Информация

РЕДКИЕ (БЛАГОРОДНЫЕ, ИНЕРТНЫЕ) ГАЗЫ

Через четверть века после создания Д.И.Менделеевым периодической системы элементов была открыта новая группа веществ: гелий, неон, аргон, и ксенон. Все они обладали характерным свойством — в обычных условиях не вступали в химические реакции. К началу XX-го века химиками было предложено выделить пятерку газов в новую группу. Иногда инертные газы называют благородными, подобно металлам (золоту и платине), которые также практически не вступают в химические реакции. Понятие «благородные» подчеркивает не только активность названных газов. Они, подобно золоту, встречаются в Природе в очень малых количествах. Основным источником редких газов является атмосфера Земли. Помимо азота и кислорода, она содержит около 0,93% аргона, 0,0018% неона, 0,000524% гелия, 0,000114% криптона и 0,0000086% ксенона.

— наиболее распространенный в атмосфере инертный газ. Относительно доступен также гелий. Несмотря на ограниченное количество «солнечного» газа в атмосфере, он в больших количествах добывается из природного газа. Доля гелия в углеводородах составляет от 0,3 до 2%.

Области применения редких газов:

СВЕТОТЕХНИКА

Все инертные газы были обнаружены по характерному свечению линий спектра при пропускании через слой газа электрического тока. Свечение неона в электрическом разряде было впервые применено только в 1911 г. Яркое излучение неона хорошо известно по рекламе. Характерное красное свечение неоновых светильников видно на дальних расстояниях, так как эти лучи слабо поглощаются воздухом и мало рассеиваются капельками тумана. До последнего времени практически весь получаемый неон использовался именно в светотехнике. Трубки неоновой рекламы заполняются смесью от 20 до 80% Ne. Неон применяется также в лампах тлеющего разряда (светодиодах). Давление неона в таких приборах составляет 5—20 мм.рт.ст. т.е. в 40...100 раз ниже атмосферного уровня (760 мм.рт.ст.).

Еще более широко используются в светотехнике криптон и ксенон. Они обладают уникальными теплофизическими свойствами — низкой теплопроводностью и высокой плотностью. Поэтому Kr и Хе являются газами-наполнителями при производстве мощных источников света для автомобилей, маяков и прожекторов. Применения тяжелых инертных газов позволяет при том же сроке службы повысить температуру ламповых нитей. За счет этого снижаются тепловые потери в осветительных приборах, а КПД лампы накаливания повышается с 6 до 12%.

Смеси криптона и аргона необходимы для заполнения экономичных люминесцентных ламп. Ксенон при высоком давлении (десятки атмосфер) используется в лампах большой яркости. В импульсных источниках света (вспышках) и ультрафиолетовых лампах также применяют тяжелые инертные газы (Kr и Хе).

МЕДИЦИНА

До недавнего времени применение ксенона в медицине ограничивалось, в основном, областью функциональной диагностики. В тканях Хе слабо растворим и способен быстро покидать организм через легкие. По скорости «рассасывания» Хе можно судить о состоянии мышечного кровотока. При ингаляционном воздействии изотопа 133Хе получают информацию о состоянии легких. Другой изотоп 129Хе начал применяться в компьютерной томографии.

Ксенон находит все большее применение в хирургических клиниках как идеальное усыпляющее средство. При этом Хе экологически безопасен, не горюч, не токсичен и лишен запаха и цвета. Криптон также используется в анестезии. Благодаря хорошей растворимости в жидкостях организма криптон оказывает такое же действие на человека, как ксенон, но при повышенных давлениях среды.

В медицинской практике находит применение в составе кислородно-гелиевых смесей. В соотношении 40÷60 гелиокс (кислородо-гелиевая смесь) достаточно широко используется при лечении различных форм дыхательной недостаточности, а также в виде компонента кислородной смеси при искусственной вентиляции легких во время общей анестезии.

ДЫХАТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ

«Подвижность» гелия и неона, а также их малая растворимость в организме обусловили введение этих газов в состав глубоководных дыхательных смесей. Азот воздуха, интенсивно растворяющийся в крови, при высоком давлении вызывает наркотическое состояние, сходное с опьянением. На глубинах >50 м водолазы теряют работоспособность, у них притупляется инстинкт самосохранения. При вдыхании «неоно-гелиевого воздуха» наркотического состояния у подводников не отмечается даже при работе на глубине 200—300 м. Таким особым «воздухом» дышат океанавты, спасатели и люди, вынужденно работающие при повышенных давлениях на строительстве и обслуживании нефтяных платформ.

КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА

Неон используется как рабочее тело в установках для охлаждения сверхпроводящих кабелей. Неоновые циклы применяют для холодильного обеспечения процессов сверхпроводимости и разделения неоногелиевой смеси. С помощью неоновых установок проводят криогенно-прочностные испытания термоизоляции и конструкционных материалов. Использование неона в качестве рабочего тела почти перекрывает интервал между температурными уровнями твердого азота и жидкого водорода. По сравнению с водородом неон отличается рядом преимуществ, важнейшим из которых является взрывобезопасность.

Наиболее разнообразны области криогенного использования гелия. Не — самый низкотемпературный холодильный агент. Достижение сверхнизких температур благоприятствует познанию строения вещества. При нагреве материи тонкие детали энергетических спектров «маскируются» тепловым движением атомов.

Большие количества гелия необходимы в крупных имитаторах космических условий для криогенного обеспечения сверхпроводящих устройств и термоядерных установок.

Жидкие гелий и неон находят применение в криовакуумных насосах. Их работа основана на вымораживании примесей на охлажденной поверхности ловушки.

В криогенной технике аргон используется как рабочее тело дроссельных охладителей. Чистый Ar обеспечивает достижение температур порядка 90К, а в смесях с другими газами — от 100 до 200К.

ЭЛЕКТРОНИКА

Полупроводниковая промышленность потребляет аргон высокой степени чистоты как защитную среду в производстве искусственных монокристаллов элементарного кремния, титаната бария и других полупроводниковых материалов.

Неон и ксенон используются при производстве плоских телевизоров нового поколения — плазменных экранов. Изображение в них формируется из миллионов точек светящегося люминофора трех цветов - красного, синего и зеленого. Эти точки представляют собой ячейки толщиной порядка 0,1 мм, заполненные смесью инертных газов (90% Ne и 10% Xe). При подаче напряжения около 200 В возникает электрический разряд плазмы, и ионизированный газ испускает ультрафиолетовое излучение. Оттенок света зависит от состава смеси и типа люминофора, преобразующего излучение в видимый спектр. Применение плазменных дисплеев все более расширяется, и значительная часть производимых неона и ксенона используются именно для заполнения плоских телевизионных экранов.

МЕТАЛЛУРГИЯ И СВАРКА

В металлургической промышленности аргон используют для удаления из сталей газовых примесей. Посторонние газовые включения в отливках снижают прочность деталей машин, аппаратов и приборов. Водород, окись углерода, кислород и азот удаляют из расплавленного металла путем аргонового дутья.

Развитие атомной промышленности и космонавтики привело к разработке и использованию сложных металлургических процессов с применением на их отдельных стадиях аргона и гелия высокой чистоты. Металлургия редких металлов и горячая обработка вольфрама, ниобия, молибдена, циркония и качественных сталей требуют значительных количеств инертных газов, преимущественно аргона очень высокой степени очистки.

Аргон и гелий используют в качестве защитной среды при сварке магниевых, алюминиевых и других легких сплавов, некоторых высоколегированных сталей, титановых сплавов и др. Защитная среда газа предохраняет шов от окисления в процессе электросварки, а также исключает образование в нем шлака и неоднородности структуры. При сварке в защитной среде отпадает необходимость во флюсах и электродных покрытиях. Этот способ отличается высокой производительностью и широкими возможностями для использования автоматов и полуавтоматов.

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Неоногелиевая смесь с содержанием неона от 2 до 20% является рабочей средой газовых лазеров. Они используются при организации лазерных шоу, в голографии, бесконтактном анализе крови, настройке взаимного положения деталей в строительстве и машиностроении. Неоногелиевые лазеры служили в первых моделях лазерных принтеров, проигрывателей компакт-дисков и сканеров штрихкодов.

Весь набор инертных газов, включая криптон и ксенон, используется в эксимерных лазерах. Типичные составы газовых смесей: 3% Kr + 97% Ne; 10% Ar + 25% Ne, остальное — гелий; 9% Ar, 33% He, остальное — неон.

Эксимерные лазеры были разработаны в 70-х годах. Их название происходит от «Excited Dimer» — излучение создается за счет возбуждения двухатомных молекул. Эксимерные лазеры могут производить свет, состоящий из 6 спектральных линий. Эти лазеры применяются для производства полупроводников, в медицине — для лазерной коррекции зрения и для удаления тромбов, при операциях на миокарде.

АЭРОНАВТИКА

Первым применением гелия в 1915 году стало военное воздухоплавание. С помощью дирижаблей, наполненных гелием, немцы начали бомбить Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий оказался незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов взамен горючего водорода. Последний стал причиной гибели десятков аэростатов из-за неполадок в двигателях и атмосферных разрядов.

Подъемная сила гелия всего на 8 % меньше, чем водорода. При этом гелий медленнее утекает через оболочку. В годы войны американцами было изготовлено более 150 патрульных дирижаблей. Они могли длительное время находиться в полете при любой погоде, расходуя по сравнению с самолетом всего 5% топлива.

ЗАПОЛНЕНИЕ СТЕКЛОПАКЕТОВ

Повышение термического сопротивления окон приводит к снижению расхода энергии на отопление и улучшению комфортных условий. Для этих целей пространство между стеклами наполняют газом, имеющим низкую теплопроводность, например, аргоном или криптоном.

При заполнении объема криптоном расстояние между стеклами может быть уменьшено на 30%. «Криптоновое» окно с тройным остеклением обладает такими же изоляционными свойствами, как кирпичная стена! Использование герметичных стеклопакетов с «тяжелыми» инертными газами, особенно актуально при остеклении современных высотных зданий в районах с холодным и жарким климатом.  

Физические свойства	Ед. изм.	Воздух	Аргон (Ar)	Криптон (Kr)	Ксенон (Xe)
Кол-во газа в атмосфере	%	100	0,93	0,000114	0,0000086
Молекулярная масса	Kg Kmol	29,0	39,9	83,8	131,3
Плотность при 200С и 0,1 МПа	Kg Mi	1,2	1,66	3,48	5,49
Коэффициент теплопроводности	W mK	0,025	0,017	0,009	0,005
Теплопроводность по отношению к воздуху	%	100	68	36	20

ХРОМАТОГРАФИЯ

В газовом хроматографе введенная в прибор проба продвигается через слой сорбента под воздействием газа-носителя. В качестве такого вещества выбирают плохо поглощаемый газ, которого нет в составе анализируемой смеси. В большинстве случаев — это гелий или аргон.

На основе гелия и аргона обычно готовят поверочные газовые смеси — эталоны с заданным составом примесей.

 

КОСМОС

Неон применяется в космической технике как твердый криоагент для охлаждения датчиков радиотелескопов. В запущенном недавно спутнике для изучения черных дыр с рентгеновским телескопом, охлаждаемым сверхтекучим гелием, используется предварительное охлаждение твердым неоном. Неон на космических объектах расходуется однократно (компрессор не предусмотрен). Его потери невосполнимы, так как пары хладагента выбрасываются в космическое пространство.

Значительно более масштабным может оказаться применение ксенона для ионных двигателей. По сравнению с обычным ракетоносителем масса топлива уменьшается в сотни раз.

NASA собирается задействовать ионные двигатели в серии низкоорбитных спутников и микродвигателей космических буксиров. Ионные двигатели используются также для коррекции орбиты геостационарных объектов.

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

Гелий — лучший среди газовых теплоносителей. Он обладает высокими значениями теплоемкости и теплопроводности при малой плотности. К тому же он химически инертен и не становится радиоактивным.

Для эксплуатации ядерных реакторов и изучения процессов распада служит измерительная техника, основанная на использовании редких газов и их изотопов. В частности, жидкие гелий, неон и ксенон применяются для исследования частиц высоких энергий в пузырьковых камерах.

Применение аргона и гелия в МГД-генераторах способствует снижению температуры плазмы в процессе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.