Защитные газы. Инертные, активные газы и смеси. Общие технические требования

Физические свойства

Менделеев открытие аргона расценивал как испытание периодического закона. Ведь если аргон существует, то он должен стоять на месте калия, однако это противоречило бы закону периодической повторяемости свойств элементов.

Испытание было выдержано с успехом. Открытие гелия на Земле позволило предположить наличие отдельной группы. Из-за инертности газов их выделили в нулевую группу. Рамзай был непоколебимым сторонником периодического закона Менделеева и, опираясь на него, предсказал, а потом уже открыл неон, криптон и ксенон.

Радон был обнаружен в 1900 году, как результат распада радиоактивного радия. Сам он также подвергался дальнейшему распаду. Превращаемость элементов, стала доказанным фактом и новые открытия, обусловленные развитием техники.

Инертные газы имеют следующие физические свойства:

• они не обладают ни цветом, ни запахом;
• их с трудом можно обратить в жидкое состояние;
• с возрастанием поляризуемости молекул от гелия к радону, повышается их способность растворяться в воде;
• они могут легко растворяться в органических растворителях, например, спирте или бензине;
• они способны адсорбироваться на поверхности активированного угля при низких температурах, что дает возможность проводить их очистку и разделение;
• у гелия очень высока способность проникать в другие химические элементы, он может просачиваться сквозь стенки различных сосудов (стеклянных, пластмассовых и некоторых металлических).

При помощи масс-спектрографа у всех инертных газов обнаружены изотопы. В природе у гелия наименьшее количество стабильных изотопов — 2, у ксенона — наибольшее 9. У радона стабильных изотопов не обнаружено.

Получение и использование аргона

В промышленности благородные газы получили широкое применение. Наиболее доступный из них — аргон. Его получают из воздуха методом двойной ректификации при низких температурах. Воздух очищают от углекислоты и влаги, сжижают с помощью глубокого холода и подают в ректификационную колонну.

Сравнительно легко выделяют азот, а вот с кислородом труднее. Температура кипения его и аргона близки. Способом двойной ректификации кислород отделяется, и сырой аргон поступает в блок тонкой адсорбционной очистки.

Адсорбция идет на синтетических цеолитах, так называемых молекулярных ситах. Благодаря этому методу аргон получается очень чистым, практически без примеси.

Основная область применения аргона — металлургическая и металлообрабатывающая промышленность. Аргонодуговая сварка очень высокопроизводительна и обеспечивает хорошее качество шва.

Другой способ получения аргона, а также криптона и ксенона основан на методе адсорбции из отходящих газов при синтезе аммиака.

Инертные газы

Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Это одноатомные газы, атомы которых имеют заполненные электронами наружные электронные оболочки, чем и обусловлена их химическая инертность. Из инертных газов для сварки используют аргон, гелий и их смеси.

Аргон марки Арекомендуется применять для сварки и плавки активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе,а также для сварки особо ответственных изделий из других материалов на заключительных этапах изготовления.

Аргон марки Б предназначен для сварки и плавки плавящимся и неплавящимся вольфрамовым электродом сплавов на основе алюминия и магния, а также других сплавов, чувствительных к примесям растворимых в металле газов.

Аргон марки Врекомендуется для сварки и плавки хромоникелевых коррозионно стойких и жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок и чистого алюминия.

Гелийподобно аргону химически инертен, но в отличие от него значительно более легок. Гелий легче воздуха, что усложняет защиту сварочной ванны и требует большего расхода защитного газа. По сравнению с аргоном гелий обеспечивает более интенсивный нагрев зоны сварки, что обусловливается большим градиентом падения напряжения в дуге. Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий высокой чистоты и гелий технический.

Инертные газовые смеси:

Аргон и гелий. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха. Особенно хорошими защитными свойствами обладает инертная газовая смесь, состоящая из 70 об.% аргона и 30. об.% гелия. Плотность такой смеси близка к плотности воздуха. Для сварки химически активных металлов находит применение инертная смесь, содержащая 60—65 об. % гелия, а остальное аргон.Инертные газовые смеси хотя заметно дороже, чем аргон, но превосходят его по интенсивности выделения теплоты электрической дуги в зоне сварки. Это имеет существенное значение при сварке металлов с высокой теплопроводностью.

Смеси инертных и активных газов находят все более широкое применение при сварке плавящимся электродом сталей различных классов ввиду их технологических преимуществ:

• меньшей по сравнению с активными газами интенсивностью химического воздействия на металл сварочной ванны;
• высокой устойчивости дугового процесса;
• благоприятного характера переноса электродного металла через дугу.

Аргон и кислород (другой окислительный газ). существенно повышает устойчивость горения дуги и улучшает качество формирования сварных швов. Наличие кислорода в атмосфере дуги способствует более мелко капельному переносу электродного металла. Это обусловлено поверхностно-активным действием кислорода на железо и его сплавы.Растворяясь в жидком металле и скапливаясь преимущественно на поверхности,кислород значительно снижает его поверхностное натяжение. В результате облегчается образование отдельных капель металла, а их размер уменьшается.Поэтому для сварки стали применяют не чистый аргон, а смеси с кислородом и углекислым газом Аr—О₂, Аr—СО₂, Аr—СО₂—О₂.

Аргоно-водородную смесь (до 20 об. %Н2) применяют при микроплазменной сварке. Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более острым, сконцентрированным. Кроме того,водород создает в зоне сварки необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.

Опровержение теории химической инертности

По плотности они делятся на легкие: гелий и неон и тяжелые — все остальные. Гелий самый легкий газ в природе, он легче воздуха в 7 раз. Аргон открывает группу тяжелых газов. Жидкий аргон тяжелее не только воздуха, но и воды.

С увеличением поляризуемости от гелия к радону, увеличиваются радиусы атомов, а также возрастает растворимость в воде и абсорбируемость. Газообразный гелий с трудом можно собрать в закрытый сосуд. Аргон, по сравнению с гелием, уже более вязкий. Его можно перелить из сосуда в сосуд. С увеличением атомной массы и радиуса атома у газов уменьшается теплопроводность, повышается температура кипения. Кроме того, увеличивается возможность деформации внешних электронных слоёв, а значит создается предпосылка химической связи.

Для сжижения благородных газов нужны сверхнизкие температуры, особенно для гелия. У жидкого гелия обнаружено уникальное свойство — сверхтекучесть.

Это подтверждается простым опытом. Если погрузить пробирку в сосуд с жидким гелием, то жидкость будет ползти вверх по наружной стенке пробирки и опускаться по внутренней. Если пробирку приподнять, то гелий начинает двигаться в обратную сторону, выравнивая уровни. Когда пробирку вынимают, то гелий продолжает стекать по ней и капать вниз.

Это свойство у гелия открыл советский физик, академик Петр Леонидович Капица. В 1962 году канадский химик Нил Бартлетт, наконец, опроверг теорию химической инертности благородных газов. Ему удалось в процессе гетерогенного катализа синтезировать соединение ксенона с гексафторидом платины (Xe+PtF6=Xe (PtF6)x).

Событие это было также сенсационно, как заявление Рамзая об инертности аргона. Это позволило инертным газам покинуть нулевую группу. Инертные газы в таблице Менделеева справедливо заняли свое место в восьмой группе.

Правда, еще до открытия Бартлетта были получены клатратные соединения тяжелых инертных газов. При относительно высоких давлениях молекулы газов, в этом случае криптона, плотно окружаются молекулами гидрохинона и включаются в них.

В клатратных соединениях связь молекулярная, валентные электроны в них не взаимодействуют. Клатраты нестойкие соединения, в растворах они быстро распадаются на составные части. Их можно использовать как удобные формы для хранения благородных газов.