление усиливает растворимость аргона в нервных тканях.

Биологи нашли, что аргон благоприятствует росту растений. Даже в атмосфере чистого аргона семена риса, кукурузы, огурцов и ржи выкинули ростки. Лук, морковь и салат прорастают в атмосфере, состоящей из 98% аргона и только 2% кислорода.

На Земле и во Вселенной

На Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых. Его среднее содержание в земной коре (кларк) в 14 раз больше, чем гелия, 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 в воздухе плавательного пузыря рыб аргона находят больше, чем в атмосферном воздухе. Это потому, что в воде аргон растворим лучше, чем азот…

Главное «хранилище» земного аргона – атмосфера. Его в ней (по весу) 1,286% причём 99,6% атмосферного аргона – это самый тяжёлый изотоп – аргон-40. Ещё большая доля этого изотопа в аргоне земной коры. Между тем у подавляющего большинства лёгких элементов картина обратная – преобладают лёгкие изотопы.

Причина этой аномалии обнаружена в 1943 году. В земной коре находится мощный источник аргона-40 – радиоактивный изотоп калия-40 (см. выше). Этого изотопа в недрах немного – всего 0,0119% от общего содержания калия. Однако абсолютное количество калия-40 велико, поскольку калий – один из самых распространённых на нашей планете элементов. В каждой тонне изверженных пород 3,1 г калия-40.