Khí Argon

Khí Argon là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Ar và số hiệu nguyên tử 18. Nó nằm trong nhóm 18 của bảng tuần hoàn và là một chất khí cao quý. Argon là khí phong phú thứ ba trong khí quyển Trái đất, ở mức 0,934% (9340 ppmv). Nó dồi dào hơn hai lần so với hơi nước (trung bình khoảng 4000 ppmv, nhưng thay đổi rất nhiều), gấp 23 lần carbon dioxide (400 ppmv) và hơn 500 lần so với neon (18 ppmv). Argon là khí quý phong phú nhất trong vỏ Trái đất, bao gồm 0,00015% lớp vỏ. Xem thêm bài viết: Khí Argon là gì?. Tính chất và ứng dụng của khí Argon

Gần như tất cả khí argon trong bầu khí quyển của Trái đất là khí argon⁴⁰ gây phóng xạ, có nguồn gốc từ sự phân hủy của kali⁴⁰ trong vỏ Trái đất. Trong vũ trụ, khí argon³⁶ cho đến nay là đồng vị khí argon phổ biến nhất, vì nó là đồng vị dễ tạo ra nhất bởi quá trình tổng hợp hạt nhân sao trong các siêu tân tinh.

Cái tên “argon” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp từ ἀργόν, trung tính hình thức duy nhất của ἀργός có nghĩa là “lười biếng” hoặc “không hoạt động”, như một tham chiếu đến một thực tế là phải trải qua yếu tố hầu như không có phản ứng hóa học. Octet hoàn chỉnh (tám electron) trong lớp vỏ nguyên tử bên ngoài làm cho khí argon ổn định và có khả năng chống liên kết với các nguyên tố khác. Nhiệt độ điểm ba của nó là 83,8058K là một điểm cố định xác định trong thang nhiệt độ quốc tế năm 1990.

Khí argon được chiết xuất công nghiệp theo phương pháp chưng cất phân đoạn của không khí lỏng. Argon hầu hết được sử dụng làm khí che chắn trơ trong hàn và các quy trình công nghiệp nhiệt độ cao khác, nơi các chất không hoạt tính thông thường trở nên phản ứng. Ví dụ, một bầu khí quyển argon được sử dụng trong các lò điện graphit để ngăn graphit cháy.

Argon cũng được sử dụng trong đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và các ống phóng khí khác. Argon tạo ra một tia laser khí có màu xanh lam đặc biệt. Argon cũng được sử dụng trong bộ khởi động phát sáng huỳnh quang.

Nét đặc trưng của khí Argon

Argon có độ hòa tan trong nước tương đương với oxy và hòa tan trong nước nhiều hơn 2,5 lần so với nitơ. Argon không màu, không mùi, không cháy và không độc hại như chất rắn, chất lỏng hoặc khí. Argon trơ về mặt hóa học trong hầu hết các điều kiện và không tạo thành hợp chất ổn định nào được xác nhận ở nhiệt độ phòng.

Mặc dù khí argon là một loại khí quý, nó có thể tạo thành một số hợp chất trong các điều kiện khắc nghiệt khác nhau. Argon fluorohydride (HArF), một hợp chất của khí argon với flo và hydro bền dưới 17 K (−256,1°C; −429,1°F), đã được chứng minh.

Mặc dù các hợp chất hóa học trung tính ở trạng thái cơ bản của khí argon hiện nay bị giới hạn ở HArF, khí argon có thể tạo thành clathrates với nước khi các nguyên tử của khí argon bị mắc kẹt trong một mạng lưới các phân tử nước. Các ion, chẳng hạn như ArH+, và các phức chất ở trạng thái kích thích , chẳng hạn như ArF, đã được chứng minh. Tính toán lý thuyết dự đoán một số hợp chất khí argon sẽ ổn định hơn nhưng vẫn chưa được tổng hợp.

Lịch sử về khí Argon

Argon (tiếng Hy Lạp ἀργόν, dạng số ít neuter của ἀργός có nghĩa là “lười biếng” hoặc “không hoạt động”) được đặt tên liên quan đến sự không hoạt động hóa học của nó. Đặc tính hóa học của loại khí cao quý đầu tiên được phát hiện này đã gây ấn tượng với những người đặt tên cho nó. Một khí không phản ứng được Henry Cavendish nghi ngờ là một thành phần của không khí vào năm 1785.

Argon được Lord Rayleigh và Sir William Ramsay tại Đại học College London lần đầu tiên phân lập khỏi không khí vào năm 1894 bằng cách loại bỏ oxy, carbon dioxide, nước và nitơ từ một mẫu không khí sạch. Lần đầu tiên họ thực hiện được điều này bằng cách sao chép một thí nghiệm của Henry Cavendish .

Họ bỏ hỗn hợp không khí trong khí quyển với oxy bổ sung trong một ống nghiệm (A) lộn ngược trên một lượng lớn dung dịch kiềm loãng (B), mà trong thí nghiệm ban đầu của Cavendish là kali hydroxit, và truyền dòng điện qua các dây dẫn được cách điện bằng ống thủy tinh hình chữ U (CC) được bọc kín xung quanh các điện cực dây bạch kim, để các đầu của dây dẫn (DD) tiếp xúc với khí và cách điện với dung dịch kiềm.

Hồ quang được cung cấp bởi một pin gồm năm tế bào Grove và một cuộn dây Ruhmkorff có kích thước trung bình. Chất kiềm hấp thụ các oxit của nitơ được tạo ra bởi hồ quang và cả cacbon dioxit. Họ cho hồ quang hoạt động cho đến khi không còn thấy thể tích khí giảm nữa trong ít nhất một hoặc hai giờ và các vạch quang phổ của nitơ biến mất khi khí được kiểm tra. Phần oxy còn lại được phản ứng với pyrogallate kiềm để lại một loại khí dường như không phản ứng mà họ gọi là argon.

Trước khi cô lập khí, họ đã xác định rằng nitơ được tạo ra từ các hợp chất hóa học nhẹ hơn 0,5% so với nitơ từ khí quyển. Sự khác biệt là nhỏ, nhưng nó đủ quan trọng để thu hút sự chú ý của họ trong nhiều tháng. Họ kết luận rằng có một loại khí khác trong không khí trộn với nitơ. Argon cũng được bắt gặp vào năm 1882 thông qua nghiên cứu độc lập của HF Newall và WN Hartley. Từng quan sát thấy các vạch mới trong quang phổ phát xạ của không khí không khớp với các nguyên tố đã biết.

Cho đến năm 1957, biểu tượng cho argon là “A”, nhưng bây giờ nó là “Ar”.

Sự phổ biến của khí Argon

Argon chiếm 0,934% thể tích và 1,288% khối lượng của bầu khí quyển Trái đất. Không khí là nguồn công nghiệp chính của các sản phẩm argon tinh khiết. Argon được phân lập từ không khí bằng phương pháp chưng cất phân đoạn, phổ biến nhất là chưng cất phân đoạn đông lạnh , một quá trình cũng tạo ra nitơ tinh khiết , oxy , neon , krypton và xenon . Vỏ Trái đất và nước biển lần lượt chứa 1,2 ppm và 0,45 ppm argon.

Đồng vị của Argon

Các đồng vị chính của argon được tìm thấy trên Trái đất là ⁴⁰Ar (99,6%),³⁶Ar (0,34%) và ³⁸Ar (0,06%). Xảy ra tự nhiên⁴⁰K , với chu kỳ bán rã 1,25 × 10 ⁹ năm, phân rã thành ổn định ⁴⁰Ar (11,2%) bằng cách bắt điện tử hoặc phát xạ positron , và cũng ổn định ⁴⁰Ca (88,8%) bằng cách phân rã beta . Các đặc tính và tỷ lệ này được sử dụng để xác định tuổi của đá theo niên đại K – Ar.

Trong bầu khí quyển của Trái đất, ³⁹Ar được tạo ra bởi hoạt động của tia vũ trụ , chủ yếu bằng cách bắt giữ neutron của ⁴⁰Ar tiếp theo là phát xạ hai nơtron. Trong môi trường dưới bề mặt, nó cũng được tạo ra thông qua việc bắt giữ neutron bằng cách ³⁹K , tiếp theo là phát xạ proton.³⁷Ar được tạo ra từ sự bắt giữ neutron bởi ⁴⁰Ca tiếp theo là sự phát xạ hạt alpha do kết quả của các vụ nổ hạt nhân dưới bề mặt . Nó có chu kỳ bán rã 35 ngày.

 

 

Giữa các vị trí trong Hệ Mặt trời , thành phần đồng vị của argon rất khác nhau. Nơi nguồn chính của argon là sự phân hủy của K trong đá,Ar sẽ là đồng vị chiếm ưu thế, giống như trên Trái đất. Argon được sản xuất trực tiếp bởi quá trình tổng hợp hạt nhân sao bị chi phối bởi nuclide của quá trình alpha Ar . Tương ứng, argon mặt trời chứa 84,6% Ar (theo các phép đo gió mặt trời ),  và tỷ lệ của ba đồng vị  Ar:   Ar:   Ar trong khí quyển của các hành tinh bên ngoài là 8400: 1600: 1. Điều này trái ngược với mức độ phong phú thấp của nguyên thủy Ar trong bầu khí quyển của Trái đất, chỉ 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), tương đương với neon (18,18 ppmv) trên Trái đất và với khí liên hành tinh, được đo bằng tàu thăm dò .

Khí quyển của Sao Hỏa , Sao Thủy và Titan (mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ ) chứa argon, chủ yếu là Ar⁴⁰ , và hàm lượng của nó có thể cao tới 1,93% (sao Hỏa).

Sự chiếm ưu thế của chất phóng xạ Ar là lý do tại sao trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn của argon trên cạn lớn hơn trọng lượng nguyên tử tiếp theo, kali , một thực tế đã gây khó hiểu khi argon được phát hiện. Mendeleev định vị các nguyên tố trong bảng tuần hoàn của mình theo thứ tự trọng lượng nguyên tử, nhưng tính trơ của argon gợi ý một vị trí trước kim loại kiềm phản ứng . Henry Moseley sau đó đã giải quyết vấn đề này bằng cách chỉ ra rằng bảng tuần hoàn thực sự được sắp xếp theo thứ tự số nguyên tử (xem Lịch sử của bảng tuần hoàn ).

Các hợp chất Argon

Một electron hoàn chỉnh của Argon chỉ ra các vỏ con s và p đầy đủ. Lớp vỏ hóa trị đầy đủ này làm cho argon rất ổn định và có khả năng chống liên kết cực kỳ tốt với các nguyên tố khác. Trước năm 1962, argon và các khí quý khác được coi là trơ về mặt hóa học và không thể tạo thành hợp chất; tuy nhiên, các hợp chất của khí quý nặng hơn đã được tổng hợp. Hợp chất argon đầu tiên với vonfram pentacacbonyl, W(CO)5Ar, được phân lập vào năm 1975. Tuy nhiên nó không được công nhận rộng rãi vào thời điểm đó.

Vào tháng 8 năm 2000, một hợp chất argon khác, argon fluorohydride (HArF), được hình thành bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Helsinki, bằng cách chiếu tia cực tím vào argon đông lạnh có chứa một lượng nhỏ hydro florua với cesium iodide . Khám phá này khiến người ta nhận ra rằng argon có thể tạo thành các hợp chất liên kết yếu, mặc dù nó không phải là hợp chất đầu tiên.

Nó ổn định tới 17 kelvins (−256°C). Các siêu bền ArCF2 + 2 dication, có hóa trị – đẳng điện tử với cacbonyl florua và phosgene , được quan sát thấy vào năm 2010. Argon-36 , ở dạng ion argon hydrua ( argonium ), đã được phát hiện trong môi trường giữa các vì sao liên kết với siêu tân tinh Tinh vân Con cua ; đây là phân tử khí quý đầu tiên được phát hiện trong không gian vũ trụ.

Hidro argon rắn (Ar(H2)2 ) có cấu trúc tinh thể giống như pha MgZn2 Laves . Nó hình thành ở áp suất từ ​​4,3 đến 220 GPa, mặc dù các phép đo Raman cho thấy rằng các phân tử H 2 trong Ar(H2)2 phân ly trên 175 Gpa.

Sản xuất khí Argon

Argon sản xuất trong công nghiệp

Argon được chiết xuất công nghiệp theo phương pháp chưng cất phân đoạn của không khí lỏng trong một đông lạnh tách không khí đơn vị; một quá trình tách nitơ lỏng , sôi ở 77,3 K, khỏi argon, sôi ở 87,3 K và oxy lỏng , sôi ở 90,2 K. Khoảng 700.000 tấn argon được sản xuất trên toàn thế giới mỗi năm.

Trong sự phân rã phóng xạ

Ar40, đồng vị phổ biến nhất của argon, được tạo ra bởi sự phân rã của 40K với chu kỳ bán rã 1,25 × 10 9 năm bằng cách bắt giữ điện tử hoặc phát xạ positron . Do đó, nó được sử dụng trong xác định niên đại kali-argon để xác định tuổi của đá.

Các ứng dụng

Argon có một số thuộc tính mong muốn:

• Argon là một khí trơ về mặt hóa học .
• Argon là giải pháp thay thế rẻ nhất khi nitơ không đủ trơ.
• Argon có độ dẫn nhiệt thấp .
• Argon có các đặc tính điện tử (ion hóa và / hoặc phổ phát xạ) mong muốn cho một số ứng dụng.

Các khí quý khác sẽ phù hợp như nhau cho hầu hết các ứng dụng này, nhưng argon cho đến nay là rẻ nhất. Argon không đắt, vì nó xuất hiện tự nhiên trong không khí và dễ dàng thu được như một sản phẩm phụ của quá trình tách khí đông lạnh trong quá trình sản xuất oxy lỏng và nitơ lỏng : các thành phần chính của không khí được sử dụng trên quy mô công nghiệp lớn. Các khí quý khác (ngoại trừ heli ) cũng được sản xuất theo cách này, nhưng cho đến nay argon là phong phú nhất. Phần lớn các ứng dụng argon phát sinh đơn giản vì nó trơ và tương đối rẻ.

Quy trình công nghiệp

Argon được sử dụng trong một số quy trình công nghiệp nhiệt độ cao, nơi các chất không phản ứng thông thường trở nên phản ứng. Ví dụ, khí argon được sử dụng trong lò điện graphit để ngăn graphit cháy.

Đối với một số quá trình này, sự có mặt của khí nitơ hoặc oxy có thể gây ra các khuyết tật bên trong vật liệu. Argon được sử dụng trong một số loại hàn hồ quang như hàn hồ quang kim loại khí và hàn hồ quang vonfram khí , cũng như trong quá trình xử lý titan và các nguyên tố phản ứng khác. Bầu khí quyển argon cũng được sử dụng để phát triển các tinh thể silic và germani .

Argon được sử dụng trong ngành công nghiệp gia cầm để làm ngạt thở gia cầm, hoặc để tiêu hủy hàng loạt sau khi dịch bệnh bùng phát, hoặc như một phương tiện giết mổ nhân đạo hơn là gây choáng bằng điện . Argon đặc hơn không khí và chuyển ôxy xuống gần mặt đất trong quá trình ngạt khí trơ . Bản chất không phản ứng của nó làm cho nó thích hợp trong một sản phẩm thực phẩm, và vì nó thay thế oxy bên trong xác chim chết, argon cũng giúp tăng thời hạn sử dụng.

Nghiên cứu khoa học

Argon lỏng được sử dụng làm mục tiêu cho các thí nghiệm neutrino và tìm kiếm trực tiếp vật chất tối . Sự tương tác giữa các giả thuyết WIMP và một hạt nhân khí argon sản xuất nhấp nháy ánh sáng được phát hiện bởi ống nhân quang . Máy dò hai pha chứa khí argon được sử dụng để phát hiện các điện tử bị ion hóa sinh ra trong quá trình tán xạ hạt nhân WIMP.

Giống như hầu hết các khí quý hóa lỏng khác, khí argon có hiệu suất ánh sáng chiếu xạ cao (khoảng 51 photon / keV), trong suốt đối với ánh sáng chiếu xạ của chính nó và tương đối dễ tinh chế. So với xenon, khí argon rẻ hơn và có cấu hình thời gian soi sáng riêng biệt, cho phép tách độ giật điện tử khỏi độ giật hạt nhân. Mặt khác, nền tia beta nội tại của nó lớn hơn do39

Nhiễm Ar . Hầu hết  khí argon trong bầu khí quyển của Trái đất được tạo ra bằng cách bắt giữ các hạt điện tử tồn tại lâu dài ⁴⁰K (⁴⁰K + e ^– →⁴⁰Ar + ν) có trong kali tự nhiên trong Trái đất. Các Ar³⁹  Hoạt động của Ar trong khí quyển được duy trì bằng cách tạo ra vũ trụ thông qua phản ứng loại trực tiếp Ar⁴⁰ (n,2n) Ar³⁹ và các phản ứng tương tự. 

Chu kỳ bán rã của ³⁹Ar chỉ là 269 năm. Do đó, Ar dưới lòng đất, được che chắn bởi đá và nước, có ít ³⁹Ar.  Dò Dark-vấn đề hiện đang hoạt động với argon lỏng bao gồm Darkside , Warp , ArDM , microCLEAN và DEAP . Các thí nghiệm neutrino bao gồm ICARUS và MicroBooNE , cả hai đều sử dụng argon lỏng có độ tinh khiết cao trong buồng chiếu thời gian để tạo ra hình ảnh ba chiều hạt mịn của các tương tác neutrino.

Tại Đại học Linköping, Thụy Điển, khí trơ đang được sử dụng trong một buồng chân không, trong đó plasma được đưa vào để ion hóa các màng kim loại. Quá trình này tạo ra một bộ phim có thể sử dụng được để sản xuất bộ vi xử lý máy tính. Quy trình mới sẽ loại bỏ nhu cầu sử dụng hóa chất và sử dụng các vật liệu đắt tiền, nguy hiểm và quý hiếm.

Chất bảo quản

Argon được sử dụng để di chuyển không khí chứa oxy và hơi ẩm trong vật liệu đóng gói để kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm (argon có mã phụ gia thực phẩm của Châu Âu là E938). Quá trình oxy hóa trong không khí, thủy phân và các phản ứng hóa học khác làm suy giảm sản phẩm sẽ bị chậm lại hoặc bị ngăn chặn hoàn toàn. Các hóa chất và dược phẩm có độ tinh khiết cao đôi khi được đóng gói và niêm phong trong argon.

Trong sản xuất rượu vang , argon được sử dụng trong nhiều hoạt động khác nhau để cung cấp một rào cản chống lại oxy ở bề mặt chất lỏng, có thể làm hỏng rượu vang bằng cách cung cấp năng lượng cho cả quá trình trao đổi chất của vi sinh vật (như với vi khuẩn axit axetic ) và quá trình oxy hóa khử tiêu chuẩn .

Argon đôi khi được sử dụng làm chất đẩy trong các bình khí dung .

Argon cũng được sử dụng làm chất bảo quản cho các sản phẩm như vecni , polyurethane và sơn, bằng cách dịch chuyển không khí để chuẩn bị một thùng chứa để bảo quản.

Kể từ năm 2002, Cơ quan Lưu trữ Quốc gia Hoa Kỳ lưu trữ các tài liệu quốc gia quan trọng như Tuyên ngôn Độc lập và Hiến pháp trong các hộp chứa đầy argon để ngăn chặn sự xuống cấp của chúng. Argon được ưa chuộng hơn so với heli đã được sử dụng trong 5 thập kỷ trước đó, vì khí heli thoát ra qua các lỗ rỗng giữa các phân tử trong hầu hết các bình chứa và phải được thay thế thường xuyên.

Thiết bị phòng thí nghiệm

Hộp đựng găng tay thường chứa đầy argon, khí này tuần hoàn trong bộ lọc để duy trì bầu không khí không có oxy -, nitơ – và hơi ẩm.

Argon có thể được sử dụng làm khí trơ trong dây chuyền và hộp đựng găng tay của Schlenk . Argon được ưu tiên hơn nitơ rẻ tiền hơn trong trường hợp nitơ có thể phản ứng với thuốc thử hoặc thiết bị.

Argon có thể được sử dụng làm khí mang trong sắc ký khí và phổ khối lượng ion hóa tia điện ; nó là khí được lựa chọn cho plasma được sử dụng trong quang phổ ICP . Argon được ưa thích cho lớp phủ phún xạ của các mẫu vật để quét kính hiển vi điện tử . Khí argon cũng thường được sử dụng để lắng đọng phún xạ các màng mỏng như trong vi điện tử và làm sạch wafer trong chế tạo vi mô .

Sử dụng y tế

Các quy trình phẫu thuật lạnh như áp lạnh sử dụng khí argon lỏng để tiêu diệt mô như tế bào ung thư . Nó được sử dụng trong một thủ tục được gọi là “đông máu tăng cường khí argon”, một hình thức của phẫu thuật điện chùm tia plasma khí argon . Thủ thuật này có nguy cơ tạo ra thuyên tắc khí và dẫn đến cái chết của ít nhất một bệnh nhân.

Laser khí argon xanh được sử dụng trong phẫu thuật để hàn động mạch, tiêu diệt khối u, sửa các khuyết tật ở mắt.

Argon cũng đã được sử dụng trong thực nghiệm để thay thế nitơ trong hỗn hợp thở hoặc giải nén được gọi là Argox , để tăng tốc độ loại bỏ nitơ hòa tan khỏi máu.

Thắp sáng

Đèn phóng khí argon tạo thành biểu tượng cho argon “Ar”

Đèn sợi đốt được làm đầy bằng khí argon, để bảo quản các dây tóc ở nhiệt độ cao khỏi bị oxy hóa. Nó được sử dụng cho cách thức cụ thể mà nó ion hóa và phát ra ánh sáng, chẳng hạn như trong quả cầu plasma và phép đo nhiệt lượng trong vật lý hạt thực nghiệm . Đèn phóng điện chứa đầy khí argon tinh khiết cung cấp ánh sáng tím, với khí argon và một ít thủy ngân, ánh sáng xanh lam. Argon cũng được sử dụng cho laser ion argon xanh lam và xanh lục .

Sử dụng khác

Argon được sử dụng để cách nhiệt trong các cửa sổ tiết kiệm năng lượng . Argon cũng được sử dụng trong lặn biển kỹ thuật để làm phồng một bộ đồ khô vì nó trơ và có độ dẫn nhiệt thấp.

Argon được sử dụng như một chất đẩy trong quá trình phát triển Tên lửa Magnetoplasma Xung kích cụ thể có thể thay đổi (VASIMR). Khí argon nén được phép nở ra, để làm mát đầu dò của một số phiên bản tên lửa AIM-9 Sidewinder và các tên lửa khác sử dụng đầu tìm nhiệt được làm mát. Khí được bảo quản ở áp suất cao .

Argon-39, với chu kỳ bán rã 269 năm, đã được sử dụng cho một số ứng dụng, chủ yếu là xác định niên đại lõi băng và nước ngầm . Ngoài ra, xác định niên đại kali-argon và xác định niên đại argon-argon liên quan được sử dụng để xác định niên đại các loại đá trầm tích , biến chất và mácma .

Argon đã được sử dụng bởi các vận động viên như một chất doping để mô phỏng tình trạng thiếu oxy . Năm 2014, Cơ quan Chống Doping Thế giới (WADA) đã thêm khí  argon và xenon vào danh sách các chất và phương pháp bị cấm, mặc dù tại thời điểm này không có thử nghiệm đáng tin cậy nào về việc lạm dụng.

Sự an toàn khi sử dung khí Argon

Mặc dù khí argon không độc nhưng nó đậm đặc hơn 38% so với không khí và do đó được coi là một chất gây ngạt nguy hiểm trong các khu vực kín. Rất khó phát hiện vì nó không màu, không mùi, không vị.

Một sự cố năm 1994, trong đó một người đàn ông bị ngạt thở sau khi đi vào đoạn ống dẫn dầu chứa đầy khí argon đang được xây dựng ở Alaska , nêu bật mối nguy hiểm của việc rò rỉ bình khí argon trong không gian hạn chế và nhấn mạnh sự cần thiết phải sử dụng, bảo quản và xử lý đúng cách.