Инертные газы 2(б)

               В атмосферном аргоне  отношение  ⁴⁰Ar/ ³⁶ Ar равно 295,5, а в вулканических газах оно достигает 530, а в образцах  некоторых горных пород - тысяч и десятков тысяч. Отсюда следует, что образовавшийся в результате распада калия-40 аргон составляет  подавляющую массу аргона на нашей планете. В современную эпоху аргон (как и гелий) преимущественно накапливается в земной коре и в сравнительно малых количествах поступает в атмосферу. А откуда берутся аргон-38 и аргон-36? Не исключено, что какая-то часть этих атомов  реликтового происхождения, то есть пришли в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и ее атмосферы. Но большая часть легких изотопов аргона родилась на  Земле в результате  ядерных процессов. Таким образом,  легкие изотопы аргона в основном являются продуктами спонтанного деления  тяжелых ядер, а также  реакций захвата нейтронов и альфа-частиц ядрами легких элементов, содержащихся в урано-ториевых минералах:

                         ³⁶ ₁₇Cl ® ³⁶₁₈Ar + ⁰_-b  +⁰₀n

                        ³⁵₁₇ Cl +⁴₂ He ® ³⁸₁₈Ar +¹₀ n +⁰₊b

                         ³³₁₆ S  +⁴₂He  ® ³⁶₁₈Ar +¹₀ n

          За время существования Земли в литосфере образовано не менее 1 млрд. м ³ аргона-38 и примерно столько же  аргона-36.

          Большая часть изотопов  криптона - первичные, а остальная часть получена при радиоактивном  распаде  урана и трансурановых элементов. Одной из ядерных реакций, порождающей  криптон является самопроизвольное деление урана-238. Один атом  криптона образуется на каждые 84 акта спонтанного деления урана-238. Продуктами деления являются также:  ⁸³Kr ,⁸⁴Kr ,¹²⁹ Xe ,¹³¹ Xe ,¹³² Xe , ¹³⁴ Xe. Их образование шло медленно, но тем не менее за время существования Земли подобные процессы привели к существенному изменению состава элементов на Земле.

           За 4,5 - 5 млрд. лет ксенона - продукта спонтанного деления урана - образовалось до 1 млрд. м ³. Содержание ксенона в газах урановых минералов в 5 -6 раз больше, чем криптона. Криптон и ксенон возникают также при делении урана-235, индуцированного теми нейтронами, которые вылетают из урана-238 при его спонтанном делении. Но при этом  ксенона получается  в сто раз меньше,  чем при спонтанном делении урана-238. (10млн. м ³)

        Природный поток альфа-частиц и нейтронов  больших энергий, облучая атомы ⁷⁷Se ,⁸⁰Se ,⁷⁵As ,⁷⁹ Br ,⁸¹ Br ,⁸² Se, образуют ⁸⁰Kr ,⁸³ Kr ,⁷⁹Kr ,⁸² Kr ,⁸³ Kr ,⁸⁴ Kr.

              Содержание криптона в земной коре  оценивается  2 ×10 ^–8 %, а ксенона 3 ×10^-9 %.

        А в атмосфере ксенона  в  12,5  раза  меньше, чем криптона. Соотношение криптона и ксенона  в космосе и атмосфере  одинаковы.

              Весь атмосферный  радон   земного происхождения. Он постоянно поступает из почвы, куда просачивается из минералов, содержащих уран и торий. Вследствие быстрого распада радона содержание его убывает по мере подъема в верхние слои атмосферы. В районе горы Эльбрус на высоте 1800 м  над уровнем моря содержание радона составляет 5 ×10 ^–13 кюри/ л, а на высоте 4800 м -0,27 ×10 ^–13 кюри/л. Над сушей содержание радона в сотни раз больше, чем над океаном, так как радиоактивность океана во много раз меньше, чем суши. Все нуклиды радона  высоко радиоактивны. Наиболее устойчивый  изотоп получается при альфа-распаде радия-226:

                            ²²⁶ ₈₈Ra  =    ²²² ₈₆Rn  +⁴₂ He

Период  полураспада радона-222  3,823 суток. Кроме того, в природе существует  и другой  радионуклид радона - радон-220 с периодом полураспада 57 с. Несмотря на быстрый распад  радионуклидов, общее количество радона в природе остается неизменным. Радионуклиды  радона входят в цепочки радиоактивных превращений в существующих радиоактивных семействах урана-238, тория-232 и урана-235. И устанавливается равновесие между числом образовавшихся  и распавшихся ядер радона. Большая часть содержащих уран и торий минералов имеет рыхлую структуру и поэтому радон  попадает  в окружающие почвы, в атмосферу или в водную среду. Таким образом, весь радон  рассеян в толщах Земли и вод. Верхние слои земной коры до глубины 1,6 км содержит приблизительно 115 т радона. В атмосфере же его меньше  четырех  килограмм. Это объясняется  хорошей его сорбируемостью в горных породах и в воде и краткостью срока его жизни. Растворимость  радона в воде наибольшая  среди инертных газов. Она в 2 раза выше, чем у ксенона и в 4 раза больше, чем у криптона. В среднем содержание  радона в водах рек составляет 1×10 ^–10 кюри/л, в воде океанов оно в 2 - 3 раза меньше. Воды некоторых горячих источников  содержат в сотни и тысячи раз больше радона.

             Все три естественных изотопа  радона можно найти в минералах,  содержащих уран и торий. В  почве, почвенных водах и горячих  источниках обычно находится   только наиболее долгоживущий  изотоп - радон–222. В почве иногда удается обнаружить  торон, но очень редко  присутствует третий изотоп – актион, который  быстро разрушается. Только вблизи  горных пород, содержащих урано-ториевые минералы, удается зарегистрировать присутствие смеси из всех трех природных изотопов  радона. Радон присутствует в гелиеносных природных газов и в нефтях.

             Таким образом, в недрах  Земли   сохранились остатки  первичных  инертных газов и образуются  вторичные. Минералы, обладающие  плотной структурой, прочно удерживают  заключенные в них инертные  газы. Однако по мере разрушения минералов инертные газы уходят из них. И они выделяются  в окружающие породы,  с подземными водами поступают в гидросферу, а из подземных газовых струй и вулканических  газов  поступают в атмосферу.

           Атмосфера пополняется  инертными газами не только из литосферы и гидросферы, но также из космоса, но в гораздо меньшей степени. Главным космическим источником является метеорное вещество. Его ежесуточно выпадает на поверхность Земли  около 100 т в виде метеоритов и межпланетной пыли.

             Источниками инертных газов в  атмосфере  Земли являются  космический ветер, который несет  5% альфа-частиц и космические лучи, которые вступают в реакции с азотом и кислородом атмосферы и образуют  гелий-4 и неон-21.

           О  химическом составе  космической материи  известно больше, чем о глубинных слоях  Земли. Водород и гелий доминируют в звездах, планетарных туманностях,  межзвездном  газе. По подсчетам 76% массы солнечной системы  приходится на водород, 23% на гелий, а на прочие элементы остается  только 1%. Инертные газы присутствуют  на всех телах солнечной системы. Во внешних планетах  солнечной системы преобладают водород, гелий, неон и  азот.

           Распространенность атомов инертных  газов в космосе такова (по данным Г. Зюсса и Г. Юрии):

          S i  -1,     Ar  - 0,15 ,     Kr - 5,13 × 10 ^–5,    He-3,08 × 10 ³ ,   Ne - 8,6 ,   Xe - 4 × 10 ^–6

Как   видно, доля гелия в космическом веществе  огромная. Гелий обнаружен в атмосферах бесчисленных  горячих звезд .  Наше солнце  по объему состоит на  81,76 % из водорода, на  18,17 % из гелия, на 0,03 % из кислорода и только на 0,04 % из прочих элементов.

                Термоядерные процессы синтеза  гелия осуществляются на  Солнце  двумя способами:

   1) Протонно - протонный цикл:

                  2| ¹₁ H + ¹₁H-à ²₁ D+ ₊₁ ⁰b + ⁰₀n|

                  2| ²₁D+`¹_1-Нà ³₂He + ⁰₀g |

                  ³₂ He +³₂ Heà ⁴₂ He + 2¹₁H

                   4 ¹₁ Hà ⁴₂ He + 2₊₁⁰b +26,7МэВ                                                                                     

  Этот  цикл преобладает в условиях  не очень горячих звезд, как  наше Солнце.

    2)Углеродно - азотный  цикл (более быстрый):

                   ¹₁ H + ¹²₆C-à ¹³₇ N + ⁰₀g

                   ¹³₇ N ๳₆ C +₊₁⁰b + ⁰₀n

                  ¹³₆ С  +¹₁ H à¹⁴₇ N + ⁰₀g

                  ¹⁴₇ N +¹₁ Hà¹⁵₈ O + ⁰₀g

                  ¹⁵₈ Oà ¹⁵₇ N +₊₁ ⁰b + ⁰₀n

                  ¹⁵₇ N +¹₁ H ๲₆C +⁴₂ He

                 4 ¹₁ Hà ⁴₂ He + 2 _{+ 1}⁰ b+26,7 МэВ

На более  горячих, чем  Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Углерод  играет здесь роль катализатора. Процесс  образования гелия – первопричина свечения звезд.

             Неон, как и гелий, неравномерно  распределен в космосе. Больше  всего его на Солнце и других  горячих звездах и в атмосферах  внешних планет  солнечной системы.  Считается, что атмосфера Плутона  состоит из чистого неона.

             Тяжелых инертных газов во Вселенной меньше, чем легких, но по сравнению с другими элементами  их больше в космосе, чем на Земле. Например, наименее распространенного из инертных газов ксенона во Вселенной примерно столько же, сколько бария и мышьяка, и больше, чем олова, свинца,  ртути, молибдена, серебра.

             В материи Вселенной  аргон  присутствует еще в веществе  горячих планет и планетарных  туманностей. Аргона в космосе  больше, чем хлора, фосфора, кальция,  калия, особенно изотопов аргон-6 и аргон-38.

                 ПОЛУЧЕНИЕ  ИНЕРТНЫХ  ГАЗОВ.

                   1.   Получение гелия.

           Природные газы являются  практически  единственным сырьем, из которого  получают  более дешевый гелий  в широких промышленных масштабах.  Гелиевые месторождения бывают: а) весьма богатые, содержащие гелий  выше 1%.(очень редко бывают месторождения, содержащие 8-10 %) ; б) богатые (0,2-1 %) ; в) рядовые (0,05-0,2 %) ;  г)бедные, содержащие гелия меньше 0,05 % .

           Бывают три типа  гелиеносных  природных газов: а) «сухие» природные газы,   главным компонентом которых является метан; б) нефтяные попутные газы, в основном содержащие пропан и бутан; в) газы, преимущественно содержащие азот.

           Экономически более выгодно использовать  попутные газы, потом  метановые и в последнюю очередь азотные газы.

          Из воздуха гелий получают  в основном в лабораторных  установках, так как трудность  заключается в низком содержании  гелия и в том, что при  разделении воздуха образуется  смесь гелия с неоном, которую   не легко разделить из-за трудной конденсируемости  этих газов. Все действующие промышленные установки  основаны на одном  и том же принципе: природный газ предварительно очищают от примесей  углекислого газа, сероводорода и паров воды. Затем сухой газ в несколько этапов охлаждают (примерно  до –200 ^оС) для отделения сконденсированных других компонентов, а газообразный гелий  выводится через верхнюю часть аппарата. В гелии высокой чистоты допустимы примеси  водорода, азота, кислорода, неона и углеводородов в пределах 2-5 ·10 ^–3 %.  Гелий хранят и перевозят в стальных баллонах под давлением 150 атм. Имеются надземные хранилища (толстостенные трубы), где гелий хранится  под давлением 125-140 атм. Существуют  и подземные хранилища гелия. На дальние расстояния гелий перевозится в жидком виде.