إذا طلب منك أحدهم تسمية أكثر ثلاثة غازات وفرة في الغلاف الجوي للأرض ، فيمكنك اختيار الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين بترتيب ما. إذا كان الأمر كذلك ، فستكون على حق - في الغالب. إنها حقيقة غير معروفة أن وراء النيتروجين (N.2) والأكسجين (O2) ، فإن ثالث أكثر الغازات وفرة هو غاز الأرجون النبيل ، حيث يمثل أقل من 1٪ من التركيب غير المرئي للغلاف الجوي.
تستمد الغازات النبيلة الستة اسمها من حقيقة أن هذه العناصر ، من وجهة نظر الكيمياء ، معزولة ، بل وحتى المتغطرسة: لا تتفاعل مع العناصر الأخرى ، لذلك لا ترتبط بذرات أخرى لتشكل أكثر تعقيدًا مجمعات سكنية. وبدلاً من جعلها عديمة الفائدة في الصناعة ، فإن هذا الميل إلى مراعاة الأعمال الذرية الخاصة بالفرد هو ما يجعل بعض هذه الغازات في متناول اليد لأغراض محددة. خمسة استخدامات رئيسية للأرجون ، على سبيل المثال ، تشمل وضعه في أضواء النيون ، وقدرته على المساعدة في تحديد عمر مواد قديمة جدا ، استعماله كعازل في تصنيع المعادن ، دوره كغاز لحام واستخدامه في ثلاثي الأبعاد الطباعة.
أساسيات نوبل للغاز
الغازات النبيلة الستة - الهيليوم والنيون والأرجون والكريبتون والزينون والرادون - تحتل العمود الموجود في أقصى اليمين في الجدول الدوري للعناصر. (ينبغي أن يكون أي فحص لعنصر كيميائي مصحوبا بجدول دوري ؛ انظر الموارد للحصول على مثال تفاعلي.) الآثار الواقعية لهذا هو أن الغازات النبيلة ليس لها إلكترونات قابلة للمشاركة. بدلاً من ذلك ، مثل صندوق الألغاز الذي يحتوي على العدد الصحيح تمامًا من القطع ، لا يحتوي الأرجون وأبناء عمومته الخمسة على أي ذرية فرعية النقص الذي يجب تعديله من خلال التبرعات من العناصر الأخرى ، وليس لديه أي إضافات عائمة للتبرع بها منعطف أو دور. المصطلح الرسمي لعدم تفاعل الغازات النبيلة هو "خامل".
مثل اللغز المكتمل ، يكون الغاز النبيل مستقرًا كيميائيًا جدًا. هذا يعني أنه ، مقارنة بالعناصر الأخرى ، من الصعب ضرب الإلكترونات الخارجية من الغازات النبيلة باستخدام حزمة من الطاقة. هذا يعني أن هذه العناصر - العناصر الوحيدة الموجودة كغازات في درجة حرارة الغرفة ، والعناصر الأخرى جميعها سوائل أو مواد صلبة - لديها ما يسمى طاقة تأين عالية.
الهيليوم ، مع بروتون واحد ونيوترون واحد ، هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون بعد الهيدروجين ، والذي يحتوي على بروتون فقط. تفاعل الاندماج النووي العملاق المستمر المسؤول عن كون النجوم أجسامًا فائقة السطوع هي ليست أكثر من عدد لا يحصى من ذرات الهيدروجين التي تصطدم لتكوين ذرات الهيليوم على مدى فترة من المليارات سنوات.
عندما يتم تمرير الطاقة الكهربائية من خلال غاز نبيل ، ينبعث الضوء. هذا هو الأساس لعلامات النيون ، وهو مصطلح عام لأي عرض تم إنشاؤه باستخدام غاز نبيل.
خصائص الأرجون
الأرجون ، المختصر Ar ، هو العنصر رقم 18 في الجدول الدوري ، مما يجعله ثالث أخف الغازات النبيلة الستة خلف الهيليوم (العدد الذري 2) والنيون (الرقم 10). كما يليق بالعنصر الذي يطير تحت الرادار الكيميائي والفيزيائي ما لم يتم استفزازه ، فهو عديم اللون والرائحة والمذاق. يبلغ وزنه الجزيئي 39.7 جرامًا لكل مول (يُعرف أيضًا باسم daltons) في تكوينه الأكثر استقرارًا. قد تتذكر من قراءة أخرى أن معظم العناصر تأتي في نظائر ، وهي إصدارات من نفس العنصر بأرقام مختلفة من النيوترونات وبالتالي الكتل المختلفة (عدد البروتونات لا يتغير وإلا فإن هوية العنصر نفسه يجب أن يتغيرون). هذا له آثار حاسمة في أحد الاستخدامات الرئيسية للأرجون.
استخدامات الأرجون
أضواء النيون: كما هو موصوف ، الغازات النبيلة في متناول اليد لإنشاء أضواء النيون. يستخدم الأرجون مع النيون والكريبتون لهذا الغرض. عندما تمر الكهرباء عبر غاز الأرجون ، فإنها تثير مؤقتًا الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي وتتسبب في قفزها لفترة وجيزة إلى "غلاف" أعلى أو مستوى طاقة أعلى. عندما يعود الإلكترون بعد ذلك إلى مستوى طاقته المعتاد ، فإنه يصدر فوتونًا - حزمة من الضوء عديمة الكتلة.
المواعدة بالنظائر المشعة: يمكن استخدام الأرجون جنبًا إلى جنب مع البوتاسيوم ، أو K ، وهو العنصر رقم 19 في الجدول الدوري ، لتحديث الأشياء التي يصل عمرها إلى 4 مليارات سنة. تعمل العملية على النحو التالي:
يحتوي البوتاسيوم عادةً على 19 بروتونًا و 21 نيوترونًا ، مما يمنحه نفس الكتلة الذرية للأرجون (أقل بقليل من 40) ولكن بتركيبة مختلفة من البروتونات والنيوترونات. عندما يصطدم جسيم مشع يعرف باسم جسيم بيتا بالبوتاسيوم ، يمكنه تحويل أحد الجسيمات المشعة البروتونات في نواة البوتاسيوم إلى نيوترون ، وتغيير الذرة نفسها إلى الأرجون (18 بروتون ، 22 النيوترونات). يحدث هذا بمعدل يمكن التنبؤ به وثابت بمرور الوقت ، وببطء شديد. لذلك إذا فحص العلماء عينة من الصخور البركانية ، على سبيل المثال ، فيمكنهم مقارنة نسبة الأرجون إلى البوتاسيوم في العينة (التي ترتفع تدريجياً بمرور الوقت) إلى النسبة التي يمكن أن توجد في عينة "جديدة تمامًا" ، وتحديد عمر الصخرة هو.
لاحظ أن هذا يختلف عن "التأريخ بالكربون" ، وهو مصطلح يستخدم بشكل خاطئ للإشارة بشكل عام إلى استخدام طرق التحلل الإشعاعي لتأريخ الأجسام القديمة. التأريخ الكربوني ، وهو مجرد نوع محدد من التأريخ بالنظائر المشعة ، مفيد فقط للأشياء المعروفة بأنها كانت في حدود آلاف السنين.
درع الغاز في اللحام: يستخدم الأرجون في لحام السبائك المتخصصة وكذلك في لحام إطارات السيارات وكواتم الصوت وأجزاء السيارات الأخرى. يطلق عليه غاز الدرع لأنه لا يتفاعل مع أي غازات ومعادن تحوم بالقرب من المعادن التي يتم لحامها ؛ إنه يشغل مساحة ويمنع التفاعلات الأخرى غير المرغوب فيها من الحدوث في مكان قريب بسبب الغازات التفاعلية مثل النيتروجين والأكسجين.
المعالجة الحرارية: كغاز خامل ، يمكن استخدام الأرجون لتوفير بيئة خالية من الأكسجين والنيتروجين لعمليات المعالجة الحرارية.
طباعة ثلاثية الأبعاد: يتم استخدام الأرجون في المجال المزدهر للطباعة ثلاثية الأبعاد. أثناء التسخين والتبريد السريع لمواد الطباعة ، سيمنع الغاز أكسدة المعدن وردود الفعل الأخرى ويمكن أن يحد من تأثير الإجهاد. يمكن أيضًا خلط الأرجون مع الغازات الأخرى لإنشاء مزيج خاص حسب الحاجة.
إنتاج المعادن: على غرار دوره في اللحام ، يمكن استخدام الأرجون في تصنيع المعادن عبر عمليات أخرى لأنه يمنع الأكسدة (الصدأ) ويزيل الغازات غير المرغوب فيها مثل أول أكسيد الكربون.
أخطار الأرجون
لسوء الحظ ، لا يعني كون الأرجون خامل كيميائيًا أنه خالٍ من المخاطر الصحية المحتملة. يمكن أن يتسبب غاز الأرجون في تهيج الجلد والعينين عند ملامسته ، ويمكن أن يتسبب في شكله السائل في الإصابة بقضمة الصقيع (هناك استخدامات قليلة نسبيًا لزيت الأرجون و "زيت الأرغان" ، وهو عنصر شائع في مستحضرات التجميل ، لا يشبه حتى عن بعد الأرجون). مستويات عالية من غاز الأرجون في الهواء في بيئة مغلقة يمكن أن تحل محل الأكسجين وتؤدي إلى مشاكل في الجهاز التنفسي تتراوح من خفيفة إلى شديدة ، اعتمادًا على كمية الأرجون الموجودة. ينتج عن هذا أعراض الاختناق بما في ذلك الصداع والدوار والارتباك والضعف والرعشة في النهاية المعتدلة والغيبوبة وحتى الموت في الحالات القصوى.
في الحالات المعروفة لتعرض الجلد أو العين ، يكون الشطف والشطف بالماء الدافئ هو العلاج المفضل. عند استنشاق الأرجون ، قد يتطلب الأمر دعمًا قياسيًا للجهاز التنفسي ، بما في ذلك الأوكسجين عن طريق القناع ، لإعادة مستويات الأكسجين في الدم إلى طبيعتها ؛ من الضروري بالطبع إخراج الشخص المصاب من البيئة الغنية بالأرجون.