Argônio

Argônio é um elemento químico de símbolo Ar e número atômico 18. Está no grupo 18 da tabela periódica e é um gás nobre. O argônio é o terceiro gás mais abundante na atmosfera da Terra, com 0,934% (9340 ppmv). É mais de duas vezes mais abundante que o vapor de água (que tem uma média de cerca de 4.000 ppmv, mas varia muito), 23 vezes mais abundante que o dióxido de carbono (400 ppmv) e mais de 500 vezes mais abundante que o neon (18 ppmv). O argônio é o gás nobre mais abundante na crosta terrestre, compreendendo 0,00015% da crosta.

Quase todo o argônio na atmosfera da Terra é argônio-40 radiogênico, derivado do decaimento do potássio-40 na crosta terrestre. No universo, o argônio-36 é de longe o isótopo de argônio mais comum, pois é o mais facilmente produzido pela nucleossíntese estelar em supernovas.

O nome "argônio" é derivado da palavra grega ἀργόν, forma singular neutra de ἀργός que significa 'preguiçoso' ou 'inativo', em referência ao fato de que o elemento quase não sofre reações químicas. O octeto completo (oito elétrons) na camada atômica externa torna o argônio estável e resistente à ligação com outros elementos. Sua temperatura de ponto triplo de 83,8058 K é um ponto fixo definidor na Escala Internacional de Temperatura de 1990.

O argônio é extraído industrialmente pela destilação fracionada do ar líquido. O argônio é usado principalmente como um gás de proteção inerte na soldagem e outros processos industriais de alta temperatura, onde normalmente substâncias não reativas se tornam reativas; por exemplo, uma atmosfera de argônio é usada em fornos elétricos de grafite para evitar que o grafite queime. O argônio também é usado em iluminação incandescente, fluorescente e outros tubos de descarga de gás. O argônio produz um distintivo laser de gás verde-azulado. O argônio também é usado em iniciadores de brilho fluorescente.

Características

Um pequeno pedaço de argônio sólido de fusão rápida

O argônio tem aproximadamente a mesma solubilidade em água que o oxigênio e é 2,5 vezes mais solúvel em água que o nitrogênio. O argônio é incolor, inodoro, não inflamável e não tóxico como sólido, líquido ou gás. O argônio é quimicamente inerte na maioria das condições e não forma compostos estáveis confirmados à temperatura ambiente.

Embora o argônio seja um gás nobre, ele pode formar alguns compostos sob várias condições extremas. Fluoridreto de argônio (HArF), um composto de argônio com flúor e hidrogênio que é estável abaixo de 17 K (-256,1 °C; -429,1 °F), foi demonstrado. Embora os compostos químicos neutros do estado fundamental do argônio estejam atualmente limitados a HArF, o argônio pode formar clatratos com água quando os átomos de argônio estão presos em uma rede de moléculas de água. Íons, como ArH⁺
e complexos de estado excitado, como ArF, foram demonstrados. O cálculo teórico prevê vários outros compostos de argônio que deveriam ser estáveis, mas ainda não foram sintetizados.

História

A: tubo de teste, B: alcalino diluído, C: tubo de vidro em forma de U, D: eletrodo de platina

Argon (grego ἀργόν, forma singular neutra de ἀργός que significa "preguiçoso" ou "inativo&# 34;) é nomeado em referência à sua inatividade química. Essa propriedade química desse primeiro gás nobre a ser descoberto impressionou os nomes. Um gás não reativo foi suspeito de ser um componente do ar por Henry Cavendish em 1785.

O argônio foi isolado pela primeira vez do ar em 1894 por Lord Rayleigh e Sir William Ramsay no University College London, removendo oxigênio, dióxido de carbono, água e nitrogênio de uma amostra de ar limpo. Eles primeiro conseguiram isso replicando um experimento de Henry Cavendish. Eles prenderam uma mistura de ar atmosférico com oxigênio adicional em um tubo de ensaio (A) de cabeça para baixo sobre uma grande quantidade de solução alcalina diluída (B), que no experimento original de Cavendish era hidróxido de potássio, e transmitiu uma corrente através de fios isolados por tubos de vidro em forma de U (CC) que vedam em torno dos eletrodos de fio de platina, deixando as pontas dos fios (DD) expostas ao gás e isoladas da solução alcalina. O arco era alimentado por uma bateria de cinco células Grove e uma bobina Ruhmkorff de tamanho médio. O álcali absorveu os óxidos de nitrogênio produzidos pelo arco e também o dióxido de carbono. Eles operaram o arco até que nenhuma redução de volume do gás pudesse ser vista por pelo menos uma ou duas horas e as linhas espectrais de nitrogênio desapareceram quando o gás foi examinado. O oxigênio restante foi reagido com pirogalato alcalino para deixar para trás um gás aparentemente não reativo que eles chamaram de argônio.

Legendado "Argon", caricatura de Lord Rayleigh em Feira de Vanity, 1899

Antes de isolar o gás, eles determinaram que o nitrogênio produzido a partir de compostos químicos era 0,5% mais leve que o nitrogênio da atmosfera. A diferença foi pequena, mas foi importante o suficiente para atrair a atenção deles por muitos meses. Eles concluíram que havia outro gás no ar misturado ao nitrogênio. O argônio também foi encontrado em 1882 por meio de pesquisa independente de H. F. Newall e W. N. Hartley. Cada um observou novas linhas no espectro de emissão do ar que não correspondiam a elementos conhecidos.

Até 1957, o símbolo do argônio era "A", mas agora é "Ar".

Ocorrência

O argônio constitui 0,934% em volume e 1,288% em massa da atmosfera da Terra. O ar é a principal fonte industrial de produtos de argônio purificado. O argônio é isolado do ar por fracionamento, mais comumente por destilação fracionada criogênica, um processo que também produz nitrogênio purificado, oxigênio, neon, criptônio e xenônio. A crosta terrestre e a água do mar contêm 1,2 ppm e 0,45 ppm de argônio, respectivamente.

Isótopos

Os principais isótopos de argônio encontrados na Terra são ⁴⁰
Ar (99,6%), ³⁶
Ar (0,34%) e ³⁸
Ar (0,06%). Ocorrendo naturalmente ⁴⁰
K, com meia-vida de 1,25×10⁹ anos, decai para estável ⁴⁰
Ar (11,2%) por captura de elétrons ou emissão de pósitrons, e também para ⁴⁰
Ca (88,8%) por decaimento beta. Essas propriedades e proporções são usadas para determinar a idade das rochas por datação K-Ar.

Na atmosfera da Terra, ³⁹
Ar é feito por atividade de raios cósmicos, principalmente por captura de nêutrons de ⁴⁰
Ar seguido por emissão de dois nêutrons. No ambiente subterrâneo, também é produzido por captura de nêutrons por ³⁹
K, seguido de emissão de prótons. ³⁷
Ar é criado a partir da captura de nêutrons por ⁴⁰
Ca seguido por uma emissão de partículas alfa como resultado de explosões nucleares subterrâneas. Tem uma meia-vida de 35 dias.

Entre os locais do Sistema Solar, a composição isotópica do argônio varia muito. Onde a principal fonte de argônio é o decaimento de 40K nas rochas, ⁴⁰
Ar será o isótopo dominante, assim como na Terra . O argônio produzido diretamente pela nucleossíntese estelar é dominado pelo nuclídeo de processo alfa ³⁶
Ar. Da mesma forma, o argônio solar contém 84,6% ³⁶
Ar (de acordo com as medições do vento solar) e a proporção dos três isótopos ³⁶Ar : ³⁸Ar : ⁴⁰Ar nas atmosferas dos planetas exteriores é 8400 : 1600 : 1. Isso contrasta com a baixa abundância de primordial ³⁶
Ar na atmosfera da Terra, que é de apenas 31. 5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), comparável ao neon (18,18 ppmv) na Terra e aos gases interplanetários, medidos por sondas.

As atmosferas de Marte, Mercúrio e Titã (a maior lua de Saturno) contêm argônio, predominantemente como ⁴⁰
Ar, e seu conteúdo pode chegar a 1,93% (Marte).

A predominância de ⁴⁰
Ar é a razão pela qual o peso atômico padrão do argônio terrestre é maior que o do próximo elemento , potássio, um fato que foi intrigante quando o argônio foi descoberto. Mendeleev posicionou os elementos em sua tabela periódica em ordem de peso atômico, mas a inércia do argônio sugeriu uma colocação antes do metal alcalino reativo. Henry Moseley mais tarde resolveu esse problema mostrando que a tabela periódica é realmente organizada em ordem de número atômico (ver História da tabela periódica).

Compostos

Modelo de preenchimento de espaço de fluorohidreto de argônio

O octeto completo de elétrons de Argônio indica subcamadas s e p completas. Este invólucro de valência total torna o argônio muito estável e extremamente resistente à ligação com outros elementos. Antes de 1962, o argônio e outros gases nobres eram considerados quimicamente inertes e incapazes de formar compostos; no entanto, compostos de gases nobres mais pesados foram sintetizados desde então. O primeiro composto de argônio com pentacarbonila de tungstênio, W(CO)₅Ar, foi isolado em 1975. No entanto, não era amplamente reconhecido na época. Em agosto de 2000, outro composto de argônio, o fluorohidreto de argônio (HArF), foi formado por pesquisadores da Universidade de Helsinki, ao incidir luz ultravioleta sobre argônio congelado contendo uma pequena quantidade de fluoreto de hidrogênio com iodeto de césio. Esta descoberta causou o reconhecimento de que o argônio pode formar compostos fracamente ligados, embora não tenha sido o primeiro. É estável até 17 kelvins (-256 °C). O metaestável ArCF²⁺
₂ dicação, que é isoeletrônica de valência com fluoreto de carbonila e fosgênio, foi observada em 2010. 36, na forma de íons de hidreto de argônio (argônio), foi detectado em meio interestelar associado à supernova da Nebulosa do Caranguejo; esta foi a primeira molécula de gás nobre detectada no espaço sideral.

O hidreto de argônio sólido (Ar(H₂)₂) tem a mesma estrutura cristalina que a fase Laves de MgZn₂. Forma-se a pressões entre 4,3 e 220 GPa, embora as medições Raman sugiram que as moléculas H₂ em Ar(H₂)₂ se dissociam acima de 175 GPa.

Produção

O argônio é extraído industrialmente pela destilação fracionada do ar líquido em uma unidade criogênica de separação de ar; um processo que separa o nitrogênio líquido, que ferve a 77,3 K, do argônio, que ferve a 87,3 K, e do oxigênio líquido, que ferve a 90,2 K. Cerca de 700.000 toneladas de argônio são produzidas em todo o mundo todos os anos.

Aplicativos

Cilindros contendo gás argônio para uso em extinção de incêndio sem danificar o equipamento do servidor

O argônio tem várias propriedades desejáveis:

• O argônio é um gás quimicamente inerte.
• Argon é a alternativa mais barata quando o nitrogênio não é suficientemente inerte.
• Argon tem baixa condutividade térmica.
• Argon tem propriedades eletrônicas (ionização e / ou o espectro de emissão) desejável para algumas aplicações.

Outros gases nobres seriam igualmente adequados para a maioria dessas aplicações, mas o argônio é de longe o mais barato. O argônio é barato, pois ocorre naturalmente no ar e é facilmente obtido como subproduto da separação criogênica do ar na produção de oxigênio líquido e nitrogênio líquido: os constituintes primários do ar são usados em larga escala industrial. Os outros gases nobres (exceto o hélio) também são produzidos dessa maneira, mas o argônio é de longe o mais abundante. A maior parte das aplicações de argônio surgem simplesmente porque é inerte e relativamente barato.

Processos industriais

O argônio é usado em alguns processos industriais de alta temperatura, onde normalmente substâncias não reativas se tornam reativas. Por exemplo, uma atmosfera de argônio é usada em fornos elétricos de grafite para evitar que o grafite queime.

Para alguns desses processos, a presença de gases de nitrogênio ou oxigênio pode causar defeitos no material. O argônio é usado em alguns tipos de soldagem a arco, como soldagem a arco de metal a gás e soldagem a arco de tungstênio a gás, bem como no processamento de titânio e outros elementos reativos. Uma atmosfera de argônio também é usada para o crescimento de cristais de silício e germânio.

O argônio é usado na indústria avícola para asfixiar aves, seja para abate em massa após surtos de doenças ou como um meio de abate mais humano do que o atordoamento elétrico. O argônio é mais denso que o ar e desloca o oxigênio próximo ao solo durante a asfixia com gás inerte. Sua natureza não reativa o torna adequado para um produto alimentício e, uma vez que substitui o oxigênio dentro da ave morta, o argônio também aumenta a vida útil.

Às vezes, o argônio é usado para extinguir incêndios em equipamentos valiosos que podem ser danificados por água ou espuma.

Pesquisa científica

O argônio líquido é usado como alvo para experimentos com neutrinos e buscas diretas de matéria escura. A interação entre os WIMPs hipotéticos e um núcleo de argônio produz luz cintilante que é detectada por tubos fotomultiplicadores. Detectores bifásicos contendo gás argônio são usados para detectar os elétrons ionizados produzidos durante o espalhamento do núcleo WIMP. Tal como acontece com a maioria dos outros gases nobres liquefeitos, o argônio tem um alto rendimento de luz de cintilação (cerca de 51 fótons/keV), é transparente para sua própria luz de cintilação e é relativamente fácil de purificar. Comparado ao xenônio, o argônio é mais barato e tem um perfil de tempo de cintilação distinto, o que permite a separação de recuos eletrônicos de recuos nucleares. Por outro lado, seu fundo intrínseco de raios beta é maior devido a ³⁹
Ar contaminação, a menos que se use argônio de fontes subterrâneas, que tem muito menos ³⁹
Ar contaminação. A maior parte do argônio na atmosfera da Terra foi produzida pela captura de elétrons de ⁴⁰
K (⁴⁰
K + e⁻ → ⁴⁰
Ar + ν) presente no potássio natural da Terra. O ³⁹
Ar a atividade na atmosfera é mantida pela produção cosmogênica por meio da reação de nocaute ⁴⁰
Ar(n,2n)³⁹
Ar e similares reações. A meia-vida de ³⁹
Ar é de apenas 269 anos. Como resultado, o Ar subterrâneo, protegido por rocha e água, tem muito menos ³⁹
Ar contaminação. Os detectores de matéria escura atualmente operando com argônio líquido incluem DarkSide, WArP, ArDM, microCLEAN e DEAP. Os experimentos de neutrinos incluem ICARUS e MicroBooNE, ambos os quais usam argônio líquido de alta pureza em uma câmara de projeção de tempo para imagens tridimensionais de granulação fina de interações de neutrinos.

Na Universidade de Linköping, na Suécia, o gás inerte está sendo utilizado em uma câmara de vácuo na qual o plasma é introduzido para ionizar filmes metálicos. Este processo resulta em um filme utilizável para a fabricação de processadores de computador. O novo processo eliminaria a necessidade de banhos químicos e o uso de materiais caros, perigosos e raros.

Conservante

Uma amostra de cásio é embalado sob argônio para evitar reações com ar

O argônio é usado para deslocar o ar contendo oxigênio e umidade no material de embalagem para prolongar a vida útil do conteúdo (o argônio tem o código europeu de aditivo alimentar E938). A oxidação aérea, a hidrólise e outras reações químicas que degradam os produtos são retardadas ou totalmente evitadas. Produtos químicos e farmacêuticos de alta pureza às vezes são embalados e selados em argônio.

Na vinificação, o argônio é usado em uma variedade de atividades para fornecer uma barreira contra o oxigênio na superfície do líquido, que pode estragar o vinho ao alimentar o metabolismo microbiano (como acontece com as bactérias do ácido acético) e a química redox padrão.

Às vezes, o argônio é usado como propulsor em latas de aerossol.

O argônio também é usado como conservante para produtos como verniz, poliuretano e tinta, deslocando o ar para preparar um recipiente para armazenamento.

Desde 2002, os Arquivos Nacionais Americanos armazenam documentos nacionais importantes, como a Declaração de Independência e a Constituição, em caixas cheias de argônio para inibir sua degradação. O argônio é preferível ao hélio usado nas cinco décadas anteriores, porque o gás hélio escapa pelos poros intermoleculares na maioria dos recipientes e deve ser substituído regularmente.

Equipamento de laboratório

Luvas são muitas vezes preenchidas com argônio, que recircula sobre os esfoliantes para manter uma atmosfera livre de oxigênio, nitrogênio e umidade

O argônio pode ser usado como gás inerte nas linhas Schlenk e nos porta-luvas. O argônio é preferido ao nitrogênio menos caro nos casos em que o nitrogênio pode reagir com os reagentes ou aparelhos.

O argônio pode ser usado como gás de arraste em cromatografia gasosa e em espectrometria de massa por ionização por eletrospray; é o gás de escolha para o plasma usado na espectroscopia ICP. O argônio é preferido para o revestimento por pulverização de espécimes para microscopia eletrônica de varredura. O gás argônio também é comumente usado para deposição por pulverização de filmes finos como em microeletrônica e para limpeza de wafer em microfabricação.

Uso medicinal

Os procedimentos de criocirurgia, como a crioablação, usam argônio líquido para destruir tecidos, como células cancerígenas. Ele é usado em um procedimento chamado "coagulação aprimorada com argônio", uma forma de eletrocirurgia com feixe de plasma de argônio. O procedimento acarreta o risco de produzir embolia gasosa e resultou na morte de pelo menos um paciente.

Os lasers de argônio azul são usados em cirurgias para soldar artérias, destruir tumores e corrigir defeitos oculares.

O argônio também foi usado experimentalmente para substituir o nitrogênio na mistura de respiração ou descompressão conhecida como Argox, para acelerar a eliminação do nitrogênio dissolvido do sangue.

Iluminação

Lâmpada de descarga de gás argônio formando o símbolo para argon "Ar"

As lâmpadas incandescentes são preenchidas com argônio, para preservar os filamentos em alta temperatura da oxidação. É usado pela maneira específica como ioniza e emite luz, como em globos de plasma e calorimetria em física de partículas experimental. Lâmpadas de descarga de gás preenchidas com argônio puro fornecem luz lilás/violeta; com argônio e um pouco de mercúrio, luz azul. O argônio também é usado para lasers de íons de argônio azuis e verdes.

Usos diversos

O argônio é usado para isolamento térmico em janelas energeticamente eficientes. O argônio também é usado em mergulho técnico para inflar uma roupa seca porque é inerte e tem baixa condutividade térmica.

Argônio é usado como propulsor no desenvolvimento do Foguete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variável (VASIMR). O gás argônio comprimido pode se expandir para resfriar as cabeças buscadoras de algumas versões do míssil AIM-9 Sidewinder e outros mísseis que usam cabeças buscadoras térmicas resfriadas. O gás é armazenado em alta pressão.

Argônio-39, com uma meia-vida de 269 anos, tem sido usado para uma série de aplicações, principalmente em núcleos de gelo e datação de águas subterrâneas. Além disso, datação de potássio-argônio e datação relacionada de argônio-argônio são usadas para datar rochas sedimentares, metamórficas e ígneas.

O argônio tem sido usado por atletas como agente dopante para simular condições hipóxicas. Em 2014, a Agência Mundial Antidoping (WADA) adicionou argônio e xenônio à lista de substâncias e métodos proibidos, embora no momento não haja um teste confiável para abuso.

Segurança

Embora o argônio não seja tóxico, é 38% mais denso que o ar e, portanto, considerado um asfixiante perigoso em áreas fechadas. É difícil de detectar porque é incolor, inodoro e insípido. Um incidente de 1994, no qual um homem foi asfixiado após entrar em uma seção cheia de argônio de um oleoduto em construção no Alasca, destaca os perigos do vazamento de tanques de argônio em espaços confinados e enfatiza a necessidade de uso, armazenamento e manuseio adequados.