آرگون جزء عنصر شیمیایی بوده و دارای نماد Ar می باشدکه عدد اتمی آن 18 است. این عنصر گروه 18 جدول تناوبی قرار دارد و در دسته عناصرگازهای نجیب قراردارد. از نظر فراوانی، آرگون تقریباً در رتبه دوازدهم در میان عناصر شیمیایی قرار دارد که با 0.934% سومین گاز فراوان در جو زمین است. فراوانی این عنصر بیش تر 2 برابر بخار آب (H₂O g)، 23 برابر دی اکسید کربن (CO₂) و بیش از 500 برابر فراوانتر از نئون (Ne) است. لازم به است که آرگون فراوان ترین گاز نجیب است که 0.00015٪ از پوسته زمین را تشکیل می دهد. آرگون 1.288 درصد وزن و 0.934 درصد حجم اتمسفر را تشکیل می دهد و در سنگ ها مسدود شده است.

آرگون موجود در جو از زمان تشکیل زمین به کندی افزایش یافته و حدود 4.5 میلیارد سال زمان برده تا مقدار بسیار کمی از آن در جو جمع شود. نحوه ایجاد آرگون زمانی است که عنصر پتاسیم (40) در سنگ ها، توسط فرآیندی که به آن واپاشی رادیواکتیو تجزیه شود. همچنین این عنصر به مقدار کم در پوسته زمین و آب اقیانوس ها، علاوه بر میزان موجود در جو زمین، وجود دارد. اتم‌های آرگون به صورت مکانیکی در حفره‌ها و قفسه های مولکول‌های دیگر مواد، مانند کریستال‌های یخ یا ترکیب آلی هیدروکینون به دام افتاده‌اند.

کلمه “آرگون” از واژه یونانی( ἀργόν، شکل مفرد خنثی ἀργός ) به معنای “تنبل” یا “غیرفعال” گرفته شده است، این کلمه اشاره ای به این واقعیت دارد که عنصر ارگون تقریباً در هیچ واکنش شیمیایی شرکت نمی کند. عدم تمایل ارگون به شرکت در واکنش های شیمیایی، به علت اکتت کامل (هشت الکترون) در پوسته اتمی بیرونی است که سبب شده در برابر پیوند با عناصر دیگر پایدار و مقاوم باشد.

تاریخچه و نحوه تولید گاز آرگون

گاز آرگون در سال (1894) توسط دانشمندان بریتانیایی ( لرد رایلی و سر ویلیام رمزی) از هوا جدا گردید. هنری کاوندیش، هنگام بررسی نیتروژن اتمسفر، در سال 1785 به این نتیجه رسید که قسمتی از نیتروژن ممکن است از برخی اجزای بی اثر تشکیل شده باشد. این کار او فراموش شد تا اینکه مجدد لرد ریلی، بیش از 100 سال بعد، پی برد که نیتروژن خلص تهیه شده (با حذف اکسیژن) از هوا، همیشه حدود 0.5 درصد چگالی بیشتری از نیتروژن حاصل از منابع شیمیایی مانند آمونیاک دارد. پس از حذف اکسیژن و نیتروژن، گاز سنگین‌تری که از هوا باقی ماند، که اولین گاز نجیب‌ کشف شده روی زمین بود و به علت بی‌اثر بودن شیمیایی آن، از کلمه یونانی argos، «تنبل» استفاده شد.

آرگون دومین عضو از گروه خاصی از گازها است که به نام گازهای “نادر”، “نجیب” یا “بی اثر” شناخته می شوند. از دیگر گازهای این گروه میتوان به: هلیوم(He)، نئون(Ne)، کریپتون(Kr)، زنون(Xe) و رادون(Rn) اشاره نمود. این گاز ها، تک اتمی و بیرونی ترین لایه الکترونی انها کاملاً پر شده اند. کلمات “نجیب” و “بی اثر” برای نشان دادن عدم تعامل شیمیایی آنها در با عناصر دیگر است. تمام اعضای این گروه به هنگام تحریک الکتریکی، نور ساطع می کنند که تخلیه الکتریکی آرگون در فشار کم به رنگ قرمز کم رنگ و در فشار بالا به رنگ آبی فولادی به نظر می رسد.

آرگون در آب تقریباً با حلالیت اکسیژن برابر و 2.5 برابر بیشتر از نیتروژن است. همچنین آرگون به دلیل بی اثری کلی آن، به ویژه در دماهای بالا، دارای ارزش میباشد.

مشخصات گاز آرگون

تولید آرگون در صنعت

آرگون در صنعت به صورت،  تقطیر جزئی هوای مایع، در یک واحد جداسازی هوا برودتی، استخراج می‌گردد. در این فرآیند نیتروژن مایع ( در 77.3 کلوین می جوشد) و اکسیژن مایع (که در 90.2 کلوین می جوشد) را از آرگون که در 87.3 کلوین می جوشد جدا می کنند. قابل توجه است که نقطه جوش آرگون بسیار نزدیک به اکسیژن بوده (تفاوت فقط 5.3 درجه فارنهایت یا 2.9 درجه سانتیگراد)، و جدا کردن آرگون خالص از اکسیژن نیاز به مراحل زیادی از تقطیر دارد. از طریق این روش سالیانه حدود 700.000 تن آرگون در سراسر جهان تولید می شود.

کاربرد های گاز آرگون

• حفاظت در عملیات حرارتی، فولاد و آهن : هنگام ساخت فولاد در یک مبدل، گاز اکسیژن و آرگون به فلز مذاب دمیده می شود. افزودن آرگون سبب میشود تا تلفات کروم کاهش یابد و محتوای کربن مورد نظر در دمای پایین تر تولید شود. در ساخت فولاد با کیفیت بالاتر از آرگون به عنوان یک گاز دمنده، برای جلوگیری از تشکیل نیتریدها استفاده می شود.
• آرگون به عنوان گاز محافظ در ریخته گری و همچنین در تولید محصولات آلومینیومی، جهت کمک به گاز زدایی و حذف هیدروژن و ذرات محلول از آلومینیوم مذاب استفاده می گردد.

• آرگون در شرایطی خاص از فرآیندهای صنعتی در دماهای بالا استفاده می شود که مواد واکنش ناپذیر، واکنش پذیر می شوند. مثال: جلوگیری از سوختن گرافیت، با استفاده از گاز آرگون در کوره های الکتریکی گرافیت.
• آرگون برخی اوقات برای خاموش نمودن آتش در مکان هایی که تجهیزات ارزشمند وجود دارد و ممکن است توسط آب یا کف آسیب ببینند استفاده می شود.
• آرگون امکان دارد در مواردی که نیتروژن بتواند با معرف‌ها یا دستگاه واکنش نشان بدهد، به عنوان یک گاز بی اثر و کاملا خنثی در خطوط و جعبه های دستکش، ترجیح داده ‌شود(حتی با وجود ارزان تر بودن نیتروژن).
• آرگون میتواند به عنوان گاز حامل در دستگاه های کروماتوگرافی گازی(GC) و طیف سنجی جرمی یونیزاسیون الکترواسپری (ESI-Mass) استفاده شود. از این گاز انتخابی جهت پلاسمای مورد استفاده در طیف سنجی ICP است.
• لامپ های رشته ای با آرگون پر شده تا رشته ها در دمای بالا از اکسید شدن حفظ شوند . لامپ های پر شده با گاز آرگون خالص دارای نور بنفش، ترکیب آرگون و مقداری جیوه، نور آبی ایجاد میکند.
• آرگون همچنین برای عایق حرارتی در پنجره های 2جداره استفاده می شود. با افزودن گاز آرگون به مخلوط هوا در حفره جداکننده واحد شیشه عایق، ارزش عایق بالاتری برای شیشه حاصل شده و شیشه عایق را لحاظ عملکرد انرژی و عایق سازی موثرتر می کند.
• عجیب ترین مورد استفاده از آرگون در باد کردن تایر خودروهای لوکس است.
• آرگون یک گاز محافظ جوشکاری است که از پروژه در برابر تداخل آب یا اکسیژن با جوش محافظت کرده ، همچنین هیچ ماده سمی منتشر نمی کند، به نفوذ باریکتر کمک و در نتیجه جوش تمیزتری ایجاد می کند که به پروژه نهایی ظاهری تمیز می دهد، پایداری قوس را افزایش داده و از آلودگی جوی حوضچه های جوش جلوگیری می نماید. گاز آرگون جهت روش جوشکاری قوسی تنگستن گازی (GTAW) ضروری است.
• آرگون در علوم پزشکی در فناوری لیزر، استفاده می‌شود. به عنوان مثال لیزر اگزایمر که برای انجام جراحی‌های لیزیک ، بینایی را اصلاح می‌کنند.
• گاز زنون که جزء عناصر نجیب است سال‌هاست که به عنوان درمانی جهت آسیب‌های مغزی مورد تحقیق قرار گرفته است. اما به علت گرانی و کمیابی زنون، محققان وادار شده که به گاز نجیب آرگون، به عنوان یک جایگزین بالقوه روی آورند.
• در روش‌های کرایوسرجری (استفاده از سرمای شدید) از آرگون مایع برای تخریب و از بین بردن انتخابی مناطق کوچکی از بافت بیمار یا بافت های غیرطبیعی، به ویژه روی پوست، ویا سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود. در این روش با استفاده از سوزن کرایونی آرگون مایع به محل درمان هدایت می شود که این امر کنترل بهتری از فرآیند را نسبت به تکنیک‌های قبلی با استفاده از نیتروژن مایع فراهم می‌کند.
• لیزرهای آبی آرگون، در جراحی برای جوش دادن عروق، از بین بردن تومورها و اصلاح عیوب چشم کاربرد دارد.
• آرگون در صنعت طیور جهت خفه کردن پرندگان، یا معدوم سازی دسته جمعی، پس از گسترش بیماری، ویا به عنوان وسیله ای برای کشتار انسانی تر از خیره کننده الکتریکی استفاده می نمایند. به علت چگال تر بودن آرگون نسبت به هوا، در طول خفگی گاز بی اثر، اکسیژن را نزدیک زمین جابجا می کند. همچنین یک محصول غذایی مناسب به علت افزایش ماندگاری نیز میسازد.
• آرگون هوای حاوی اکسیژن و رطوبت در مواد بسته بندی را خارج و ماندگاری محتویات را افزایش دهد (کد افزودنی غذایی اروپایی آرگون E938 است).
• آرگون در غواصی فنی، جهت باد کردن لباس خشک، به علت بی اثر و واکنش ناپذیری همچنین و رسانایی حرارتی پایین استفاده می شود.
• یک عامل دوپینگ برای شبیه سازی شرایط هیپوکسیک توسط ورزشکاران، گاز آرگون است. در سال 2014، آژانس جهانی ضد دوپینگ (WADA) آرگون و زنون را نیز به لیست مواد و روش های ممنوع اضافه نمود.

خطرات گاز آرگون بر سلامتی و ایمنی صنعتی

گاز آرگون (Argon) در نگاه اول یک گاز بی‌اثر، بی‌رنگ، بی‌بو و غیرسمی است که در گروه گازهای نجیب جدول تناوبی قرار دارد. با این حال، بی‌خطر بودن از نظر شیمیایی به معنای ایمن بودن در هر شرایطی نیست. در صنایع مختلف، به‌ویژه در فضاهای بسته یا فرآیندهای برودتی، گاز آرگون می‌تواند خطرات جدی برای سلامتی انسان و ایمنی محیط کار ایجاد کند.

۱. خطر خفگی در محیط‌های بسته

مهم‌ترین خطر گاز آرگون، ایجاد حالت خفگی یا اختناق در فضاهای بسته و تهویه‌نشده است. این گاز چگال‌تر از هواست و به‌سرعت می‌تواند اکسیژن محیط را جا‌به‌جا و رقیق کند. در نتیجه:

• علائم اولیه شامل: سردرد، سرگیجه، خستگی، حالت تهوع
• در غلظت‌های بالا: از دست رفتن هوشیاری، بی‌هوشی و مرگ در عرض چند دقیقه

حتی در صورت نشت آهسته از سیلندر، در محیط‌های کوچک و بسته، خطر کاهش سطح اکسیژن بسیار بالا خواهد بود.

۲. بی‌اثر بودن شیمیایی ≠ بی‌خطر بودن

اگرچه آرگون در واکنش‌های شیمیایی شرکت نمی‌کند، اما در غلظت‌های بالا می‌تواند به عنوان یک گاز خفه‌کننده فیزیکی (Asphyxiant) عمل کند. این ویژگی آن را در رده گازهایی مانند نیتروژن و هلیوم قرار می‌دهد که بدون بو یا هشدار قبلی، باعث کمبود اکسیژن می‌شوند.

۳. خطرات ناشی از آرگون مایع (Argon Liquid)

آرگون مایع (LAr)، با دمای جوش بسیار پایین حدود 185- درجه سانتی‌گراد، در دسته گازهای برودتی (cryogenic) قرار دارد. تماس با آرگون مایع می‌تواند منجر به:

• سرمازدگی شدید (Frostbite) در پوست یا چشم‌ها
• آسیب بافتی عمیق در اثر تماس مستقیم
• ترکیدن رگ‌ها یا سوختگی برودتی در ناحیه تماس
• افزایش فشار بخار در مخازن در صورت نگهداری غیراستاندارد

۴. خطرات مربوط به حمل و نگهداری

• انفجار سیلندر در صورت افزایش دما یا برخورد مکانیکی شدید
• نشت آهسته بدون هشدار و تجمع در سطوح پایین محیط
• آسیب به تجهیزات در صورت تماس با سطوح بسیار سرد آرگون مایع
• برای کاهش این خطرات، استفاده از تجهیزات ایمنی مانند:
• سیستم تهویه مناسب
• دتکتورهای نشت گاز
• دستکش برودتی، ماسک، عینک ایمنی و لباس محافظ ضروری است.

۵. طبقه‌بندی ایمنی و بهداشتی

توصیه‌های ایمنی برای کار با گاز آرگون

• هرگز از آرگون در محیط‌های بسته یا بدون تهویه استفاده نکنید
• نشت گاز را با دتکتور کنترل کرده و نشتی را جدی بگیرید
• در کار با آرگون مایع از تجهیزات کرایوژنیک استفاده کنید
• حتماً از راهنما و دیتاشیت‌های ایمنی (SDS) پیروی کنید
• از نگهداری سیلندر در دمای بالا یا در معرض نور مستقیم آفتاب خودداری کنید

ایزوتوپ های گاز آرگون

ایزوتوپ چیست؟ ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی از یک عنصر هستند که تعداد پروتون یکسان و تعداد نوترون متفاوت دارند. این تفاوت در نوترون باعث ایجاد ویژگی‌های هسته‌ای مختلفی مانند پایداری، واپاشی رادیواکتیو یا کاربردهای ویژه می‌شود.

ایزوتوپ‌ های پایدار گاز آرگون

در طبیعت، آرگون دارای سه ایزوتوپ پایدار است که مجموعاً 100٪ آرگون طبیعی را تشکیل می‌دهند:

نکته علمی مهم:

ایزوتوپ ⁴⁰Ar از طریق واپاشی رادیواکتیو پتاسیم-۴۰ (⁴⁰K) در لایه‌های زمین به‌وجود می‌آید و به همین دلیل، در جو زمین به وفور یافت می‌شود.

ایزوتوپ‌ های ناپایدار (رادیواکتیو) آرگون

در کنار ایزوتوپ‌های پایدار، چندین ایزوتوپ ناپایدار (رادیواکتیو) نیز از آرگون وجود دارد که در محیط‌های خاص یا آزمایشگاه‌ها تولید می‌شوند. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

کاربرد ایزوتوپ‌ های گاز آرگون در علم و صنعت

۱. زمین‌شناسی و سن‌سنجی پتاسیم-آرگون (K–Ar dating)

روش پتاسیم-آرگون یکی از دقیق‌ترین روش‌های تاریخ‌گذاری سنگ‌ها و فسیل‌ها است. در این روش، مقدار ⁴⁰Ar تولید شده از واپاشی پتاسیم-۴۰ در کانی‌ها اندازه‌گیری می‌شود تا سن سنگ تعیین گردد. این روش برای تعیین قدمت سنگ‌های آتشفشانی تا میلیاردها سال کاربرد دارد.

۲. سن‌یابی منابع آب زیرزمینی (با آرگون-۳۹)

ایزوتوپ ³⁹Ar در علم هیدروژئولوژی برای سن‌سنجی آب‌های زیرزمینی که عمر ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ سال دارند استفاده می‌شود. این روش به بررسی منابع آب تجدیدپذیر و مدیریت پایدار منابع کمک می‌کند.

۳. فیزیک هسته‌ای و آشکارسازهای نوترونی

در پروژه‌های علمی بزرگ مانند آزمایشگاه‌های فیزیک ذرات (مثل DUNE و DarkSide) از ایزوتوپ‌های خاص آرگون در آشکارسازهای نوترینو استفاده می‌شود. آرگون مایع با ایزوتوپ‌های خاص، به دلیل شفافیت نوری و خواص یونیزاسیون، یکی از بهترین گزینه‌ها برای آشکارسازی ذرات بنیادی است.

۴. ایمنی و نظارت بر انفجارهای هسته‌ای (Argon-37)

سازمان‌های نظارتی بین‌المللی از ایزوتوپ ³⁷Ar برای ردیابی آزمایش‌های زیرزمینی سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌کنند. این ایزوتوپ در اثر برخورد نوترون با کلسیم موجود در خاک ایجاد می‌شود و نشانگر فعالیت هسته‌ای زیرزمینی است.

————————————————–

منابع:

www.linde-gas.com

www.airproducts.com

industry.airliquide.com

————————————————–