Argón

El argón es un elemento químico de símbolo Ar y número atómico 18. Está en el grupo 18 de la tabla periódica y es un gas noble. El argón es el tercer gas más abundante en la atmósfera terrestre, con un 0,934 % (9340 ppmv). Es más del doble de abundante que el vapor de agua (que promedia alrededor de 4000 ppmv, pero varía mucho), 23 veces más abundante que el dióxido de carbono (400 ppmv) y más de 500 veces más abundante que el neón (18 ppmv). El argón es el gas noble más abundante en la corteza terrestre y comprende el 0,00015% de la corteza.

Casi todo el argón en la atmósfera de la Tierra es argón-40 radiogénico, derivado de la descomposición del potasio-40 en la corteza terrestre. En el universo, el argón-36 es, con mucho, el isótopo de argón más común, ya que es el que se produce más fácilmente mediante la nucleosíntesis estelar en las supernovas.

El nombre "argón" se deriva de la palabra griega ἀργόν, forma singular neutra de ἀργός que significa 'perezoso' o 'inactivo', como una referencia al hecho de que el elemento casi no sufre reacciones químicas. El octeto completo (ocho electrones) en la capa atómica exterior hace que el argón sea estable y resistente a la unión con otros elementos. Su temperatura de punto triple de 83,8058 K es un punto fijo definitorio en la Escala Internacional de Temperatura de 1990.

El argón se extrae industrialmente por destilación fraccionada de aire líquido. El argón se utiliza principalmente como gas de protección inerte en la soldadura y otros procesos industriales de alta temperatura en los que las sustancias normalmente no reactivas se vuelven reactivas; por ejemplo, se utiliza una atmósfera de argón en hornos eléctricos de grafito para evitar que el grafito se queme. El argón también se usa en iluminación incandescente, fluorescente y otros tubos de descarga de gas. El argón produce un láser de gas azul verdoso distintivo. El argón también se usa en iniciadores fluorescentes.

Características

El argón tiene aproximadamente la misma solubilidad en agua que el oxígeno y es 2,5 veces más soluble en agua que el nitrógeno. El argón es incoloro, inodoro, no inflamable y no tóxico como sólido, líquido o gas. El argón es químicamente inerte en la mayoría de las condiciones y no forma compuestos estables confirmados a temperatura ambiente.

Aunque el argón es un gas noble, puede formar algunos compuestos en diversas condiciones extremas. Se ha demostrado el fluorohidruro de argón (HArF), un compuesto de argón con flúor e hidrógeno que es estable por debajo de 17 K (−256,1 °C; −429,1 °F). Aunque los compuestos químicos neutros del argón en estado fundamental actualmente se limitan a HArF, el argón puede formar clatratos con agua cuando los átomos de argón quedan atrapados en una red de moléculas de agua. Iones, como ArH, y se han demostrado complejos de estado excitado, como ArF. El cálculo teórico predice varios compuestos de argón más que deberían ser estables pero que aún no se han sintetizado.

Historia

El argón (griego ἀργόν, forma singular neutra de ἀργός que significa "perezoso" o "inactivo") se nombra en referencia a su inactividad química. Esta propiedad química de este primer gas noble que se descubrió impresionó a quienes lo nombraron. Henry Cavendish sospechó que un gas no reactivo era un componente del aire en 1785.

El argón fue aislado por primera vez del aire en 1894 por Lord Rayleigh y Sir William Ramsay en el University College London mediante la eliminación de oxígeno, dióxido de carbono, agua y nitrógeno de una muestra de aire limpio. Primero lograron esto replicando un experimento de Henry Cavendish. Atraparon una mezcla de aire atmosférico con oxígeno adicional en un tubo de ensayo (A) boca abajo sobre una gran cantidad de solución alcalina diluida (B), que en el experimento original de Cavendish era hidróxido de potasio,y condujo una corriente a través de cables aislados por tubos de vidrio en forma de U (CC) que sellaron alrededor de los electrodos de alambre de platino, dejando los extremos de los cables (DD) expuestos al gas y aislados de la solución alcalina. El arco fue alimentado por una batería de cinco celdas Grove y una bobina Ruhmkorff de tamaño mediano. El álcali absorbía los óxidos de nitrógeno producidos por el arco y también el dióxido de carbono. Hicieron funcionar el arco hasta que no se pudo ver más reducción del volumen del gas durante al menos una o dos horas y las líneas espectrales de nitrógeno desaparecieron cuando se examinó el gas. El oxígeno restante se hizo reaccionar con pirogalato alcalino para dejar un gas aparentemente no reactivo al que llamaron argón.

Antes de aislar el gas, habían determinado que el nitrógeno producido a partir de compuestos químicos era un 0,5 % más ligero que el nitrógeno de la atmósfera. La diferencia era leve, pero lo suficientemente importante como para atraer su atención durante muchos meses. Llegaron a la conclusión de que había otro gas en el aire mezclado con el nitrógeno. El argón también se encontró en 1882 a través de una investigación independiente de HF Newall y WN Hartley. Cada uno observó nuevas líneas en el espectro de emisión del aire que no coincidían con los elementos conocidos.

Hasta 1957, el símbolo del argón era "A", pero ahora es "Ar".

Ocurrencia

El argón constituye el 0,934 % en volumen y el 1,288 % en masa de la atmósfera terrestre. El aire es la principal fuente industrial de productos de argón purificado. El argón se aísla del aire mediante fraccionamiento, más comúnmente mediante destilación fraccionada criogénica, un proceso que también produce nitrógeno, oxígeno, neón, criptón y xenón purificados. La corteza terrestre y el agua de mar contienen 1,2 ppm y 0,45 ppm de argón, respectivamente.

Isótopos

Los principales isótopos de argón que se encuentran en la Tierra sonAR (99,6%),Ar (0,34 %), yAr (0,06%). De forma naturalK, con una vida media de 1,25 × 10 años, decae a estableAr (11,2%) por captura de electrones o emisión de positrones, y también a estableCa (88,8%) por desintegración beta. Estas propiedades y proporciones se utilizan para determinar la edad de las rocas mediante la datación K-Ar.

En la atmósfera terrestre,Ar está hecho por la actividad de los rayos cósmicos, principalmente por la captura de neutrones deAr seguido de emisión de dos neutrones. En el entorno del subsuelo, también se produce a través de la captura de neutrones porK, seguido de emisión de protones.Ar se crea a partir de la captura de neutrones porCa seguido de una emisión de partículas alfa como resultado de explosiones nucleares subterráneas. Tiene una vida media de 35 días.

Entre ubicaciones en el Sistema Solar, la composición isotópica del argón varía mucho. Donde la principal fuente de argón es la descomposición deK en rocas,Ar será el isótopo dominante, como lo es en la Tierra. El argón producido directamente por la nucleosíntesis estelar está dominado por el nucleido del proceso alfaAr. En consecuencia, el argón solar contiene 84,6%Ar (según las mediciones del viento solar), y la proporción de los tres isótopos Ar: Ar: Ar en las atmósferas de los planetas exteriores es de 8400: 1600: 1. Esto contrasta con la baja abundancia deAr en la atmósfera de la Tierra, que es solo 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), comparable con el neón (18,18 ppmv) en la Tierra y con gases interplanetarios, medidos por sondas.

Las atmósferas de Marte, Mercurio y Titán (la luna más grande de Saturno) contienen argón, predominantemente comoAr, y su contenido puede llegar al 1,93% (Marte).

El predominio de la radiogeniaAr es la razón por la cual el peso atómico estándar del argón terrestre es mayor que el del siguiente elemento, el potasio, un hecho que resultó desconcertante cuando se descubrió el argón. Mendeleev colocó los elementos en su tabla periódica en orden de peso atómico, pero la inercia del argón sugirió una ubicación antes del metal alcalino reactivo. Henry Moseley luego resolvió este problema al mostrar que la tabla periódica en realidad está organizada en orden de número atómico (ver Historia de la tabla periódica).

Compuestos

El octeto completo de electrones del argón indica subcapas s y p completas. Esta capa de valencia completa hace que el argón sea muy estable y extremadamente resistente a la unión con otros elementos. Antes de 1962, el argón y los demás gases nobles se consideraban químicamente inertes e incapaces de formar compuestos; sin embargo, desde entonces se han sintetizado compuestos de los gases nobles más pesados. El primer compuesto de argón con pentacarbonilo de tungsteno, W(CO) ₅ Ar, se aisló en 1975. Sin embargo, no fue ampliamente reconocido en ese momento.En agosto de 2000, investigadores de la Universidad de Helsinki formaron otro compuesto de argón, fluorohidruro de argón (HArF), al iluminar con luz ultravioleta argón congelado que contenía una pequeña cantidad de fluoruro de hidrógeno con yoduro de cesio. Este descubrimiento provocó el reconocimiento de que el argón podía formar compuestos débilmente unidos, aunque no fue el primero. Es estable hasta 17 Kelvin (−256 °C). El ArCF metaestable₂En 2010 se observó dicación, que es isoelectrónica de valencia con fluoruro de carbonilo y fosgeno. esta fue la primera molécula de gas noble detectada en el espacio exterior.

El hidruro de argón sólido (Ar(H ₂) ₂) tiene la misma estructura cristalina que la fase MgZn ₂ Laves. Se forma a presiones entre 4,3 y 220 GPa, aunque las mediciones Raman sugieren que las moléculas de H _{2 en Ar(H 2}) ₂ se disocian por encima de 175 GPa.

Producción

Industrial

El argón se extrae industrialmente por destilación fraccionada de aire líquido en una unidad criogénica de separación de aire; un proceso que separa el nitrógeno líquido, que hierve a 77,3 K, del argón, que hierve a 87,3 K, y el oxígeno líquido, que hierve a 90,2 K. Cada año se producen alrededor de 700.000 toneladas de argón en todo el mundo.

En desintegraciones radiactivas

Ar, el isótopo más abundante de argón, se produce por la desintegración de K con una vida media de 1,25 × 10 años por captura de electrones o emisión de positrones. Debido a esto, se utiliza en la datación por potasio-argón para determinar la edad de las rocas.

Aplicaciones

El argón tiene varias propiedades deseables:

• El argón es un gas químicamente inerte.
• El argón es la alternativa más barata cuando el nitrógeno no es suficientemente inerte.
• El argón tiene baja conductividad térmica.
• El argón tiene propiedades electrónicas (ionización y/o espectro de emisión) deseables para algunas aplicaciones.

Otros gases nobles serían igualmente adecuados para la mayoría de estas aplicaciones, pero el argón es, con diferencia, el más económico. El argón es económico, ya que se encuentra de forma natural en el aire y se obtiene fácilmente como subproducto de la separación criogénica del aire en la producción de oxígeno líquido y nitrógeno líquido: los constituyentes primarios del aire se utilizan a gran escala industrial. Los otros gases nobles (excepto el helio) también se producen de esta manera, pero el argón es el más abundante con diferencia. La mayor parte de las aplicaciones de argón surgen simplemente porque es inerte y relativamente barato.

Procesos industriales

El argón se utiliza en algunos procesos industriales de alta temperatura en los que las sustancias normalmente no reactivas se vuelven reactivas. Por ejemplo, se utiliza una atmósfera de argón en hornos eléctricos de grafito para evitar que el grafito se queme.

Para algunos de estos procesos, la presencia de gases de nitrógeno u oxígeno puede causar defectos en el material. El argón se utiliza en algunos tipos de soldadura por arco, como la soldadura por arco metálico con gas y la soldadura por arco de tungsteno con gas, así como en el procesamiento de titanio y otros elementos reactivos. Una atmósfera de argón también se usa para hacer crecer cristales de silicio y germanio.

El argón se utiliza en la industria avícola para asfixiar a las aves, ya sea para el sacrificio masivo después de brotes de enfermedades o como un medio de sacrificio más humanitario que el aturdimiento eléctrico. El argón es más denso que el aire y desplaza el oxígeno cerca del suelo durante la asfixia por gas inerte. Su naturaleza no reactiva lo hace adecuado en un producto alimenticio y, dado que reemplaza el oxígeno dentro del ave muerta, el argón también mejora la vida útil.

El argón se utiliza a veces para extinguir incendios en los que el agua o la espuma pueden dañar equipos valiosos.

Investigación científica

El argón líquido se utiliza como objetivo para experimentos con neutrinos y búsquedas directas de materia oscura. La interacción entre los WIMP hipotéticos y un núcleo de argón produce luz de centelleo que es detectada por tubos fotomultiplicadores. Se utilizan detectores de dos fases que contienen gas argón para detectar los electrones ionizados producidos durante la dispersión del núcleo WIMP. Al igual que con la mayoría de los otros gases nobles licuados, el argón tiene un alto rendimiento de luz de centelleo (alrededor de 51 fotones/keV), es transparente a su propia luz de centelleo y es relativamente fácil de purificar. En comparación con el xenón, el argón es más económico y tiene un perfil de tiempo de centelleo distinto, lo que permite separar los retrocesos electrónicos de los retrocesos nucleares. Por otro lado, su fondo intrínseco de rayos beta es más grande debido aContaminación por Ar, a menos que se use argón de fuentes subterráneas, que tiene mucho menosContaminación por aire. La mayor parte del argón en la atmósfera de la Tierra fue producido por la captura de electrones de larga vidak (K + mi →Ar + ν) presente en el potasio natural dentro de la Tierra. losLa actividad de Ar en la atmósfera se mantiene por la producción cosmogénica a través de la reacción de eliminación.Ar (n,2n)Ar y reacciones similares. La vida media deAr tiene sólo 269 años. Como resultado, el Ar subterráneo, protegido por rocas y agua, tiene mucho menosContaminación por aire. Los detectores de materia oscura que actualmente funcionan con argón líquido incluyen DarkSide, WArP, ArDM, microCLEAN y DEAP. Los experimentos con neutrinos incluyen ICARUS y MicroBooNE, los cuales utilizan argón líquido de alta pureza en una cámara de proyección de tiempo para obtener imágenes tridimensionales de grano fino de las interacciones de neutrinos.

En la Universidad de Linköping, Suecia, el gas inerte se utiliza en una cámara de vacío en la que se introduce plasma para ionizar películas metálicas. Este proceso da como resultado una película utilizable para la fabricación de procesadores de ordenador. El nuevo proceso eliminaría la necesidad de baños químicos y el uso de materiales costosos, peligrosos y raros.

Preservativo

El argón se utiliza para desplazar el aire que contiene oxígeno y humedad en el material de envasado para prolongar la vida útil del contenido (el argón tiene el código de aditivo alimentario europeo E938). La oxidación aérea, la hidrólisis y otras reacciones químicas que degradan los productos se retardan o evitan por completo. Los productos químicos y farmacéuticos de alta pureza a veces se envasan y sellan en argón.

En la elaboración del vino, el argón se utiliza en una variedad de actividades para proporcionar una barrera contra el oxígeno en la superficie del líquido, que puede estropear el vino al impulsar tanto el metabolismo microbiano (como con las bacterias del ácido acético) como la química redox estándar.

El argón a veces se usa como propulsor en latas de aerosol.

El argón también se usa como conservante para productos como barniz, poliuretano y pintura, al desplazar el aire para preparar un recipiente para el almacenamiento.

Desde 2002, los Archivos Nacionales Estadounidenses almacenan importantes documentos nacionales como la Declaración de Independencia y la Constitución dentro de estuches llenos de argón para inhibir su degradación. El argón es preferible al helio que se había utilizado en las cinco décadas anteriores, porque el gas helio se escapa a través de los poros intermoleculares en la mayoría de los recipientes y debe reemplazarse periódicamente.

Equipo de laboratorio

El argón se puede usar como gas inerte dentro de las líneas y cajas de guantes Schlenk. Se prefiere el argón al nitrógeno menos costoso en los casos en que el nitrógeno pueda reaccionar con los reactivos o el aparato.

El argón se puede utilizar como gas portador en la cromatografía de gases y en la espectrometría de masas de ionización por electropulverización; es el gas de elección para el plasma utilizado en la espectroscopia ICP. Se prefiere el argón para el recubrimiento por pulverización catódica de muestras para microscopía electrónica de barrido. El gas argón también se usa comúnmente para la deposición por pulverización catódica de películas delgadas como en la microelectrónica y para la limpieza de obleas en la microfabricación.

Uso medico

Los procedimientos de criocirugía, como la crioablación, utilizan argón líquido para destruir tejidos, como las células cancerosas. Se utiliza en un procedimiento llamado "coagulación mejorada con argón", una forma de electrocirugía con haz de plasma de argón. El procedimiento conlleva el riesgo de producir embolia gaseosa y ha resultado en la muerte de al menos un paciente.

Los láseres de argón azul se utilizan en cirugía para soldar arterias, destruir tumores y corregir defectos oculares.

El argón también se ha utilizado experimentalmente para reemplazar el nitrógeno en la mezcla de respiración o descompresión conocida como Argox, para acelerar la eliminación del nitrógeno disuelto de la sangre.

Encendiendo

Las luces incandescentes están llenas de argón, para preservar los filamentos a altas temperaturas de la oxidación. Se utiliza por la forma específica en que ioniza y emite luz, como en globos de plasma y calorimetría en física de partículas experimental. Las lámparas de descarga de gas llenas de argón puro proporcionan una luz lila/violeta; con argón y algo de mercurio, luz azul. El argón también se utiliza para los láseres de iones de argón azul y verde.

Usos varios

El argón se utiliza para el aislamiento térmico en ventanas energéticamente eficientes. El argón también se usa en el buceo técnico para inflar un traje seco porque es inerte y tiene baja conductividad térmica.

El argón se utiliza como propulsor en el desarrollo del cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR). Se permite que el gas argón comprimido se expanda para enfriar las cabezas buscadoras de algunas versiones del misil AIM-9 Sidewinder y otros misiles que usan cabezas buscadoras térmicas enfriadas. El gas se almacena a alta presión.

El argón-39, con una vida media de 269 años, se ha utilizado para una serie de aplicaciones, principalmente para la datación de núcleos de hielo y aguas subterráneas. Además, la datación con potasio-argón y la datación relacionada con argón-argón se utilizan para fechar rocas sedimentarias, metamórficas e ígneas.

Los atletas han utilizado el argón como agente dopante para simular condiciones hipóxicas. En 2014, la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) agregó el argón y el xenón a la lista de sustancias y métodos prohibidos, aunque en este momento no existe una prueba confiable para el abuso.

La seguridad

Aunque el argón no es tóxico, es un 38 % más denso que el aire y, por lo tanto, se considera un asfixiante peligroso en áreas cerradas. Es difícil de detectar porque es incoloro, inodoro e insípido. Un incidente de 1994, en el que un hombre se asfixió después de ingresar a una sección llena de argón de una tubería de petróleo en construcción en Alaska, destaca los peligros de las fugas del tanque de argón en espacios confinados y enfatiza la necesidad de un uso, almacenamiento y manejo adecuados.