Сегодня мы поговорим об элементе с полностью заполненными электронными оболочками, обладающим вследствие этого очень высокой инертностью.
И поскольку это химически неактивный элемент, сегодняшняя статья не будет очень длинной, однако всё же в ней будет приведено несколько любопытных фактов, которые можно рассказать не только о рассматриваемом элементе, но и о том, как работают научные исследования, и как непрерывно совершенствуются наши знания об окружающей природе.
Сегодня мы поговорим о химическом элементе под названием «аргон».
Этот благородный газ имеет восемнадцать протонов в ядре, и в нормальном (неионизированном) состоянии у него имеется восемнадцать электронов. Два из этих электронов заполняют первую электронную оболочку (туда, собственно, и помещается только два), восемь заполняют вторую оболочку и восемь заполняют третью. То есть аргон находится в третьем периоде (он имеет электроны в трех разных оболочках), и в восьмой группе (имеет восемь электронов на последней оболочке).
Что касается нейтронов, то здесь дело такое – существует три стабильных изотопа этого элемента: 36Ar с 18 нейтронами (18 протонов + 18 нейтронов = 36 нуклонов), 38Ar с 20 нейтронами и 40Ar с 22 нейтронами. Однако практически весь аргон на Земле состоит из изотопа 40Ar (99,6%).
Мы все помним, что практически во всех отношениях стабильные изотопы любого химического элемента ведут себя практически одинаково, за исключением того, что некоторые из них весят немного больше, чем другие. На самом деле атому большинство его фундаментальных свойств придаёт электронная конфигурация, особенно параметры внешней электронной оболочки (например, в случае с аргоном определяющим свойством является то, что его последняя оболочка заполнена).
Это не означает, что аргон никогда ни с чем не реагирует. Однако это случается очень нечасто. Вследствие этого этот благородный газ не является частью органических молекул. И он не принимает участие в каких-либо важных процессах, происходящих в нашей окружающей среде.
Аргон очень долгое время оставался совершенно незамеченным людьми. И лишь относительно сравнительно недавно они поняли, что он вообще существует. Поскольку аргон ни с чем не реагирует, то и обнаружить его непросто. При комнатной температуре он встречается только в газообразной форме. Аргон бесцветен, не имеет запаха и вкуса, но при этом окружает нас в достаточно серьёзных количествах.
Вы, наверное, удивитесь, мой дорогой читатель, услышав, что когда вы дышите, то вдыхаете и выдыхаете значительные количества аргона. Даже не замечая этого. Поскольку около 1,3% массы атмосферы Земли составляет аргон! Это может показаться не таким уж большим содержанием, но атмосфера нашей планеты весит около 5,15·10^18 кг, и в ней содержится около 6,7·10^16 кг (почти семь тысяч квадриллионов тонн) аргона.
И этот инертный газ особенный. Хотя он ни в коем случае не является самым распространённым во Вселенной (гелия, конечно, гораздо больше), всё же имеет достаточную атомную массу, чтобы земная гравитация могла удерживать его огромное количеств в атмосфере на протяжении миллиардов лет.
Другие, более тяжёлые благородные газы (например, ксенон), имеющие более высокие атомные массы, при синтезе внутри звёзд образуются реже. И в меньших количествах. Поэтому аргон имеет просто «идеальный баланс»: он достаточно лёгок, чтобы его было много, и достаточно тяжёл, чтобы покинуть атмосферу так же легко, как гелий.
Первым, кто заподозрил, что атмосфере что-то есть ещё, чего пока никто не видел, был британский химик и физик Генри Кавендиш. Это произошло в 1785 году.
В конце XVIII века многие учёные любили на досуге проводить эксперименты по определению состава воздуха. Кислород и азот, несомненно, были идентифицированы первыми. А потом обнаружились и другие газы (такие как водяной пар и углекислый газ).
И вроде бы всё хорошо. Состав воздуха был быстро установлен. Всем спасибо, все свободны!
Но Кавендишу не спалось. И однажды ночью, пока никто не видит, он незаметно удалил из образца воздуха углекислый газ, кислород и пары воды, оставив только азот. Затем он поместил в этот азот образец гидроксида калия (KOH) и подверг его электрическим разрядам, которые заставили азот соединиться с гидроксидом. Постепенно азот в образце соединился с КОН и образовал нитрат калия (KNO3).
Однако после того, как реакция полностью произошла, в контейнере все еще оставался «азот». Конечно, это произошло потому, что это был вовсе не азот, а аргон, но Кавендиш не мог тогда этого знать. Учёный навал этот газ «кошкин азот» (шутка), и лёг спать, не понимая, что происходит, но смутно догадываясь, что в атмосфере есть что-то ещё. И наука просто пока это что-то ещё не идентифицировала.
Человечеству пришлось подождать более ста лет, аж до 1894 года, когда лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзай наконец поняли, чем является «ложный азот» Кавендиша. У Рэлея были свои, отличные от Кавендиша, основания что-то подозревать: он заметил, что при измерении плотности азота, полученного в лаборатории химическим путём, значение постоянно составляло 1,2506 кг/м3. Однако при измерении плотности атмосферного азота значение всегда составляло 1,2572 кг/м3. Вывод Рэлея в сложившейся непростой ситуации был таким: в воздухе есть что-то, смешанное с азотом, что-то тяжелее азота и инертнее его, так как это «нечто» ни с чем не вступало в реакцию.
У Рэлея были две вещи, которых очень не хватало Кавендишу: во-первых, спектроскопия, с помощью которой можно было определить спектр поглощения и излучения любого вещества, и таким образом идентифицировать «отпечаток пальца» каждого элемента. Именно таким образом можно было обнаружить известные элементы и узнать, есть ли в образце новые. Во-вторых (что не менее важно!), помощь ему оказывал Уильям Рамзай, учёный-экспериментатор такого же высокого уровня, как и он сам.
Вместе Рэлей и Рамзай сделали почти то же самое, что Кавендиш сделал веком ранее (использовав перегретый магний вместо гидроксида калия). И когда они выделили «тяжёлый инертный газ», смешанный с остальным воздухом, они исследовали спектр его излучения. И оказалось, что это новый химический элемент, первый выделенный инертный газ! (Гелий будет выделен лишь год спустя Рамзаем).
Учёные дали название новому элементу «аргон». От греческого слова «инертный». За это открытие они получили Нобелевскую премию в 1904 году – Рамзай по химии и Рэлей по физике. На протяжении полувека символом аргона была латинская буква «А», пока в 1957 году её не заменили на «Ar».
С момента открытия аргона удалось получить всего несколько его соединений, такие как HArF. Все они очень нестабильны. Также наблюдалось, что при определённых условиях атомы аргона могут захватываться молекулами H2O во льду при высоких давлениях, образуя клатраты.
Однако название этого элемента все же оправдывает себя. Поскольку заставить его вступить в реакцию с чем-либо очень сложно. Хотя, конечно, аргон не единственный в этом отношении, поскольку существуют и другие инертные газы.
Но для чего же нужен столь инертный элемент?
Он полезен, на самом деле, гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд.
Ежегодно в мире производится около 700 000 тонн аргона. И это больше не делается сложными методами Кавендиша или Рэлея: для этого применяется фракционная перегонка воздуха (поскольку его составляющие имеют разные температуры кипения). И это огромное количество аргона используется для множества целей.
Во-первых, основное свойство аргона (инертность) само по себе очень полезно. Бывают случаи, когда «самый дешёвый инертный газ» (азот) недостаточно инертен, если нужно хранить очень химически активные продукты. В этом случае используется аргон. Можно, конечно, использовать любой другой благородный газ, но аргон самый дешёвый из них. Хотя, конечно, не такой дешёвый, как азот.
По причине высокой инертности аргон применяют и для тушения пожаров. Аргон прекрасно тушит пламя, заменяя кислород, но не вступает в реакцию с электронными приборами, поэтому не повреждает их и является очень хорошим изолятором, и не вызывает коротких замыканий при контакте с электрическими цепями, находящимися под напряжением.
Как и азот, аргон также используется для заправки ламп накаливания: если внутри лампочки есть кислород, нить накаливания сгорит. Но если внутри ничего нет, разница в давлении легко разрушит стекло лампочки. Решение состоит в том, чтобы заполнить колбу инертным газом. А аргон является одним из наиболее распространённых таких газов.
Помимо своей инертности, аргон обладает низкой теплопроводностью. Поэтому его используют еще и в качестве изолятора. В некоторых двухкамерных стеклопакетах в качестве изолятора используется аргон, и их изоляционная способность от этого становится гораздо лучше.
Аргон используется в качестве хладагента. Его хранят в сжатом виде под высоким давлением, а когда нужно что-то охладить, он внезапно расширяется, что вызывает сильное снижение температуры с поглощением огромного количества тепла из окружающей среды. Так охлаждается, например, американская управляемая ракета класса «воздух—воздух» AIM-9 Sidewinder (в некоторых её модификациях вместо аргона используется азот), где аргон хранится сжатым под давлением около 350 атмосфер.
А где ещё используется аргон? Жду ваших комментариев.
Всем добра.
Рекомендую прекрасный подарок*👇
А ещё почитать есть? Конечно!👇 Главная страница канала
*Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543