Элемент: аргон (Argon)
Химический символ: Ar
Порядковый номер: 18
Год открытия: 1894
Стандартная атомная масса: 39.792
Температура плавления: 83.81 К
Температура кипения: 87.302 К
Плотность при стандартных условиях 1.784 г/л3
Скорость звука в аргоне: 323 м/с
Число стабильных изотопов: 3
Кристаллическая решётка: гранецентрированная кубическая
Плавящийся и испаряющийся аргоновый лёд
Аргон ученые открывали дважды. Я подробно рассказывал историю открытия аргона в статьях, посвященных двум нобелевским лауреатам – Джону Уильяму Стретту (лорду Рэлею), который ограничился аргоном и премией по физике, и его соавтору сэру Уильяму Рамзаю, который потом продолжил заполнять восьмой столбец таблицы Менделеева и стал единственным человеком, открывшим практически вертикаль (не считая радона). Но повторим основные моменты.
Итак, первый шаг сделал Генри Кавендиш. Он окислял азот в воздухе электрическим разрядом и обнаружил, что независимо от того, как долго длится разряд, оставалось небольшое количество газа, которое вообще не окислялось.
Генри Кавендиш
Рэлей, который пять лет своей жизни потратил на публикацию забытых трудов Кавендиша, оказался догадливее и сделал логичный вывод: в азоте, который добыт из атмосферного воздуха, есть примесь другого неизвестного газа или нескольких газов. Стало понятно, как его (или их) добыть: удалять азот из воздуха разрядом и смотреть, что останется. Повторяя утомительные опыты Кавендиша, Рэлей удалял азот окислением с помощью электрического разряда и медленно накапливал неизвестный остаточный газ.
Экспериментальная установка Рэлея, основанная на опытах Кавендиша
19 апреля 1894 года на лекцию Рэлея о проблемах с плотностями газов пришел шотландец Уильям Рамзай. Он подошел после лекции к профессору и предложил скоординировать усилия. Поскольку Рамзай был химиком, ему оказалось проще выделить новый газ в нужных количествах (он воспользовался способностью нагретого магния поглощать азот). 7 августа 1894 года в Оксфорде на собрании Британской ассоциации физиков, химиков и естествоиспытателей Рэлей и Рамзай сообщили о поразительном факте, в который ученым того времени было сложно поверить: каждый кубометр воздуха содержит примерно 15 граммов неизвестного газа, который к тому же ни с чем не вступает в реакции. Конечно, можно было бы отрицать, но аргументы были весомее некуда: Уильям Крукс даже снял спектр нового вещества. Сенсация! Председатель заседания, доктор Медан, предложил назвать новый газ аргоном: ἀργός — «не» + «активный».
Лорд Рэлей
Потом Рамзай выяснит, что на самом деле они с Рэлеем открыли не один газ, а смесь инертных газов, и выделит неон, гелий, криптон и ксенон. Но об этом мы уже рассказали, описывая неон. В итоге Рэлей получил Нобелевскую премию по физике 1904 года, а Рамзай – по химии, что, в целом, весьма логично. Кстати, любопытый факт: посмотрите на карикатурный портрет Рамзая из журнала Strand. Ничего не замечаете необычного? Ученый показывает указкой на группу инертных газов, в который занято уже четыре клетки, но… Только два символа нам знакомы (He и Kr), а аргон и ксенон обозначены буквами А и Х, а не привычными Ar и Xe. Так что и обозначения элементов тоже менялись. А символ Ar появился только в 1957 году.
Карикатура на Рамзан
На Земле не так, как в небесах, или как узнать, сколько лет горам
Стабильные атомы аргона существуют в виде трех изотопов с атомными массами 36, 38 и 40. И в распределении изотопов в Земле и во Вселенной вообще наблюдается вопиющее несоответствие. Например, на Солнце, согласно руководству Дональда Клейтона Handbook of Isotopes in the Cosmos Hydrogen to Gallium, 84.2% процента аргона – это аргон-36. Давайте теперь посмотрим на атмосферу Земли, где был открыт аргон. : 36Ar (0,337 %), 38Ar (0,063 %), 40Ar (99,600 %). То есть, почти весь аргон на Земле – это аргон-40. В чем же дело? Почему Земля такая «особенная»? «Виновник» этого несоответствия давно уже найден. Он соседствует с аргоном по таблице Менделеева: это радиоактивный изотоп калий-40. Его достаточно много везде (0,0117(1) % в земной коре), где присутствует калий: период полураспада его более миллиарда лет. Почти 90 процентов атомов калия-40 распадается по бета-распаду с образованием кальция-40, а вот чуть более 10 процентов осуществляют электронный захват и образует аргон-40 (еще в одной тысячной процента происходит бета-плюс распад с испусканием позитрона, и опять-таки образуется аргон-40).
Не так давно удалось подсчитать, что если вычесть аргон-40, получившийся таким образом, то соотношение изотопов в земном аргоне сравняется со средневселенским.
Однако именно эта ситуация с калием и аргоном, а также тот факт, что весь калий-40 образовался еще до возникновения Земли и с тех пор постепенно распадается, плюс то, что атомы калия попадают почти во все горные породы, позволяет нам датировать эти породы с достаточной точностью. За год одна тонна калия из горных пород «выдает» около 3100 атомов аргона-40, которые, благодаря своим крупным размерам, остаются «запертыми» в кристаллической решетке. Если подсчитать соотношение атомов калия-40 и аргона-40, можно определить возраст горной породы.
«Несуществующее» соединение и прорыв в электронике
Аргон полностью оправдывает свое название. Этот «ленивый», «недеятельный» элемент категорически отказывается разрывать свою внешнюю восьмиэлектронную оболочку и вступать в химические реакции. Кажется, до сих пор не удалось получить ни одного стабильного при нормальных условиях соединения аргона. Впрочем, попытки получить их предпринимались, и не раз. Так, еще в 1975 году сообщалось о том, что удалось получить соединение аргона с пентакарбонилом вольфрама W(CO)5Ar, однако, «это достижение и сейчас не получило широкого признания». Только в 2000 году Маркку Расанен из Университета Хельсинки опубликовал в Nature статью, которая называлась скромно «Стабильное соединение аргона». В ней сообщалось о создании фторогидрида аргона HArF. Новость об этом открытии возвещала: «Прежде отчужденный аргон был подвергнут свадьбе по принуждению (красивый английский фразеологизм shotgun wedding)». Впрочем, стабильным это соединение, полученное фотолизом фтороводорода на твердой аргоновой матрице, остается только при температурах до 27 градусов. Ну, хоть что-то.
Молекула HArF
Впрочем, есть некоторые данные и о ковалентном взаимодействии аргона. Удивительно, но Армину Шаегхи из Университета Вены удалось получить данные о ковалентном взаимодействии между благородным газом и благородным металлом. В статьях, опубликованных в Angewandte Chemie и в The Journal of chemical physics предлагаются структуры взаимодействий атомов аргона и тримеров золота-серебра и даже масс-спектры.
Структуры комплексов аргона-золота-серебра (аргон показан зелёным, серебро — серым, золото — жёлтым)
Масс-спектры соединений
Конечно же, аргон образует много ван-дер-ваальсовых молекул и других экзотических соединений в экзотических условиях. Мы упомянем лишь ион аргония ArH+, причем с изотопом аргона-36. Чем он интересен? Да тем, что в 2013 году эту молекулу инертного газа обнаружили спектрально в остатках сверхновой звезды, известных нам как Крабовидная туманность. Конечно же, это открытие было удостоеностатьи в Science. Шутка ли – первая молекула с благородным газом в космосе.
Крабовидная туманность
Однако человек научился использовать нестабильные соединения аргона в своих целях – и благодаря им даже перешагнуть важный технологический барьер.
Но здесь нам понадобится немного истории и немного теории. В 1970 году нобелевский лауреат и один из создателей лазера Николай Басов предложил новый вид этих квантовых генераторов: эксимерные лазеры. Их работа была основана на эксимерах (от слов excited dimer, возбужденный димер). Эксимерные молекулы (в данном случае речь шла изначально о ксеноне) – это очень странная штука. Димер Xe2 существует в возбужденном состоянии атомов и не существует в основном. То есть принцип работы эксимерного лазера приблизительно таков: в объем ксенона, который изначально был рабочим телом такого лазера, подается электрический разряд, который переводит атомы в возбужденное состояние и дает им образовать эксимерные молекулы. Эти молекулы могут отдать свою энергию в виде излучения (которое становится лазерным) и возвращаются в основное состояние, в котором через пикосекунды разваливаются на отдельные атомы.
Николай Басов
Пять лет спустя в США Джордж Харт и Стюарт Сирлес предложили уже сделать хитрее: возбуждать смесь благородных газов с галогенами – например, ксенона с бромом. Образуются возбужденные молекулы галогенидов, например, XeBr, а дальше происходит та же схема – молекула отдает энергию в виде излучения лазера с определенной частотой, возвращается в основное состояние и разваливается на составные части, а затем все повторяется. Такие молекулы галогенидов по инерции называют эксимерными, хотя пуристы настаивают на терминах эксиплекс (от excited complex) и эксиплексный лазер. Но язык пока сопротивляется.
Так вот, эксимерный/эксиплексный аргон-фторидный лазер оказался очень удачным УФ-лазером с длиной волны в 193 нанометра. Именно благодаря этому типу лазеров технология производства микропроцессоров сумела перейти от 800-нанометровой технологии в 1990 году до 7-нанометровой в 2018-м.
Такие вот эксимерные/эксифлексные применения аргона (эксимерные лазеры бывают и чисто аргоновые). Кстати, аргон-ионные лазеры, использующие в качестве рабочего тела ионизированный аргон, появились еще раньше, в 1964 году его изобрел Уильям Бридж из Hughes Aircraft Company. Сейчас их используют в медицине — они прекрасно приваривают сетчатку при диабетической ретинопатии. Кстати, именно аргоновые лазеры планируют как потенциальный способ подводной коммуникации: для их длины волны морская вода полностью прозрачна.
Не только лазеры
Конечно, лазеры – это далеко не единственный способ использования этого инертного газа.
Так, «неоновая» реклама содержала не только неон, но и другие инертные газы, каждый из которых светился в газоразрядной трубке своим цветом. Аргон – не исключение, и его используют так до сих пор.
Менее известно применение аргона, например, в виноделии. Да-да, вкусом многих хороших вин мы обязаны именно аргону, при его помощи часто изолируют поверхность бродящего винного материала от кислорода, который может и сам повлиять на содержащиеся в вине вещества, и повлиять на метаболизм микроорганизмов, трудящихся над созданием напитка.
Вообще, в пищевой промышленности аргон зарегистрирован как пищевая добавка Е938. Но, конечно, не для того, чтобы его применяли в пищу. Здесь используется его инертность, и поэтому аргон разрешен как пропеллант (газ для аэрозольного разбрызгивания из баллончиков) и как упаковочный газ – им заполняется упаковка пищевых продуктов. Впрочем, как говорят специалисты, аргон применяется в таком качестве редко.
Примерно в таком свете используют аргон и в химии: если нужна инертная среда, то бокс, заполненный аргоном – самое то.
Аргоновый бокс
В ампулы с аргоном запаивают и высокореакционные вещества, например — щелочные металлы. Аргоновая упаковка стандартна, например, для цезия.
Кристаллы цезия в аргоне
Безусловно, одно из важнейших применений аргона – это аргоновая сварка. Но сам аргон, конечно же, не сваривает металлы. Если точно называть «аргоновую сварку» по науке, то получится более длинное название «дуговая электросварка с использованием аргона в качестве защитного газа». В этом случае аргоном окутывают место электрической дуги во избежание окисления металлов. Часто используют либо сам аргон, либо его смеси с гелием. Иногда надо, наоборот, сделать так, чтобы металл взаимодейтсвовал с тем или иным газом – с кислородом, но без азота. Тогда производится «сварка с активным газом» с применением смеси кислород+аргон.
1 — горелка, 2 — электрод, 3 — аргон, 4 — место расплава металла, 5 — заготовка, 6, 7 — шов
Применяют аргон и для дыхательных смесей – например, в подготовительных экспериментах к «Марс-500», а WADA в 2014 году даже зачем-то признала вдыхание аргона допингом.
И вот для дыхания аргон может быть опасным – потому, что он тяжелее кислорода. Но, естественно, дело не в том, что вдохнувший аргон человек не сможет его выдохуть, не встав на голову. Опасность – в другом. Если аргон начнет попадать в замкнутое пространство, он начнет скапливаться внизу. Сам по себе аргон не поддерживает дыхания, и тут может случиться та же история, как и с углекислым газом, который «любит» скапливаться на дне колодцев и шахт – попавшему в такое пространство человеку просто будет нечем дышать – воздух будет вверху, а внизу – не поддерживающий дыхание инертный аргон.
Вот такая вот химическая история у «не деятельного» газа – несмотря на его ленивость, и химия кое-какая нашлась, и немалая для человечества польза.
Алексей Паевский
