Аргон температура, состояния, сварка

Аргон (отмечается как Ar) — наиболее встречающийся очень часто в воздухе благородный газ. Он выделяется полной химической инертностью. Данное свойство позволяет широко использовать газ в подобных областях, как сварка, упаковка, производство материалов высокой чистоты, а еще для тушения пожаров.

История открытия

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

Состав этого газа ученый определить не смог. Через сто лет к проблеме вернулись сэры Джон Рэлей и Уильям Рэмзи. В ходе проведенных опытов они выявили, что азот, выделенный из воздуха, имеет высокую плотность, чем азот, получаемый в ходе реакции разложения нитрита аммония.

в первой половине 80-ых годов девятнадцатого века им получилось выделить из воздуха некий газ, намного плотный, чем азот. Это вещество имело одноатомную молекулярную структуру и было очень инертным — т.е. не реагировало с другими веществами.

На совещании Королевского Общества новому газу было присвоено наименование «аргон», что если перевести с древнегреческого значило «умеренный, ленивый»

Аргон в природе

Ввиду фактически полной инертности Ar предоставлен в естественной обстановке исключительно в несвязанном виде. Его процентная доля в самых разнообразных частях Земли равна примерно:

• земная кора — 0,00012%;
• вода моря — 0,00045%;
• обстановка — 0,926%.

Доля Ar в воздухе больше, чем общаяя доля всех других благородных газов. Главным источником для его добычи служит наша обстановка.

Содержание газов в атмосфере

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

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

Как добывают аргон

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

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

в начале процесса воздух подвергается старательной очистке от пыли в многоступенчатых фильтрах, осушается от паров воды, а дальше сильными компрессорами сжимается до той поры, пока не перейдет в состояние жидкости. Жидкость перегоняют в ректификационной колонне, чтобы поделить ее на некоторые вещества.

Установка для добычи аргона

Первым выветривается азот при -195 °С, его пары собираются на подобающей 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 именуется в сыром виде аргоном, исходным материалом для получения чистого газа.

В промышленности применяется несколько методов чистки сырого аргона от примесей.

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

Используются и альтернативные методы получения Ar. Во время синтеза нашатырного спирта из азота и водорода в химических реакторах Ar получают как дополнительный продукт производства. Технологичный элемент это синтеза — продувочный газ — имеет до 20% Ar. Из данного газа и вынимают самый умеренный компонент. Стоимость производства, складная преимущественно из расходов на охлаждение и нагрев элементов, разделяется между нашатырным спиртом и аргоном, и выходит значительно ниже.

Качество газа, получаемого любым методом, устанавливается технологией чистки его от минимальных количеств остаточного N₂, O₂, паров воды и H₂.

Аппарат, получающий электролизные пучки аргона

Общая характеристика Ar

Ar входит в группу благородных газов. Заряд его ядра — 18, под таким же номером компонент размещается в таблице Менделеева.

Из всех участников VIIIA группы он является очень часто встречающимся в природе. Объемная доля Ar в атмосфере -0,93%, глобальная доля составляет 1,28%.Компонент считается газом без цвета, вкуса и запаха. Химически не энергичен – аргон не вступает в реакцию и почти что не соединяется ни с какими элементами или веществами, кроме CU(Ar)O, и гидрофторида аргона.

Очень плохо растворим водой, чуть большая растворимость встречается при взаимном действии с органическими растворителям.

Виды аргона

Говоря о видах, или сортах Ar, нужно понимать, что это все то же самое вещество. Виды отличаются по степени чистки от примесей.

• Высший сорт. Содержание Ar не менее 99,99% . Этот сорт особо высокой чистоты используется для ответственных работ по сварке, например, как сварка материалов, химически активных в нагретом состоянии: некоторые разноцветные сплавы, в первую очередь титановые, нержавейка и др. Применяется также для сварки высоконагруженных изделий из конструкционной стали.
• Первый класс. Содержание Ar не менее 99,98%, Используется при сварке сплавов на основе алюминия с другими металлами и сплавами, для менее активных цветных металлов.
• Второй сорт. Содержание Ar не менее 99,95%. Применяется при сваривании деталей из огнеупорных сплавов из стали, алюминия и конструкционных сталей. Использование чистого Ar в этих обстоятельствах нежелательно, потому как приводит к очень высокой пористости материала шва и не дает возможность защитить сварочную ванную от большой влажности и прочих загрязнений. Чтобы не было появления такого дефекта в смесевой состав защитных газов добавляют углекислый газ и кислород, связывающие выделяющийся при сварке водород и остальные примеси. Образовывающиеся в ходе данных реакций шлаки всплывают на поверхность сварочной ванны и после того как застынет убираются одновременно с окалиной.

Физические и химические свойства

Свойства аргона обычны для члена VIII группы.

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

Растворимость в водной массе невысокая — всего 3,29 мл на 100 мл жидкости

Плотность аргона при нормальных условиях составляет 1,78 кг/м 3 . Молярная теплоемкость газа- 20,7 Дж/Кмоль.

Характеристики аргона и прочих благородных газов

Газ фактически полностью инертен. На данное время ученым получилось получить лишь два его соединения — CU(Ar)O, и гидрофторид аргона. Соединения есть лишь при очень низких температурах. Предполагается, что Ar входит в состав нестабильных в обычном состоянии молекул эксимерного типа. Такие молекулы существуют лишь в возбужденном состоянии, к примеру, 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 отличительно для благородного газа.

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

Атомная и молекулярная масса

Такие основные параметры, как атомная и молекулярная массы, показывают, насколько масса молекулы вещества и масса его атома исходя из этого превышают значение, равное одной двенадцатой доле массы атома водорода.

Благодаря тому, что молекула Ar состоит из единственного атома, молекулярная и атомная масса аргона похожи и составляют 39,984.

Структура аргона и его свойства

В условиях природы Ar встречается в качестве трех устойчивых изотопов

• 36 Ar– процентная доля этого изотопа составляет 0,337% в ядре 18 протонов и 18 нейтронов;
• 38 Ar- его доля всего 0,063%, в ядре 18 протонов и 20 нейтронов;
• 40 Ar – очень популярен, его доля составляет 99,6%, в ядре также 18 протонов, однако уже 22 нейтрона.

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

Большая процентная доля 40 Ar среди изотопов, встречающихся в природе, вызвана постоянным образованием его в ходе реакции распада изотопа калий-40. На 1000 кг калия в ходе подобных реакций за год образуется не больше 3100 атомов 40 Ar. Но, потому как эти реакции идут регулярно в течение сотен миллионов лет, изотоп накопился в природе в значительных объемах.

Преобладание тяжёлого изотопа в природе обуславливает тот момент, что ядерный вес Ar превосходит ядерный вес калия, находящегося в таблице следом за ним. При разработке Периодической системы такого противоречия не было, потому как аргон был обнаружен и свойства его были исследованы существенно позднее, в первом десятилетии 20 века. Сначала Ar был помещен В первые группу таблицы, восьмая группа была выделена позже.

Как и прочие благородные газы (такие, как He и Ne), Ar подвергается ионизации. При возбуждении атомов и сообщении им высоких энергий появляются молекулярные ионы Ar₂ + .

Молекула и атом

Для благородных газов данные понятия похожи, потому как такие элементы не хотят вступать в химическую связь даже с себе аналогичными. Молекула в себя включает один атом, химическая формула газа не выделяется от определения элемента: Ar.

Молярная масса

Молярная масса аргона составляет 39,95 г/моль.

Есть несколько методов ее вычисления:

• С использованием относительной атомной массы M и коэффициента гармоничности к, выражающего соотношение между относительной массой и молярной. Этот показатель считается многофункциональной константой и равён для всех компонентов. Молярная масса M выражается как творение коэффициента гармоничности на относительную массу.
• С применением молярного объема. Потребуется отыскать объем, занимаемый при обыкновенных условиях некоторой массой газа, дальше высчитать массу 22,4 литров вещества при подобных же условиях.
• С использованием уравнения Менделеева-Клапейрона, моделирующего безупречный газ.

проведя изменения, получаем выражение для молярной массы:

• 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 использования

Шире всего аргон используется при работах связанных со сваркой. Он применяется для создания защитной атмосферы вокруг сварочной ванны, вытесняя из зоны для работы O₂ и N₂, имеющиеся в атмосфере. Очень важно это для сварки цветных металлов, большинство из которых, например, Ti, отличительны высокой химической активностью в нагретом состоянии. Незаменим благородный газ также для неразъемного соединения нержавеющих и высоколегированных сплавов.

Также повсеместно используется при монтаже высоконагруженных конструкций строительства, например, как каркасы высоких зданий, фермы мостов и множества прочих. Тут его использование обеспечивает большое качество, однородность и долговечность ответственных соединений. В индустрии строительства аргонная сварка доминирует среди прочих методов.

Не менее повсеместно используется аргонная сварка в автомобилестроении, в первую очередь химическом и пищевом. Швы получаются надежные и долговечные, даже в условиях влияния агрессивных сред.

Нефтяная и газовая отрасли дополнительно используют аргонная сварку во время монтажа трубо-проводов, газоперекачивающих станций и нефтеперегонных комбинатов.

Применяется метод также в атомной промышленности, в транспортном автомобилестроении и в космической отрасли.

В домохозяйствах аргонная сварка популярна не настолько широко. Это можно объяснить:

• большой ценой оборудования и используемых материалов;
• необходимостью достаточной квалификации сварщика;
• меньшими нагрузками, испытываемыми домашними конструкциями;
• более невысокими требованиями к надежности и прочности сварных соединений.

Если в домохозяйстве появляется эпизодичная необходимость в подобных работах связанных со сваркой, то доступнее, быстрее и лучше пригласить сварщика-специалиста.

Отличительным свойством Ar считается его более большая плотность если сравнивать с воздухом. По этому самая большая результативность аргоной сварки достигается при нижнем сварочном положении. В данном случае инертный раз растекается по поверхности детали и образовывает защитное облако существенной протяженности, давая возможность вести сварку, как большими токами, так и на высокой скорости. При сварке в наклонном и верхнем положении приходится иметь в виду «проваливание» аргона сквозь воздух. Чтобы возместить явление это, либо делают больше газо подачу, либо проводят работы в герметичном помещении, заполненным благородным газом. И в том и другом случае отпускная цена работ увеличивается.

Потому как потенциал ионизации Ar невысокий, его применение обеспечивает безупречные геометрических параметров сварочного шва, в первую очередь, профиля. Возбужденная электрическая дуга в аргоновой атмосфере также выделяется большой стабильностью собственных показателей. С другой стороны, невысокое значение потенциала ионизации обуславливает и намного ниже напряжение розжига и поддержания дуги. Это уменьшает ее тепловыделение и затрудняет провар толстых металлических листов.

Более большая температура дуги в аргоновой атмосфере намного повышает проплав сварочного шва. Это дает возможность проводить сварку в один проход при условиях точного выполнения показателей зазора между заготовками.

В случае использования TIG-метода работ по сварке аргоновая обстановка оберегает от коррозионного воздействия не только сварочную зону, но и завершение неплавкого электрода.

Во многих нестандартных случаев в состав защитной смеси газа добавляют гелий.

Помимо использования при работах связанных со сваркой, аргон применяется:

• Как плазмоообразующее веществона установках плазменного разрезания металла.
• Для создания инертной среды в упаковках продуктов для пищи. Он вытесняет из пакетов и контейнеров кислород воздуха и пары перегретые, губительно которые влияют на период годности продуктов. Продукты в защитной атмосфере хранятся во много раз длительнее, чем в обыкновенной упаковке. Применяется такой способ и для упаковки медицинских изделий и препаратов, давая возможность сберечь их в должной стерильности и химической чистоте.
• В качестве энергичного агента в противопожарных установках. Аргон вытесняет кислород (или остальной газ) из очага горения, прекращая его.
• Для создания защитной среды в технологических установках во время обработки полупроводниковых устройств, создании микросхем и прочих элементов электроники или материалов больших степеней чистоты.
• Наполнитель электроламп.
• В маркетинговых люминесцентных трубках.

Зависимость давления аргона в баллоне от температуры

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

T, °C	P, Мегапаскаль
-40	10,45
-30	11,33
-20	12,21
-10	12,92
0	13,74
+10	14,62
+20	15,33
+30	16,03

Необходимо учесть, что баллонное давление меняется не очень быстро, а по мере его прогрева или охлаждения.

Техника безопасности во время работы с аргоном

Сам по себе не являясь токсичным, аргон при неправильном применении может нанести серьезный вред здоровью либо даже создать опасность жизни.

Аргон замещает кислород воздуха и создаёт смесь, неподходящую для дыхания. Человек скорее всего пострадает либо даже умереть от удушья. Сжиженный аргон имеет очень невысокую температуру и при контакте с незащищенной кожей приводит к тяжёлым обморожениям.

Газоразрядная трубка с аргоном

Чтобы не было неблагоприятных последствий во время работы с газом следует обязательно исполнять такие правила:

• Во время работы в атмосфере аргона в первую очередь применять изолирующий противогаз.
• Во время работы на полуавтоматах с подачей аргона гарантировать вентиляцию зоны для работы.
• Применять анализатор газа, содержание кислорода в воздухе должно быть не ниже 19%.
• Специальная защитная одежда должна полностью закрывать коду, быть чистой и целой.

Перед тем как приступить к работе также следует осмотреть балоны, шланги и запорную арматуру на предмет отсутствия повреждений механическим путем и утечек газа.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.