Инертные газы 2(б)

                  Легкий гелий  ³₂ He получают различными способами.  Один из способов основан на термодиффузионном разделении гелия, обогащенного легким изотопом.        

            А тяжелый изотоп ⁶₂ Не синтезируют из лития и берилия при нейтронном облучении:

                    ⁶₃ Li +¹₀nà  ⁴₂ He + ³₁ T         ¹⁴₇N + ¹₀n à³₁ T + ¹²₆ C           ³₁ T à ³₂ He + ⁰_-b + ⁰₀g                              

                     ⁶₃ Li + ¹₁H à³₂He + ⁴₂ He

               ⁹₄ Be + ¹₀ n à⁶₂ He + ⁴₂ He                            ⁶₃ Li +⁰_-b + ⁰₀n à⁶₂ He

               ⁷₃ Li + ²₁ Dà ⁵₂ He + ⁴₂ He                            ⁴₂ He + ²₁ Dà⁵₂ He + ¹₁ H

            Один  из перспективных путей получения  гелия—4 в будущем может стать управляемый  термоядерный синтез:

         ³₁ Т + ²₁ D-à ⁴₂ He + ¹₀ n        

       2) Получение неона, аргона, криптона и ксенона.

           Воздух - не только практически  единственный, но и неисчерпаемый и неизменный по составу источник получения этих четырех инертных газов. Воздух очищают от углекислого газа  и влаги и с помощью глубокого холода сжижают. Затем жидкий воздух постепенно испаряют. Поскольку кислород кипит  при более высокой температуре (-182,97^о С), чем азот (-195,8^о С), то сначала испаряется азот, а кислород  остается в жидком состоянии. Чтобы добиться полного разделения процесс многократно повторяют. Поскольку гелий и неон – газы чрезвычайно летучие, то из жидкого воздуха они уходят в пар с первыми порциями азота. Затем из этой смеси азот вымораживается и получается смесь, содержащая  азот и водород в количестве 1-2 %, и гелий и неон  в соотношении 1: 3. Такая смесь называется  сырой неон. Иногда используют сырой неон, например, для изготовления  сигнальных  и рекламных  газосветных ламп. Для получения  чистого неона сырой газ  освобождают от азота и водорода. Азот повторно  вымораживают  под давлением 10-15 ат, а водород удаляется с помощью оксида меди при нагревании до 700 ^о С. А затем смесь неона и гелия разделяют адсорбционным или конденсационным способом. При первом  способе охлажденную жидким воздухом смесь адсорбируют на активированном угле.. После насыщения адсорбента газ откачивают  из адсорбера до остаточного давления в несколько миллиметров ртутного столба. По мере разрежения  пространства  вначале  откачивается чистый гелий, затем он увлекает с собой до 25 % неона.  Оставшийся в угле неон десорбируют при постепенном нагревании и одновременно откачивают. Метод адсорбции простой, но для получения продуктов высокой чистоты требуется  многократное повторение операции.

                    Конденсационный метод  технически  более сложен, зато он обеспечивает  почти идеальное разделение смеси.  Смесь замораживают  жидким водородом до 13-14К и  неон отвердевает. Гелий, оставшийся  газообразным, откачивают почти без примеси неона, после чего твердый неон  вновь переводят в газ.

                   Отделение  гелия и неона  от прочих инертных газов достигается  адсорбционным методом. При малых  давлениях  гелий и неон  практически не адсорбируются активированным углем, охлажденным до 20,4^о К. Прочие инертные газы связываются углем и могут быть  десорбированы нагреванием последнего до  300 ^о С.

      3. Получение аргона.

           В воздухе аргона относительно  много, но извлечь его и получить в чистом виде сложно. Трудность состоит в том, что температура кипения аргона  находится между  температурами кипения  азота и кислорода, ближе к последней (t_кип. (Ar)=-185,87^оС). При испарении жидкого воздуха аргон, будучи более летучим, чем кислород, уходит следом за азотом. Поднимаясь вверх по колонне, он встречается с все более холодной жидкостью, конденсируется и стекает вниз. По высоте аппарата можно найти такой участок, где скапливается  наибольшее количество аргона при наименьшей  концентрации азота. В аппаратах двукратной ректификации таким участком  является  нижняя часть верхней колонны на границе между  первой и второй третью ее высоты. Отсюда и отводится «аргонная» фракция  воздушных  газов, которая содержит  8-12 % аргона 0,2-0,5 % азота, остальное кислород.

            Аргонную фракцию в свою очередь  подвергают ректификации по тому  же принципу, что и воздух. Сырой  аргон затем очищают. Несмотря  на обилие аргона в атмосфере,  он остается дефицитным газом,  так как при получении из воздуха  кислорода и азота, попутно  не всегда извлекаются  и инертные газы  из-за  технической сложности.

                 Аргон извлекают  также из  отходов азотно-туковых заводов  – газов продувки, выводимых из  системы синтеза аммиака, в  которых присутствует 5-16 % аргона.

  4. Получение  криптона  и ксенона.

                Криптон и  ксенон – наименее летучие компоненты  воздуха - скапливаются  вместе с кислородом. Жидкий кислород  подвергают  ректификации, в результате получают  криптоновый концентрат, содержащий 0,1-0,2 % криптона и еще меньше  ксенона. Концентрат очищают и вновь сжижают и продолжают процесс ректификации  при 1,5-2 атм. В результате получается концентрат, в котором уже 10-20 % криптона. По мере концентрации смесь снова газифицируется углеводородами и ректифицируется. И в конце процесса получается  технический криптон, содержащий 88-98 % криптона и 5-8 % ксенона.

               Таким образом, чтобы получить  криптон, надо переработать в  сотни  тысяч раз большие  объемы кислорода. Разделить криптоново - ксеноновую  смесь методом ректификации нетрудно, так как точки кипения этих газов отстоят друг от друга на 44^о С. Можно отделить ксенон от криптона также методом избирательного поглощения на активированном угле, используя лучшую адсорбируемость ксенона.

                  ПРИМЕНЕНИЕ  ИНЕРТНЫХ   ГАЗОВ.

1. Применение гелия.

           Первое  применение  гелий   нашел  в воздухоплавании. Сочетание  в гелии  инертности и легкости  делают его идеальным наполнителем  воздухоплавательных аппаратов  всех видов. 

          Более 75 % вырабатываемого гелия  используется  во многих отраслях  машиностроения и металлургии,  в ракето- и самолетостроении, в атомной, морской и  космической  технике.

         В атмосфере гелия высокой  чистоты производят  электродуговую сварку, резку многих металлов. Получение титана, циркония, вольфрама, плутония, тория, урана, гафния, ниобия, тантала, германия, кремния невозможно без  применения  защитной атмосферы  инертного газа.

           При литье деталей из цветных  металлов гелием продувают расплав перед заливкой в формы для удаления растворенных газов и выноса на поверхность неметаллических примесей в виде шлака.

            Легкий и инертный гелий – идеальное средство для передавливания  огнеопасных жидкостей и порошков. Гелий  является  лучшей средой для быстрой и безопасной сушки легко взрывающихся  веществ. Здесь благодаря высокой теплопроводности гелия  обеспечивается  равномерность и тем самым  безопасность нагрева высушиваемой массы. Те же качества гелия делают его  эффективным  гасителем пламени и защитным  средством  при хранении огнеопасных веществ.

           Гелий  может использоваться  в качестве  высокотемпературного  теплоносителя в  ядерных реакторах.

         Способность гелия проникать  через микроскопически малые каналы благодаря малым размерам атомов и  малой вязкости используется в течеискателях, приборах для испытания  сварных швов на  газопроницаемость.

         В атмосфере гелия пищевые  продукты  сохраняют свой первоначальный  вкус и аромат.

         Гелий применяется в науке для изготовления различных приборов. Гелий применяется в гелиево-неоновом лазере для передачи энергии возбуждения.

         Изучением закономерностей распределения   гелия в горных породах, подземных  водах и природных  газах  пытаются  прогнозировать землетрясения,  определять структуры разломов и связанных с ними  месторождений металлов, имеющих глубинное происхождение.

        Гелиевым газовым  термометром  измеряют температуру в очень   широких диапазонах.

        Хорошая электропроводность гелия и способность к яркой  эмиссии света используется в  разряженных газосветных трубках, а также  в некоторых  лампах накаливания, применяемых для  сигнализации. В зависимости от давления, примеси другого инертного газа, вида и интенсивности электрического тока  гелиевые трубки светятся  розовым, оранжевым, ярко-желтым и иными цветами. При конденсированном разряде гелий вспыхивает ярким белым светом, что используется для сверхбыстрой фотографии.

         Десятки тысяч  кубометров  гелия расходуется ежегодно на  приготовление  так называемого  гелиевого  воздуха - смеси одного объема кислорода и четырех объемов гелия. Этот воздух применяется для лечения и профилактики ряда заболеваний, для  работы водолазов, подводных спасателей, в атмосферах космических кораблей при длительных полетах. Однако, обладая повышенной  теплопроводностью, эта смесь быстро отводит тепло, что заставляет океанавтов работать при температуре  25-27 ^оС, и в связи с этим  на глубине  150-200 м   они порой испытывают дрожь и головокружение. Но этот недостаток исчезает, если не  весь азот  заменить на гелий. Смесь из 21 % кислорода,  18% азота и 61 % гелия позволяет погружаться на глубину 300-350 м .

         Обособленное место  занимает  применение потоков заряженных  ядер гелия – источников  радиоактивного излучения. По активности действия  на вещество, особенно на живую ткань,  альфа-частицы занимают одно из первых мест среди проникающих излучений. Однако малая длина пробега и, следовательно,  малая проницаемость ограничивает  сферу их применения. По  количеству нейтронов, выбиваемых альфа-частицами,  судят о концентрации  легких элементов в рудах (Be, B, F, Al). Альфа-источники применяются для ионизации воздуха, что используется в различных приборах. Например, в вакуумметрах, измерителях давления, анемометрах,  измерителях  скорости  газов в трубах.

                  Иногда альфа-излучение  применяется для стерилизации пищевых продуктов  и предохранения  приборов от плесени. Малые дозы альфа-облучения  благоприятно сказываются на ускорение развития семян, одновременно повышая урожайность и устойчивость к болезни.

                    Наука стремилась к достижению  низких температур. Одни из рекордно низких  точек  равны 0,71 К и 0,3 К.  Они достигаются в гелиевых криостатах.

                  Но еще более низкое охлаждение  достигается при методах магнитного  охлаждения, которые связаны с  использованием жидкого и газообразного  гелия. Еще более успешный метод   основан на растворении жидкого   гелия-3 в жидком  гелии-4, при котором температура раствора снижается. Таким образом, только с помощью жидкого гелия можно охладить вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю.

                При температуре жидкого гелия  изменяются  скорости химических  реакций: одни из них замедляются, а другие, наоборот, ускоряются. Резко меняются механические свойства ряда металлов и полимеров. Например, прочность  алюминия на разрыв возрастает в 100 раз по сравнению с прочностью при нормальных температурах. Иными становятся  магнитные свойства вещества. Например, некоторые химические  соединения становятся  антиферромагнетиками, то есть переходят в особое состояние упорядоченности, когда их ионы  ориентируются так, что магнитные моменты компенсируют друг друга.

             Существует ряд металлов, сплавов и химических соединений, электрическое сопротивление которых  при достижении определенной температуры скачкообразно падает до нуля и остается нулевым  при дальнейшем охлаждении. Температура, при которой  происходит этот скачок, называется  критической (Т_к). Наиболее  высокой критической температурой  обладают  Nb₃Ge и сплавы из ниобия, алюминия и германия (Т_к =21-23 К). Для свинца  Т_к=7,2 К. , а для олова Т_к = 3,7 К.  Возникший электрический ток продолжает течь в кольце из сверхпроводящего металла неопределенно долгое время.

           Особый интерес вызывает применение  сверхпроводников  в электронике,  в конструкциях усилителей и  генераторов на частотах сантиметрового  диапазона, при передаче  электричества  на дальние  расстояния. Уже  существуют сверхпроводящих соленоиды, создающие при  температуре жидкого гелия сильные магнитные поля при ничтожных затратах энергии.