Ar · Elemento 18 · Gas nobile
Il terzo gas più comune nell'aria e completamente disinteressato a reagire con qualunque suo componente.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca argon tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 71 pm — cioè 0,071 nm, quindi ne servirebbero circa 7,04 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Argon è liquido in un intervallo di 4 K, da 84 K a 87 K.
La storia
Terzo gas più abbondante nell'atmosfera. Completamente inerte.
La scoperta dell'Argon ebbe inizio con una discrepanza sconcertante che avrebbe tormentato gli scienziati per oltre un secolo. Nel 1785, Henry Cavendish (1731-1810), eccentrico aristocratico e scienziato britannico, condusse un esperimento straordinario nel suo laboratorio privato a Clapham Common. Usando scintille elettriche per combinare l'azoto atmosferico con l'ossigeno, notò che una minuscola bolla di gas, circa 1/120 del volume originale, si rifiutava ostinatamente di reagire.
Cavendish scrisse nel suo taccuino: "Se vi fosse una parte dell'aria flogisticata [azoto] della nostra atmosfera che differisse dal resto e non potesse essere ridotta ad acido nitroso, potremmo concludere con sicurezza che non è più di 1/120 dell'intero volume." Questa osservazione profetica, sepolta nelle Philosophical Transactions della Royal Society, sarebbe rimasta inattiva per oltre un secolo.
John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh (1842-1919) si trovò ad affrontare una contraddizione esasperante nel suo laboratorio di Cambridge durante gli anni 1890. Nel tentativo di verificare le masse atomiche con una precisione senza precedenti, scoprì che l'azoto estratto dall'aria pesava costantemente 2.310 grammi per litro, mentre l'azoto prodotto da composti chimici pesava solo 2.297 grammi per litro.
Questa differenza di 0.013 grammi, inferiore allo 0.6%, sarebbe stata liquidata dalla maggior parte degli scienziati come Si è verificato un errore sperimentale. Ma Rayleigh, con la sua ossessiva attenzione ai dettagli, ripeté le misurazioni decine di volte nell'arco di tre anni. Provò diverse fonti: azoto da ossido nitrico, azoto da protossido di azoto, azoto da composti di ammonio; tutti producevano la massa più bassa. Solo l'azoto atmosferico rimaneva ostinatamente più pesante.
Frustrato, Rayleigh pubblicò una lettera sulla rivista Nature il 29 settembre 1892: "Sono molto perplesso da alcuni risultati recenti riguardanti la densità dell'azoto e sarei grato se qualcuno dei vostri lettori esperti di chimica potesse offrire suggerimenti sulla causa."
Sir William Ramsay (1852-1916), brillante chimico scozzese dell'University College London, lesse la lettera di Rayleigh con grande interesse. Avendo recentemente scoperto l'elio nei minerali terrestri, Ramsay possedeva l'esperienza chimica necessaria per affiancare le misurazioni fisiche di Rayleigh.
All'inizio del 1894, Ramsay iniziò esperimenti paralleli usando un approccio diverso. Invece di rimuovere l'ossigeno e il vapore acqueo dall'aria, tentò di rimuovere direttamente l'azoto, lasciando ciò che sarebbe potuto rimanere. Usando magnesio incandescente per assorbire l'azoto (3Mg + N₂ → Mg₃N₂), Ramsay consumò gradualmente tutto l'azoto da un campione d'aria.
Dopo settimane di lavoro accurato, rimase un residuo persistente, pari a circa l'1% del volume originale. Questo gas si rifiutava di reagire con qualsiasi reagente chimico provato da Ramsay: sodio, potassio, fosforo oppure gli acidi e le basi più aggressivi.
Rendendosi conto che stavano studiando lo stesso fenomeno, Rayleigh e Ramsay iniziarono a collaborare nell'aprile del 1894. Le loro competenze combinate, le precise misurazioni di Rayleigh e la sintesi chimica di Ramsay, si dimostrarono inarrestabili.
Lavorando in laboratori paralleli collegati da frequenti lettere e telegrammi, isolarono campioni puri del gas misterioso. Rayleigh ne misurò la densità: 19.9 volte superiore a quella dell'idrogeno, rispetto a 14.0 per l'azoto. Ramsay ne determinò lo spettro: completamente diverso da quello di qualsiasi elemento noto, con brillanti righe rosse e verdi mai osservate prima.
Il gas era completamente inerte dal punto di vista chimico: non formava alcun composto, sfidando le teorie contemporanee sui legami chimici. Ramsay tentò di provocare reazioni usando ogni metodo conosciuto: scariche elettriche, temperature estreme, potenti agenti ossidanti e perfino gas di fluoro. Nulla funzionò.
Il 13 agosto 1894, durante la riunione della British Association a Oxford, Rayleigh e Ramsay annunciarono congiuntamente la loro scoperta. Proposero il nome "argon", dal greco "argos", che significa "pigro" o "inattivo", in riferimento alla sua completa inerzia chimica.
L'annuncio suscitò immediate controversie. Dmitri Mendeleev (1834-1907), creatore della tavola periodica, inizialmente rifiutò di accettare l'esistenza dell'argon, sostenendo che nessun elemento potesse essere completamente inerte. La scoperta mise in discussione le ipotesi fondamentali sui legami atomici e richiese l'ampliamento della tavola periodica per accogliere i gas nobili.
Lo scetticismo si dissolse gradualmente quando altri scienziati replicarono gli esperimenti. I tentativi di Moissan di costringere l'argon a reagire con il fluoro fallirono clamorosamente, confermandone l'inerzia. L'analisi spettroscopica di William Crookes rivelò l'unica firma atomica dell'argon.
La Royal Society assegnò a Rayleigh e Ramsay la prestigiosa Medaglia Davy nel 1895. Rayleigh ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1904 "per le sue ricerche sulle densità dei gas più importanti", mentre Ramsay ottenne il Premio Nobel per la Chimica nel 1904 "per la sua scoperta degli elementi gassosi inerti presenti nell'aria".
La scoperta dell'argon rivoluzionò la chimica rivelando un'intera nuova famiglia di elementi. Ramsay scoprì successivamente l'Elio (1895), il Neon (1898), il Kripton (1898) e lo Xeno (1898), stabilendo il gruppo dei gas nobili.
Questo lavoro impose una revisione completa della tavola periodica, aggiungendo il Gruppo 18 (in precedenza Gruppo 0) e dimostrando che il sistema di Mendeleev poteva accogliere elementi del tutto inaspettati. La scoperta confermò inoltre l'importanza delle misurazioni di precisione: una differenza di densità dello 0.6% portò a scoperte fondamentali sulla struttura atomica.
La produzione commerciale di argon iniziò all'inizio del XX secolo con lo sviluppo della tecnologia di liquefazione dell'aria. Gli impianti di separazione dell'aria di Carl von Linde (1842-1934), originariamente progettati per la produzione di ossigeno, furono modificati per estrarre l'argon come prezioso sottoprodotto.
Georges Claude (1870-1960) fu un pioniere delle applicazioni industriali, usando l'argon nelle prime illuminazioni elettriche e gettando le basi delle moderne industrie dei gas industriali. Nel 1930, aziende come L'Air Liquide e Linde producevano migliaia di tonnellate di argon all'anno per le emergenti applicazioni nella saldatura e nella metallurgia.
Applicazioni
L'argon domina la saldatura a gas inerte come gas di protezione più utilizzato, consumando il 70% della produzione globale di argon. Le sue applicazioni includono:
Importanti fornitori di gas industriali come Air Liquide, Linde e Air Products producono argon per saldatura in stabilimenti di tutto il mondo, servendo produttori automobilistici come Ford, Toyota e BMW.
L'argon svolge ruoli fondamentali nella produzione dell'acciaio e nella lavorazione dei metalli:
ArcelorMittal e Nucor Steel consumano migliaia di tonnellate di argon al mese nei loro impianti siderurgici integrati.
L'industria elettronica richiede argon di purezza estremamente elevata (99.9999%+) per processi critici:
Intel, TSMC e Samsung gestiscono sistemi di purificazione dell'argon nelle loro fonderie avanzate, consumando argon puro al 99.9999%.
Le proprietà termiche dell'argon lo rendono ideale per le vetrate ad alta efficienza energetica:
Guardian Glass e Pilkington riempiono annualmente di argon milioni di vetrate isolanti negli stabilimenti di produzione in Nord America ed Europa.
L'argon permette diverse tecnologie di illuminazione e processi al plasma:
L'argon liquido (-185.8°C) trova applicazioni specialistiche:
Fermilab e CERN utilizzano migliaia di litri di argon liquido negli esperimenti di rilevamento dei neutrini e nei componenti degli acceleratori di particelle.
Da dove proviene
0,35 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 46% degli elementi
L'argon costituisce lo 0,934% dell'atmosfera terrestre in volume (9.340 ppm), risultando il terzo gas atmosferico più abbondante dopo l'azoto (78,08%) e l'ossigeno (20,95%). Ciò rappresenta circa 6,6 × 10¹⁵ kg di argon nell'intera atmosfera, una risorsa praticamente inesauribile per l'uso umano.
La concentrazione atmosferica rimane straordinariamente stabile perché l'argon è chimicamente inerte e non partecipa alla chimica atmosferica. A differenza dell'ossigeno e dell'azoto, che riciclano attraverso processi biologici e geologici, l'argon si accumula continuamente dal decadimento radioattivo.
L'argon atmosferico terrestre proviene quasi interamente dal decadimento radioattivo del potassio-40 (⁴⁰K) all'interno della crosta e del mantello terrestri. Questo processo, avvenuto nell'arco di 4,5 miliardi di anni, implica la cattura di un elettrone:
⁴⁰K + e⁻ → ⁴⁰Ar + νₑ
Con un tempo di dimezzamento di 1,25 miliardi di anni, il potassio-40 ha prodotto una quantità stimata pari al 99,6% dell'argon-40 atmosferico. Il restante 0,4% è costituito da argon-36 e argon-38 primordiali intrappolati durante la formazione della Terra.
L'argon intrappolato nelle rocce offre importanti possibilità di datazione geologica:
Le rocce vulcaniche dell'Altopiano di Yellowstone, datate con metodi K-Ar, rivelano eventi eruttivi distribuiti nell'arco di 2,1 milioni di anni.
Alcuni pozzi di gas naturale contengono concentrazioni elevate di argon dovute a processi geologici:
Queste fonti forniscono argon concentrato localmente, ma rimangono economicamente inferiori alla separazione atmosferica.
L'abbondanza cosmica dell'argon riflette i processi di nucleosintesi nelle stelle massicce:
Le concentrazioni di argon variano notevolmente nelle atmosfere planetarie:
L'elevata concentrazione di argon sulla Terra riflette condizioni ottimali per la ritenzione atmosferica e la produzione radiogenica continua.
I rapporti isotopici dell'argon atmosferico forniscono informazioni sull'evoluzione della Terra:
Nonostante la sua inerzia chimica, l'argon interagisce con i sistemi biologici:
Tutta la produzione commerciale di argon si basa sulla separazione criogenica dell'aria, che concentra l'argon atmosferico attraverso la distillazione frazionata. I principali impianti di produzione includono:
Manipolazione
Rischio principale: l'argon è atossico, ma negli spazi confinati comporta seri pericoli di asfissia. Essendo il 38% più denso dell'aria, l'argon si accumula nelle zone basse, sostituendo l'ossigeno senza preavviso. I rischi principali includono:
Rischi del gas compresso:
Manipolazione sicura delle bombole:
Protezione delle vie respiratorie:
Protezione criogenica (argon liquido):
Metodi di rilevamento:
Risposta all'asfissia:
Esposizione criogenica:
Procedure in caso di perdita di gas:
Versamenti di argon liquido:
Sicurezza sul luogo di lavoro:
Risposte rapide
Argon (simbolo Ar) è l'elemento 18 nella tavola periodica, appartenente a Gas nobile nel periodo 3, gruppo 18. Il terzo gas più comune nell'aria e completamente disinteressato a reagire con qualunque suo componente. A temperatura ambiente è un gas.
[Ne] 3s² 3p⁶, con 3 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 8. Il suo guscio esterno contiene 8 elettroni, e questo determina il suo comportamento nei legami.Argon fonde a 83.8 K (-189.3 °C) ed entra in ebollizione a 87.3 K (-185.8 °C).
La massa atomica standard di Argon è 39.948 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Argon è un gas a temperatura ambiente; la sua densità è di circa 1.784 g/L a 0 °C e 1 atm — approssimativamente maggiore di quella dell'aria.
Argon è stato scoperto nel 1894 da Rayleigh & Ramsay. Prende il nome da dal greco argos, "inattivo" — rifiuta di reagire.
Argon costituisce informazioni 0.35 mg/kg della crosta terrestre: è veramente raro, e per questo è costoso.