Was ist Argon?
Argon (Symbol Ar) ist Element 18 im Periodensystem, ein Edelgas in der 3, Gruppe 18. Das dritthäufigste Gas in der Luft und völlig uninteressiert daran, mit irgendetwas davon zu reagieren. Bei Raumtemperatur ist es gasförmig.
Die Geschichte
Was Argon ist und wie wir es gefunden haben
Dritthäufigstes Gas in der Atmosphäre. Vollständig inert.
Die Entdeckung von Argon
Die Entdeckung und Geschichte von Argon
Die Stickstoff-Anomalie
Die Entdeckung von Argon begann mit einer rätselhaften Abweichung, die Wissenschaftler über ein Jahrhundert lang beschäftigen sollte. Im Jahr 1785 führte Henry Cavendish (1731-1810), der exzentrische britische Adelige und Wissenschaftler, in seinem privaten Labor am Clapham Common ein bemerkenswertes Experiment durch. Mithilfe elektrischer Funken, um atmosphärischen Stickstoff mit Sauerstoff zu verbinden, bemerkte er, dass eine winzige Gasblase – ungefähr 1/120 des ursprünglichen Volumens – sich hartnäckig weigerte zu reagieren.
Cavendish schrieb in sein Notizbuch: „Wenn es irgendeinen Teil der phlogistisierten Luft [Stickstoff] unserer Atmosphäre gibt, der sich vom Rest unterscheidet und nicht zu Salpetersäure reduziert werden kann, können wir sicher schließen, dass er nicht mehr als 1/120 des Ganzen ausmacht.“ Diese prophetische Beobachtung, die in den Philosophical Transactions der Royal Society verborgen war, sollte über ein Jahrhundert lang unberücksichtigt bleiben.
Lord Rayleighs beharrliche Präzision
John William Strutt, 3. Baron Rayleigh (1842-1919) sah sich in seinem Cambridge-Labor während der 1890er-Jahre mit einem quälenden Widerspruch konfrontiert. Bei dem Versuch, Atommassen mit beispielloser Genauigkeit zu bestimmen, entdeckte er, dass aus Luft gewonnener Stickstoff konstant 2.310 Gramm pro Liter wog, während aus chemischen Verbindungen erzeugter Stickstoff nur 2.297 Gramm pro Liter wog.
Dieser Unterschied von 0.013 Gramm – weniger als 0.6 % – wäre von den meisten Wissenschaftlern als experimenteller Fehler abgetan worden. Doch Rayleigh wiederholte die Messungen aufgrund seiner obsessiven Liebe zum Detail über drei Jahre hinweg dutzende Male. Er probierte verschiedene Quellen aus: Stickstoff aus Stickstoffmonoxid, Stickstoff aus Distickstoffmonoxid und Stickstoff aus Ammoniumverbindungen – alle ergaben das geringere Gewicht. Nur der atmosphärische Stickstoff blieb hartnäckig schwerer.
Frustriert veröffentlichte Rayleigh am 29. September 1892 einen Brief in der Zeitschrift Nature: „Einige kürzlich erzielte Ergebnisse zur Dichte von Stickstoff geben mir große Rätsel auf, und ich wäre dankbar, wenn einer Ihrer chemischen Leser Vorschläge zur Ursache machen könnte.“
William Ramsays chemisches Genie
Sir William Ramsay (1852-1916), der brillante schottische Chemiker am University College London, las Rayleighs Brief mit großem Interesse. Nachdem Ramsay kürzlich Helium in Mineralien der Erde entdeckt hatte, besaß er die chemische Expertise, die Rayleighs physikalische Messungen ergänzen konnte.
Anfang 1894 begann Ramsay mit parallelen Experimenten, bei denen er einen anderen Ansatz verfolgte. Statt Sauerstoff und Wasserdampf aus der Luft zu entfernen, versuchte er, den Stickstoff selbst zu entfernen und alles zurückzulassen, was möglicherweise übrig blieb. Mithilfe glühenden Magnesiums, das Stickstoff absorbiert (3Mg + N₂ → Mg₃N₂), entzog Ramsay einer Luftprobe nach und nach den gesamten Stickstoff.
Nach wochenlanger sorgfältiger Arbeit blieb ein beständiger Rückstand zurück – ungefähr 1 % des ursprünglichen Volumens. Dieses Gas weigerte sich, mit jedem von Ramsay getesteten chemischen Reagenz zu reagieren: Natrium, Kalium, Phosphor oder den aggressivsten Säuren und Basen.
Der gemeinsame Durchbruch
Als sie erkannten, dass sie dasselbe Phänomen untersuchten, begannen Rayleigh und Ramsay im April 1894 zusammenzuarbeiten. Ihre vereinte Expertise – Rayleighs präzise Messungen und Ramsays chemische Synthese – erwies sich als unaufhaltsam.
In parallel arbeitenden Laboren, die durch häufige Briefe und Telegramme verbunden waren, isolierten sie reine Proben des rätselhaften Gases. Rayleigh bestimmte seine Dichte: Es war 19.9-mal schwerer als Wasserstoff, verglichen mit 14.0 bei Stickstoff. Ramsay bestimmte sein Spektrum: Es war völlig anders als das jedes bekannten Elements und zeigte leuchtend rote und grüne Linien, die nie zuvor beobachtet worden waren.
Das Gas war chemisch vollständig inert – es bildete keinerlei Verbindungen und widersprach damit den zeitgenössischen Theorien der chemischen Bindung. Ramsay versuchte, mithilfe jeder bekannten Methode Reaktionen zu erzwingen: elektrische Entladungen, extreme Temperaturen, starke Oxidationsmittel und sogar Fluorgas. Nichts funktionierte.
Die Benennung des „trägen“ Elements
Am 13. August 1894 verkündeten Rayleigh und Ramsay auf der Tagung der British Association in Oxford gemeinsam ihre Entdeckung. Sie schlugen den Namen „Argon“ vor, abgeleitet vom griechischen „argos“, was „träge“ oder „untätig“ bedeutet und sich auf seine vollständige chemische Inertheit bezog.
Die Bekanntgabe löste sofort Kontroversen aus. Dmitri Mendeleev (1834-1907), der Schöpfer des Periodensystems, weigerte sich zunächst, die Existenz von Argon anzuerkennen, da seiner Ansicht nach kein Element vollständig inert sein konnte. Die Entdeckung stellte grundlegende Annahmen über die chemische Bindung infrage und erforderte eine Erweiterung des Periodensystems, um Edelgase aufzunehmen.
Bestätigung und Anerkennung
Die Skepsis löste sich allmählich auf, als andere Wissenschaftler die Experimente wiederholten. Moissans Versuche, Reaktionen von Argon mit Fluor zu erzwingen, scheiterten spektakulär und bestätigten seine Inertheit. William Crookes spektroskopische Analyse enthüllte Argons einzigartige atomare Signatur.
Die Royal Society verlieh Rayleigh und Ramsay 1895 die angesehene Davy-Medaille. Rayleigh erhielt 1904 den Nobelpreis für Physik „für seine Untersuchungen der Dichten der wichtigsten Gase“, während Ramsay 1904 den Nobelpreis für Chemie „für seine Entdeckung der in der Luft enthaltenen inerten gasförmigen Elemente“ erhielt.
Die Erschließung der Edelgasfamilie
Die Entdeckung von Argon revolutionierte die Chemie, indem sie eine völlig neue Familie von Elementen enthüllte. Ramsay entdeckte anschließend Helium (1895), Neon (1898), Krypton (1898) und Xenon (1898) und etablierte damit die Edelgasgruppe.
Diese Arbeit zwang zu einer vollständigen Überarbeitung des Periodensystems, bei der Gruppe 18 (früher Gruppe 0) hinzugefügt wurde. Sie zeigte außerdem, dass Mendeleevs System völlig unerwartete Elemente aufnehmen konnte. Die Entdeckung bestätigte auch die Bedeutung präziser Messungen – ein Dichteunterschied von 0.6 % führte zu grundlegenden Erkenntnissen über den Aufbau der Atome.
Industrielle Entwicklung
Die kommerzielle Argonproduktion begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Entwicklung der Luftverflüssigungstechnologie. Die Luftzerlegungsanlagen von Carl von Linde (1842-1934), die ursprünglich für die Sauerstoffproduktion konzipiert worden waren, wurden angepasst, um Argon als wertvolles Nebenprodukt zu gewinnen.
Georges Claude (1870-1960) war ein Vorreiter bei industriellen Anwendungen. Er verwendete Argon in der frühen elektrischen Beleuchtung und legte den Grundstein für die moderne Industriegasbranche. Bis 1930 produzierten Unternehmen wie L'Air Liquide und Linde jährlich Tausende Tonnen Argon für die aufkommenden Anwendungen in der Schweißtechnik und Metallurgie.