ПМ-19 хімія 18.11.21

 

18.11.2021

Лекція  (2 год.)

Тема 2.5. Аргон. Фізичні властивості аргону. Добування ацетилену, кисню, аргону в промисловості.

Опрацювати: матеріал лекції.

Виконати (письмово):

1. Конспект лекції

2. Для самостійного вивчення:

Тема 2.6. Застосування в зварюванні ацетилену, кисню, аргону.

 

Аргон.

У перекладі з грецької "argon" означає "повільний" або "неактивний". Таке визначення газ аргон отримав завдяки своїм інертним властивостям, що дозволяє широко використовувати його в багатьох промислових і побутових цілях.

 

Хімічний елемент Ar

Ar - 18-й елемент періодичної таблиці Менделєєва, що відноситься до родини інертних газів. Ця речовина є третьою після N (Нітрогену) та O (Оксигену) за вмістом в атмосфері Землі. У звичайних умовах - безбарвний, не горючий, не отруйний, без смаку та запаху газ.

 

Інші властивості газу аргону:

• атомна маса: 39,95;
• вміст у повітрі: 0,9% за об᾽ємом та 1,3%  за масою;
• густина за  нормальних умов: 1,78 кг/м³;
• температура кипіння: -185,85 °С
• температура плавлення: -189,35 °С.

Цей елемент було відкрито Джоном Стреттом і Вільямом Рамзаєм у складі повітря. Розбіжність густини при різних хімічних випробуваннях наштовхнула вчених на думку, що в атмосфері, крім азоту та кисню, є інертний важкий газ. У результаті у 1894 р. було зроблено заяву про відкриття хімічного елемента, частка якого на кожен кубометр повітря становить 15 г.

 

Як добувають аргон

Ar не піддається змінам у процесі його використання і завжди повертається в атмосферу. Тому вчені вважають це джерело невичерпним. Він видобувається як супутній продукт при розподілі повітря на кисень і азот за допомогою низькотемпературної ректифікації.

 

Для реалізації цього методу застосовуються спеціальні повітророзділювальні апарати, що складаються з колон високого, низького тиску та конденсатора-випаровувача. В результаті процесу ректифікації (поділу) виходить аргон з невеликими домішками (3-10%) азоту та кисню. Щоб очистити газ, домішки забираються за допомогою додаткових хімічних реакцій. Сучасні технології дозволяють досягти 99,99% чистоти цього продукту.

  

Зберігається та транспортується газ аргон у сталевих балонах (ГОСТ 949-73), які мають сірий колір із смугою та відповідним написом зеленого або білого кольору. При цьому процес наповнення ємності має повністю відповідати технологічним нормам та правилам безпеки. 

Де застосовується газ аргон

Цей елемент має досить велику сферу застосування. Нижче наведені основні сфери його використання:

1.    заповнення внутрішньої порожнини ламп розжарювання та склопакетів;

2.    витіснення вологи та кисню для тривалого зберігання харчових продуктів;

3.    вогнегасна речовина в деяких системах гасіння пожежі;

4.    захисне середовище при зварювальному процесі;

5.    плазмоутворюючий газ для плазмового зварювання та різання.

 

У зварювальному виробництві аргон застосовується як захисне середовище в процесі зварювання рідкісних металів (ніобію, титану, цирконію) та їх сплавів, легованих сталей різних марок, а також алюмінієвих, магнієвих та хромонікелевих сплавів. Для чорних металів, як правило, застосовують суміш Ar з іншими газами – гелієм, киснем, вуглекислотою та воднем.

 

Будучи важчим за повітря, аргоновий струмінь надійно захищає метал під час зварювання. Інертний газ відтісняє повітря, яке стає причиною окислення матеріалу, і  протягом тривалого часу є захистом для розплавленої та нагрітої металевої поверхні. Більше про зварювальний процес із застосуванням аргонового захисного середовища читайте у статті: зварювання аргоном – технологія та режими роботи обладнання .

  

Запобіжні заходи при експлуатації

Даний хімічний елемент не становить абсолютно ніякої небезпеки для навколишнього середовища, але при великій концентрації має задушливий вплив на людину. Він нерідко накопичується в районі підлоги в приміщеннях, що недостатньо провітрюються, а при значному зменшенні вмісту кисню може призвести до втрати свідомості і навіть смертельного результату. Тому важливо стежити за концентрацією кисню в закритому приміщенні, яке не повинно падати нижче 19%.

 

Рідкий Ar здатний викликати обмороження ділянок шкіри та пошкодити слизову оболонку очей, тому в процесі роботи важливо використовувати спецодяг та захисні окуляри. При роботі в атмосфері цього газу з метою запобігання удушенню необхідно застосовувати ізолюючий кисневий прилад або шланговий протигаз.

 

Зварюванням називається процес отримання нероз'ємних сполук за рахунок сил взаємодії атомів.

Численні методи зварювання поділяються на дві групи:

1) зварювання плавленням (зварювання в рідкій фазі);

2) зварювання тиском (зварювання у твердій фазі).

При зварюванні плавленням рідкий метал частин, що з'єднуються, мимоволі зливається в одне ціле, утворюючи після охолодження і затвердіння зварне з'єднання.

Зварювання тиском проводиться без нагрівання або з нагріванням металу до пластичного стану з подальшим стисненням частин, що з'єднуються.

 

Зварювання в даний час є одним із основних технологічних процесів у всіх галузях промисловості. Без зварювання неможливе виробництво сучасних машин. У практиці ремонтної справи зварюванню належить вагоме місце. Найширше застосування в промисловості та практиці ремонту машин має зварювання плавленням: газове та електродугове.

 

При газовому зварюванні для нагрівання металу до плавлення або пластичного стану використовується тепло, яке отримують в результаті згоряння пального газу в суміші з киснем.

Для здійснення газового зварювання та різання необхідно мати горючий газ, кисень, присадний матеріал, флюси.

Як горючі гази при газовому зварюванні і різанні використовуються ацетилен, водень, природний газ, пари бензину і гасу і т. п. Широке застосування в газовому зварюванні отримав газ ацетилен. Він має температуру зварювального полум'я 3000-3150 °С і застосовується для зварювання сталі, чавуну та кольорових металів.

Водень, природний газ, пари бензину і гасу не придатні для звичайного зварювання сталі внаслідок недостатньої температури зварювального полум'я (1900— 2300°С), тому їх застосовують при зварюванні металів, що мають температуру плавлення нижче, ніж у сталі, для різки металів (у тому числі і сталі). Газ пропан можна застосовувати для зварювання сталі завтовшки 5-6 мм.

Присадковий матеріал необхідний для заповнення металом рідкої ванни, що утворилася при зварюванні. Зазвичай як присадковий матеріал використовується дріт діаметром від 1 до 6 мм з хімічним складом, близьким до складу металу, що зварюється. Поверхня дроту має бути чистою, без окалини, іржі, олії та інших забруднень. Якщо немає відповідного дроту, то для зварювання кольорових металів можна застосовувати смужки, нарізані з листового металу тієї ж марки, що і метал, що зварюється.

Флюсами користуються для захисту розплавленого металу від окислення і видалення оксидів, що утворилися в зварювальному шві. Склад флюсу вибирають в залежності від складу і властивостей металу, що зварюється. Флюс повинен плавитися раніше за метал, добре розтікатися по шву і не надавати шкідливого впливу на метал шва.

При зварюванні звичайної вуглецевої сталі флюси не застосовують, тому що зварювальне полум'я добре захищає розплавлений метал від окислення.

Флюс можна використати для легування шва.

 

Промислові способи добування кисню:

1) електроліз води.

Електроліз води, розкладання її на складові (водень, кисень) під дією електричного струму, здійснюють в електролізерах. Через воду, до якої для підвищення електричної провідності додають їдкий натр - гідроксид натрію NaOH, пропускають постійний струм; кисень збирається на аноді, а водень - на катоді. Недоліком способу є велика витрата електроенергії; його застосування раціонально при одночасному використанні обох газів.

2) кріогенна ректифікація повітря.

В установках для отримання кисню та азоту повітря піддається очищенню від домішок, стиску в компресорі до відповідного тиску (0,6...20 МПа), охолодженню в теплообмінниках. Після глибокого охолодження повітря

(до -200 ^оС) спочатку за температури -196 ^оС з рідини починає википати азот, а потім (за температури -183 ^оС) – кисень. Гази (окремо) збирають, після декількох повторних процедур отримують доволі чисті кінцеві продукти. На великих повітряноподільних установках разом з отриманням кисню або азоту з повітря витягують також інертні гази: аргон, криптон, ксенон, неоно-гелієву суміш, що мають широке застосування в техніці.

Технічний кисень є основою для здійснення процесів газового зварювання, кисневого різання, поверхневого загартування та інших процесів газополум'яної обробки.

Рідкий кисень зберігають і перевозять у спеціальних балонах (блакитного кольору) із гарною теплоізоляцією. Для зварювання випускають технічний кисень трьох сортів: вищого, чистотою не нижче 99.5%,  першого сорту - чистотою 99.2%,  другого сорту - чистотою 98.5% за об᾽ємом.