アルゴン

アルゴン、  18 Ar
紫色に輝くガスが入った小瓶
アルゴン
発音/ ˈ ɑːr ɡ ɒ n / ⓘ ​( AR -gon )
外観電界中に置かれるとライラック色/紫色に輝く無色の気体
標準原子量 A r °(Ar)
  • [39.792、 39.963 ] [1]
  • 39.95 ± 0.16  （要約）[2]
周期表におけるアルゴン
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
ネ
↑
アル
↓
クリュ
塩素←アルゴン→カリウム
原子番号 （Z）18
グループ第18族（希ガス）
期間期間3
ブロック  pブロック
電子配置[ネ] 3s 2 3p 6
殻あたりの電子数2、8、8
物理的特性
STPでの 位相ガス
融点83.81  K (-189.34 °C、-308.81 °F)
沸点87.302 K (-185.848 °C、-302.526 °F)
密度 （STP）1.784 g/L
液体時（ 沸点）1.3954 g/cm 3
三重点83.8058 K, 68.89 kPa [3]
臨界点150.687 K, 4.863 MPa [3]
融解熱1.18  kJ/モル
蒸発熱6.53 kJ/モル
モル熱容量20.85 [4]  J/(モル·K)
蒸気圧
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で  4753617187
原子の性質
酸化状態共通: (なし)
0 [5]
電気陰性度ポーリングスケール: データなし
イオン化エネルギー
  • 1位: 1520.6 kJ/mol
  • 2位: 2665.8 kJ/モル
  • 3位: 3931 kJ/mol
  • （もっと）
共有結合半径午後10時6分±10 秒
ファンデルワールス半径午後188時
スペクトル範囲における色の線
アルゴンのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造面心立方格子（fcc）（cF4）
格子定数
アルゴンの面心立方結晶構造
a  = 546.91 pm （三重点）[6]
熱伝導率17.72 × 10−3   W/(m⋅K)
磁気秩序反磁性[7]
モル磁化率−19.6 × 10 −6  cm 3 /モル[8]
音速323 m/s（気体、27℃）
CAS番号7440-37-1
歴史
ネーミングギリシャ語のἀργόνから来ており、「怠惰な」または「不活発な」という意味で、その不活発さに関連している。
発見と最初の分離レイリー卿とウィリアム・ラムゼイ（1894年）
アルゴンの同位体
主な同位体[9]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
36アルゴン0.334%安定した
37アルゴントレース35.01日ε37 Cl
38アルゴン0.0630%安定した
39アルゴントレース302歳β −39K​
40アルゴン99.6%安定した
41アルトレース109.61分β −41K​
42アルゴンシンセ32.9歳β −42K​
 カテゴリー: アルゴン
|参考文献

アルゴンは化学元素であり、記号 Ar、原子番号18で表されます。周期表の第18族に属し、希ガスです。[10]アルゴンは地球の大気中で3番目に豊富な気体で、その濃度は0.934%（9340 ppmv ）です。これは水蒸気（平均約4000 ppmvですが、大きく変動します）の2倍以上、二酸化炭素（400 ppmv）の23倍、ネオン（18 ppmv）の500倍以上です。アルゴンは地球の地殻で最も豊富な希ガスであり、地殻の0.00015%を占めています。

地球の大気中のアルゴンのほぼすべては、地殻におけるカリウム40の崩壊によって生成された放射性 アルゴン40です。宇宙では、アルゴン36が圧倒的に最も一般的なアルゴン同位体です。これは、超新星爆発における恒星内元素合成によって最も容易に生成されるためです。

「アルゴン」という名称は、古代ギリシャ語のἀργόν （「怠惰な」または「不活性な」を意味するἀργόςの中性単数形）に由来し、この元素がほとんど化学反応を起こさないという事実に由来しています。原子外殻に8つの電子（オクテット）が揃っているため、アルゴンは安定しており、他の元素と結合しにくい性質を持っています。アルゴンの三重点温度は83.8058  Kで、1990年の国際温度目盛りにおいて定義的な固定点となっています。

アルゴンは、工業的には液体空気の分留によって抽出されます。主に、通常は反応しない物質が反応性を示す溶接などの高温工業プロセスにおいて、不活性シールドガスとして使用されます。例えば、グラファイト電気炉では、グラファイトの燃焼を防ぐためにアルゴン雰囲気が使用されます。また、白熱灯、蛍光灯、その他のガス放電管にも使用されます。アルゴンは、特徴的な青緑色のガスレーザーを生成します。また、蛍光灯グロースターターにも使用されます。

特徴

急速に溶ける固体アルゴンの小片

アルゴンは水への溶解度が酸素とほぼ同じで、窒素の2.5倍も水に溶けやすい。アルゴンは固体、液体、気体のいずれにおいても無色、無臭、不燃性、無毒性である。[11]アルゴンはほとんどの条件下で化学的に不活性であり、室温では安定した化合物を形成しないことが確認されている。

アルゴンは希ガスですが、様々な極限条件下ではいくつかの化合物を形成することがあります。フッ素と水素を含むアルゴンの化合物であるフッ化水素化アルゴン（HArF）は、 17 K（-256.1 °C; -429.1 °F）以下で安定であることが実証されています。[12] [13]現在、アルゴンの中性基底状態の化合物はHArFに限られていますが、アルゴン原子が水分子の格子に閉じ込められると、アルゴンは水と包接化合物を形成することがあります。 [14] ArHなどのイオンは、 +
、そしてArFのような励起状態錯体も実証されている。理論計算では、安定であるはずのアルゴン化合物がさらにいくつか予測されているが[15]、まだ合成されていない。

歴史

A: 試験管、B: 希アルカリ、C: U字型ガラス管、D: 白金電極

アルゴン（古代ギリシャ語で ἀργόν 、 ἀργόςの中性単数形は「怠惰な」または「不活性な」を意味する）は、その化学的不活性にちなんで命名された。この最初に発見された希ガスの化学的性質は、命名者たちに強い印象を与えた。 [16] [17]ヘンリー・キャベンディッシュは1785年、反応しないガスが空気の成分ではないかと疑った。[18]

アルゴンは1894年にユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのレイリー卿とウィリアム・ラムゼー卿によって、清浄な空気から酸素、二酸化炭素、水、窒素を除去することによって初めて空気から単離された。 [19]彼らはヘンリー・キャベンディッシュの実験を再現することによって初めてこれを達成した。彼らは大気中の空気と酸素を加えた混合物を、逆さまにした試験管 (A) の中に閉じ込め、大量の希アルカリ溶液 (B) の上に置いた。キャベンディッシュの元の実験では、希アルカリ溶液は水酸化カリウムであった。 [18]そして、白金線の電極の周りを密閉したU字型のガラス管 (CC) で絶縁された電線に電流を送り、電線の端部 (DD) はガスにさらされ、アルカリ溶液からは絶縁されたままにした。アークはグローブ電池5個と中型のルームコルフコイルで駆動された。アルカリはアークによって生成された窒素酸化物と二酸化炭素を吸収した。彼らはアークを少なくとも1～2時間作動させ、ガスの体積減少が見られなくなり、ガスを検査した際に窒素のスペクトル線が消えるまで続けた。残った酸素はアルカリ性ピロガレートと反応し、明らかに反応しないガスが残った。彼らはこれをアルゴンと名付けた。

「アルゴン」というキャプション付き、ヴァニティ・フェア誌に掲載されたレイリー卿の風刺画、1899年

ガスを単離する前に、彼らは化合物から生成される窒素が大気中の窒素よりも0.5%軽いことを突き止めていました。その差はわずかでしたが、何ヶ月も彼らの注意を引くほど重要でした。彼らは、空気中に窒素に混ざった別のガスが存在すると結論付けました。[20]アルゴンは、1882年にHFニューオールとWNハートリーの独立した研究によっても発見されました。[21]両者は、空気の発光スペクトルに既知の元素と一致しない新しい線を観測しました。

1957年以前は、アルゴンの記号は「A」でした。これは、国際純正応用化学連合が1957年に『無機化学命名法』を出版した後にArに変更されました。 [22]

発生

アルゴンは地球の大気の体積比0.934%、質量比1.288%を占めています。[23]空気は精製アルゴン製品の主な産業用供給源です。アルゴンは分留によって空気から分離され、最も一般的な方法は極低温 分留です。このプロセスでは、精製された窒素、酸素、ネオン、クリプトン、キセノンも生成されます。[24]地殻と海水には、それぞれ1.2ppmと0.45ppmのアルゴンが含まれています。[25]

同位体

地球上で見つかるアルゴンの主な同位体は40
アルゴン（99.6％）36
Ar（0.34％）、および38
Ar（0.06％）。天然に存在する40
K、半減期は1.25 × 109年で安定期へ40
Ar（11.2％）は電子捕獲または陽電子放出によって、また安定40
ベータ崩壊によってCa（88.8%）に変化する。これらの特性と比率は、K-Ar年代測定によって岩石の年代を決定するのに用いられる。[25] [26]

地球の大気圏では、39
Arは宇宙線活動によって生成され、主に中性子捕獲によって生成される。40
Arは2つの中性子を放出します。地下環境では、中性子捕獲によっても生成されます。39
K、続いて陽子放出が起こります。37
Arは中性子捕獲によって生成される。40
地下核爆発の結果として、Caがアルファ粒子放出に続いて放出される。半減期は35日である。[26]

太陽系内の場所によって、アルゴンの同位体組成は大きく異なります。アルゴンの主な供給源は、40
岩石中のK 、40
地球と同様に、 Arが主要な同位体となる。恒星内元素合成によって直接生成されるアルゴンは、アルファ過程核種が主である。36
Ar。それに応じて、太陽のアルゴンには84.6％が含まれています36
（太陽風測定によると）[27] 、そして外惑星の大気中の36 Ar：  38 Ar：  40 Arの3つの同位体の比率は8400：1600：1である[28]。これは原始惑星の低い存在比とは対照的である。 36
地球の大気中のArはわずか31.5 ppmv（= 9340 ppmv × 0.337%）で、探査機によって測定された地球上および惑星間ガスのネオン（18.18 ppmv）と同程度です。

火星、水星、タイタン（土星の最大の衛星）の大気には、主にアルゴンが含まれています。40
Ar . [29]

放射性起源の優位性 40
地球上のアルゴンの標準原子量が、次の元素であるカリウムよりも大きいのは、 Arのためです。これはアルゴンが発見された当時、不可解な事実でした。メンデレーエフは周期表において元素を原子量の順に並べましたが、アルゴンの不活性性から、反応性の高いアルカリ金属の前に配置することが示唆されました。ヘンリー・モーズリーは後に、周期表が実際には原子番号の順に並んでいることを示し、この問題を解明しました（周期表の歴史を参照）。

化合物

アルゴンフッ化水素の空間充填モデル

アルゴンの電子オクテットが完全ということは、s サブシェルと p サブシェルが完全であることを意味します。この完全な価電子殻により、アルゴンは非常に安定しており、他の元素との結合に対して極めて耐性があります。1962 年より前は、アルゴンとその他の希ガスは化学的に不活性であり、化合物を形成できないと考えられていましたが、より重い希ガスの化合物はそれ以来合成されています。タングステンペンタカルボニルとの最初のアルゴン化合物である W(CO) 5 Arは、1975 年に単離されました。ただし、当時は広く認識されていませんでした。[30] 2000 年 8 月、ヘルシンキ大学の研究者らにより、少量のフッ化水素をヨウ化セシウムとともに凍結したアルゴンに紫外線を照射することによって、別のアルゴン化合物であるフッ化水素化アルゴン (HArF) が作られました。[13] [31] 17ケルビン（-256℃）まで安定である。準安定ArCF 2+
22010年には、フッ化カルボニルおよびホスゲンと価電子が等しくなるジカチオンが観測された。 [32]アルゴン36は、水素化アルゴン（アルゴニウム）イオンの形で、かに星雲超新星に関連する星間物質で検出されており、これは宇宙で検出された最初の希ガス分子であった。[33]

固体アルゴン水素化物（Ar(H 2 ) 2 ）は、MgZn 2 ラーベス相と同じ結晶構造を有する。4.3～220 GPaの圧力で形成されるが、ラマン測定によると、 Ar(H 2 ) 2中のH 2分子は175 GPaを超えると解離することが示唆されている。[34]

生産

アルゴンは、極低温空気分離装置で液体空気を分留することによって工業的に抽出されます。このプロセスでは、沸騰温度77.3 Kの液体窒素を、沸騰温度87.3 Kのアルゴンと沸騰温度90.2 Kの液体酸素から分離します。世界中で毎年約70万トンのアルゴンが生産されています。 [25] [35]

アプリケーション

サーバー機器に損傷を与えることなく消火するために使用するアルゴンガス入りシリンダー

アルゴンにはいくつかの望ましい特性があります。

  • アルゴンは化学的に不活性なガスです。
  • 窒素が十分に不活性でない場合は、アルゴンが最も安価な代替手段となります。
  • アルゴンは熱伝導率が低いです。
  • アルゴンは、いくつかの用途に望ましい電子特性（イオン化および/または発光スペクトル）を備えています。

これらの用途のほとんどには他の希ガスも同様に適していますが、アルゴンは圧倒的に安価です。アルゴンは空気中に自然に存在し、液体酸素や液体窒素の製造における極低温 空気分離の副産物として容易に得られるため、安価です。空気の主成分は大規模な工業規模で使用されています。ヘリウムを除く他の希ガスも同様に生産されますが、アルゴンは圧倒的に豊富です。アルゴンの用途の大部分は、単に不活性で比較的安価であるために生じています。

産業プロセス

アルゴンは、通常は反応しない物質が反応性を示す高温工業プロセスで使用されます。例えば、グラファイト電気炉では、グラファイトの燃焼を防ぐためにアルゴン雰囲気が使用されます。

これらのプロセスの一部では、窒素ガスや酸素ガスの存在が材料に欠陥を引き起こす可能性があります。アルゴンは、ガスメタルアーク溶接やガスタングステンアーク溶接などの一部のアーク溶接、およびチタンなどの反応性の高い元素の加工に使用されます。また、アルゴン雰囲気はシリコンやゲルマニウムの結晶成長にも使用されます。

アルゴンは、養鶏業界では、病気の発生に伴う大量殺処分や、電気ショックよりも人道的な屠殺方法として、鳥の窒息に使用されています。アルゴンは空気よりも密度が高く、不活性ガスによる窒息処理中に地表近くの酸素と置換します。[36]アルゴンは非反応性であるため食品に適しており、死んだ鳥の体内の酸素と置換するため、保存期間も延長されます。[37]

アルゴンは、水や泡によって貴重な機器が損傷する可能性のある火災の消火に使用されることがあります。 [38]

科学研究

液体アルゴンは、ニュートリノ実験や暗黒物質の直接探索の標的として用いられている。仮想のWIMPとアルゴン原子核との相互作用によりシンチレーション光が発生し、光電子増倍管で検出される。WIMPと原子核の散乱で生成された電離電子を検出するために、アルゴンガスを含む二相検出器が用いられる。他のほとんどの液化希ガスと同様に、アルゴンは高いシンチレーション光収率（約51光子/keV [39]）を有し、自身のシンチレーション光に対して透明であり、精製が比較的容易である。キセノンと比較して、アルゴンは安価であり、明確なシンチレーション時間プロファイルを有するため、電子反跳と原子核反跳を分離することができる。一方、アルゴン固有のベータ線バックグラウンドは、39
地下から採取したアルゴンを使用しない限り、アルゴン汚染は起こらない。地下から採取したアルゴンは、39
アルゴン汚染。地球の大気中のアルゴンのほとんどは、長寿命の電子捕獲によって生成された。40
K (40
K + e − →40
地球上の天然カリウムにはAr +ν（アルゴン+ν）が含まれています。39
大気中のアルゴン活動は、ノックアウト反応による宇宙線生成によって維持されている。40
アル(n,2n)39
Arおよび類似の反応。39
Arの寿命はわずか269年です。その結果、岩石と水に守られた地下のArは、39
アルゴン汚染。[40]現在液体アルゴンを用いて稼働している暗黒物質検出器には、DarkSide、WArP、ArDM、microCLEAN、DEAPなどがある。ニュートリノ実験にはICARUSとMicroBooNEがあり、どちらも時間射影チャンバー内で高純度液体アルゴンを用いてニュートリノ相互作用の微細な3次元画像化を行っている。

スウェーデンのリンショーピング大学では、真空チャンバー内で不活性ガスを用いてプラズマを発生させ、金属薄膜をイオン化しています。[41]このプロセスにより、コンピュータプロセッサの製造に使用可能な薄膜が得られます。この新しいプロセスにより、化学薬品の浴槽や高価で危険な希少材料の使用が不要になります。

防腐剤

セシウムのサンプルは空気との反応を避けるためにアルゴン下で包装される

アルゴンは、包装材内の酸素や水分を含む空気を置換し、内容物の賞味期限を延ばすために使用されます（アルゴンは欧州食品添加物コードE938を有しています）。空気酸化、加水分解、その他の製品を劣化させる化学反応を遅らせたり、完全に防止したりします。高純度の化学薬品や医薬品は、アルゴンで包装・密封されることがあります。[42]

ワイン造りでは、アルゴンはさまざまな活動で使用され、液体表面の酸素に対するバリアを提供します。酸素は、微生物の代謝（酢酸菌など）と標準的な酸化還元化学の両方を促進してワインを劣化させる可能性があります。

アルゴンはエアゾール缶の推進剤として使用されることがあります。

アルゴンは、ワニス、ポリウレタン、塗料などの製品の防腐剤としても使用され、空気を置換して容器内の保管を準備します。[43]

2002年以降、アメリカ国立公文書館は、独立宣言書や合衆国憲法といった重要な国家文書を、劣化を防ぐためアルゴンガスを充填したケースに保管しています。アルゴンは、それ以前の50年間使用されていたヘリウムよりも優れています。ヘリウムガスはほとんどの容器の分子間孔から漏れてしまうため、定期的に交換する必要があるからです。[44]

実験器具

グローブボックスにはアルゴンが充填されていることが多く、スクラバー上で循環して酸素、窒素、水分のない雰囲気を維持します。

アルゴンは、シュレンクラインやグローブボックス内の不活性ガスとして使用できます。窒素が試薬や装置と反応する可能性がある場合には、より安価な窒素よりもアルゴンが推奨されます。

アルゴンは、ガスクロマトグラフィーやエレクトロスプレーイオン化質量分析法のキャリアガスとして使用されるほか、 ICP 分光法のプラズマ生成に最適なガスです。走査型電子顕微鏡（SEM）の試料のスパッタコーティングにもアルゴンが好まれます。また、マイクロエレクトロニクスにおける薄膜のスパッタ堆積や、微細加工におけるウェハ洗浄にもアルゴンガスは広く使用されています。

医療用途

凍結アブレーションなどの凍結手術では、液体アルゴンを用いて癌細胞などの組織を破壊します。これは「アルゴン強化凝固法」と呼ばれる、アルゴンプラズマビーム 電気手術の一種で用いられます。この処置はガス塞栓症を引き起こすリスクがあり、少なくとも1人の患者が死亡しています。[45]

青色アルゴンレーザーは、動脈を溶接したり、腫瘍を破壊したり、眼の欠陥を修正したりする手術に使用されます。[25]

アルゴンは、アルゴックスとして知られる呼吸用または減圧用混合物中の窒素の代替として実験的に使用され、血液中の溶解窒素の排出を早めてきました。[46]

点灯

アルゴンガス放電ランプはアルゴンの記号「Ar」を形成します

白熱電球には、高温のフィラメントを酸化から守るためにアルゴンが封入されています。アルゴンは、プラズマ球や素粒子物理学実験における熱量測定など、イオン化して光を発する特殊な性質を利用しています。純粋なアルゴンを封入したガス放電ランプは薄紫色の光を発し、アルゴンと少量の水銀を封入すると青色の光を発します。アルゴンは、青色および緑色のアルゴンイオンレーザーにも使用されています。

その他の用途

アルゴンは省エネ窓の断熱材として使用されています。[47]また、アルゴンは不活性で熱伝導率が低いため、テクニカルスキューバダイビングではドライス​​ーツを膨らませるためにも使用されています。[48]

アルゴンは、可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）の開発において推進剤として使用されています。圧縮されたアルゴンガスを膨張させることで、 AIM-9サイドワインダーミサイルの一部や、冷却式熱シーカーヘッドを使用する他のミサイルのシーカーヘッドを冷却します。このガスは高圧で貯蔵されます。[49]

半減期が269年のアルゴン39は、主に氷床コアや地下水の年代測定など、様々な用途に利用されてきました。また、カリウム-アルゴン年代測定法や関連するアルゴン-アルゴン年代測定法は、堆積岩、変成岩、火成岩の年代測定にも用いられています。[25]

アルゴンは、アスリートが低酸素状態を再現するためのドーピング剤として使用されてきました。2014年、世界アンチ・ドーピング機関（WADA）はアルゴンとキセノンを禁止物質および禁止方法のリストに追加しましたが、現時点では乱用を検証する信頼できる検査法はありません。[50]

安全性

アルゴンは無毒ですが、空気より38%密度が高いため、閉鎖空間では危険な窒息物質とみなされています。無色、無臭、無味であるため、検知が困難です。1994年にアラスカで発生した、建設中の石油パイプのアルゴン充填部に入った男性が窒息した事故は、閉鎖空間におけるアルゴンタンクの漏洩の危険性を浮き彫りにし、適切な使用、保管、取り扱いの必要性を強調しています。[51]

参照

参考文献

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さらに読む

  • ビデオ周期表のアルゴン（ノッティンガム大学）
  • USGS周期表 - アルゴン 2006年9月23日アーカイブ - Wayback Machine
  • ダイビング用途: なぜアルゴンなのか?
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