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Argón

El argón es un elemento químico ; tiene el símbolo Ar y el número atómico 18. Está en el grupo 18 de la tabla periódica y es un gas noble . [ 11 ] El argón es el tercer gas más ...

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El argón es un elemento químico ; tiene el símbolo Ar y el número atómico 18. Está en el grupo 18 de la tabla periódica y es un gas noble . [ 11 ] 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 tiene un promedio de aproximadamente 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 , constituyendo el 0,00015 % de la corteza.

Casi todo el argón en la atmósfera terrestre es argón-40 radiogénico , derivado de la desintegración 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 con mayor facilidad mediante la nucleosíntesis estelar en las supernovas .

El nombre "argón" deriva de la palabra griega antigua ἀργόν , forma neutra singular de ἀργός , que significa "perezoso" o "inactivo", en referencia a que el elemento prácticamente no experimenta reacciones químicas. El octeto completo (ocho electrones) en la capa atómica externa 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 mediante la destilación fraccionada del aire líquido . Se utiliza principalmente como gas de protección inerte en soldadura y otros procesos industriales de alta temperatura donde sustancias normalmente no reactivas se vuelven reactivas; por ejemplo, se utiliza una atmósfera de argón en hornos eléctricos de grafito para evitar que este se queme. También se emplea en iluminación incandescente y fluorescente , y en otros tubos de descarga de gas. Produce un láser de gas de color azul verdoso característico . Asimismo, se utiliza en arrancadores fluorescentes.

Características

Un pequeño trozo de argón sólido que se funde rápidamente

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 en estado sólido, líquido o gaseoso. [ 12 ] 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 bajo diversas condiciones extremas. Se ha demostrado la existencia del 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) . [ 13 ] [ 14 ] Si bien los compuestos químicos neutros en estado fundamental del argón se limitan actualmente al HArF, el argón puede formar clatratos con agua cuando los átomos de argón quedan atrapados en una red de moléculas de agua. [ 15 ] Iones , como ArH +   y se han demostrado complejos en estado excitado , como ArF. Los cálculos teóricos predicen varios compuestos de argón más que deberían ser estables [ 16 ] pero que aún no se han sintetizado.

Historia

A: tubo de ensayo, B: álcali diluido, C: tubo de vidrio en forma de U, D: electrodo de platino

El argón ( en griego antiguo ἀργόν , forma singular neutra de ἀργός que significa "perezoso" o "inactivo") recibe su nombre en referencia a su inactividad química. Esta propiedad química de este primer gas noble descubierto impresionó a quienes le dieron nombre. [ 17 ] [ 18 ] Henry Cavendish sospechó en 1785 que un gas no reactivo era un componente del aire. [ 19 ]

El argón fue aislado por primera vez del aire en 1894 por Lord Rayleigh y Sir William Ramsay en el University College de Londres , eliminando el oxígeno , el dióxido de carbono , el agua y el nitrógeno de una muestra de aire limpio. [ 20 ] Lo lograron replicando un experimento de Henry Cavendish . Atraparon una mezcla de aire atmosférico con oxígeno adicional en un tubo de ensayo (A) invertido sobre una gran cantidad de solución alcalina diluida (B), que en el experimento original de Cavendish era hidróxido de potasio, [ 19 ] e hicieron circular una corriente a través de cables aislados por tubos de vidrio en forma de U (CC) que sellaban 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 pilas Grove y una bobina Ruhmkorff de tamaño mediano. El álcali absorbió los óxidos de nitrógeno producidos por el arco y también el dióxido de carbono. Mantuvieron el arco eléctrico en funcionamiento hasta que no se observó más reducción del volumen del gas durante al menos una o dos horas, y las líneas espectrales del nitrógeno desaparecieron al examinar el gas. El oxígeno restante reaccionó con pirogalato alcalino, dejando un gas aparentemente no reactivo al que denominaron argón.

Caricatura titulada "Argon", que representa a Lord Rayleigh en La feria de las vanidades , 1899.

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 llamar su atención durante muchos meses. Concluyeron que había otro gas en el aire mezclado con el nitrógeno. [ 21 ] El argón también se encontró en 1882 a través de la investigación independiente de HF Newall y WN Hartley. [ 22 ] Cada uno observó nuevas líneas en el espectro de emisión del aire que no coincidían con elementos conocidos.

Antes de 1957, el símbolo del argón era "A". Este se cambió a Ar después de que la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada publicara la obra Nomenclatura de la Química Inorgánica en 1957. [ 23 ]

Aparición

El argón constituye el 0,934 % en volumen y el 1,288 % en masa de la atmósfera terrestre . [ 24 ] El aire es la principal fuente industrial de productos de argón purificado. El argón se aísla del aire mediante fraccionamiento, generalmente mediante destilación fraccionada criogénica , un proceso que también produce nitrógeno , oxígeno , neón , criptón y xenón purificados . [ 25 ] La corteza terrestre y el agua de mar contienen 1,2 ppm y 0,45 ppm de argón, respectivamente. [ 26 ]

isótopos

Los principales isótopos de argón que se encuentran en la Tierra son 40Ar (99,6%), 36Ar (0,34%) y 38Ar (0,06%). De origen natural 40K , con una vida media de 1,25 × 109 años, se desintegra en 40 estables.Ar (11,2%) por captura de electrones o emisión de positrones , y también a 40 establesCa (88,8%) por desintegración beta . Estas propiedades y proporciones se utilizan para determinar la edad de las rocas mediante datación K-Ar . [ 26 ] [ 27 ]

En la atmósfera terrestre, 39El Ar se produce por la actividad de los rayos cósmicos , principalmente por la captura de neutrones de 40Ar seguido de emisión de dos neutrones. En el entorno subsuperficial, también se produce mediante captura de neutrones por 39K , seguido de emisión de protones. 37El Ar se crea a partir de la captura de neutrones por 40Ca seguido de una emisión de partículas alfa como resultado de explosiones nucleares subterráneas . Tiene una vida media de 35 días. [ 27 ]

Entre las distintas ubicaciones del Sistema Solar , la composición isotópica del argón varía enormemente. Donde la principal fuente de argón es la desintegración del 40K en rocas, 40El argón será el isótopo dominante, como ocurre en la Tierra. El argón producido directamente por la nucleosíntesis estelar está dominado por el nucleido 36 del proceso alfa .Ar . En consecuencia, el argón solar contiene 84,6% 36Ar (según mediciones del viento solar ), [ 28 ] y la proporción de los tres isótopos 36 Ar  : 38 Ar : 40 Ar en las atmósferas de los planetas exteriores es 8400 : 1600 : 1. [ 29 ] Esto contrasta con la baja abundancia de 36 primordial       El argón en la atmósfera terrestre, que es de solo 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), comparable con el neón (18,18 ppmv) en la Tierra y con los gases interplanetarios, medidos por sondas .

Las atmósferas de Marte , Mercurio y Titán (la luna más grande de Saturno ) contienen argón, predominantemente como 40Ar . [ 30 ]

El predominio del radiogénico 40El argón es la razón por la que 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. Mendeléyev colocó los elementos en su tabla periódica en orden de peso atómico, pero la inercia del argón sugirió que se ubicara antes del reactivo metal alcalino . Henry Moseley resolvió posteriormente este problema demostrando que la tabla periódica está, en realidad, ordenada según el número atómico (véase Historia de la tabla periódica ).

compuestos

Modelo de relleno espacial del fluorohidruro de argón

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) ₅Ar , se aisló en 1975. Sin embargo, no fue ampliamente reconocido en ese momento. [ 31 ] En agosto de 2000, otro compuesto de argón, el fluorohidruro de argón (HArF), fue formado por investigadores de la Universidad de Helsinki , al irradiar con luz ultravioleta argón congelado que contenía una pequeña cantidad de fluoruro de hidrógeno con yoduro de cesio . Este descubrimiento llevó al reconocimiento de que el argón podía formar compuestos débilmente enlazados, aunque no fue el primero. [ 14 ] [ 32 ] Es estable hasta 17  kelvins (−256  °C). El dicatión metaestable ArCF 2+ 2 , que es isoelectrónico en valencia con el fluoruro de carbonilo y el fosgeno , se observó en 2010. [ 33 ] El argón-36 , en forma de iones de hidruro de argón ( argonio ), se ha detectado en el medio interestelar asociado con la supernova de la Nebulosa del Cangrejo ; esta fue la primera molécula de gas noble detectada en el espacio exterior . [ 34 ]

El hidruro de argón sólido (Ar(H₂ ) ₂ ) tiene la misma estructura cristalina que la fase de Laves MgZn₂ . Se forma a presiones entre 4,3 y 220 GPa, aunque las mediciones Raman sugieren que las moléculas de H₂ en Ar(H₂ ) ₂ se disocian por encima de 175 GPa. [ 35 ]

Producción

El argón se extrae industrialmente mediante la 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 del oxígeno líquido , que hierve a 90,2  K. Aproximadamente 700 000 toneladas de argón se producen anualmente en todo el mundo. [ 26 ] [ 36 ]

Aplicaciones

Cilindros que contienen gas argón para su uso en la extinción de incendios sin dañar los equipos del servidor.

El argón posee varias propiedades deseables:

  • El argón es un gas químicamente inerte .
  • El argón es la alternativa más económica cuando el nitrógeno no es suficientemente inerte.
  • El argón tiene baja conductividad térmica .
  • El argón posee 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. Su bajo coste se debe a 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 componentes principales del aire se utilizan a gran escala industrial. Los demás gases nobles (excepto el helio ) también se producen de esta manera, pero el argón es, con diferencia, el más abundante. La mayor parte de sus aplicaciones se deben simplemente a que es inerte y relativamente barato.

procesos industriales

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

En algunos de estos procesos, la presencia de nitrógeno u oxígeno puede provocar defectos en el material. El argón se utiliza en ciertos 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. También se emplea una atmósfera de argón para el crecimiento de cristales de silicio y germanio .

El argón se utiliza en la industria avícola para asfixiar aves, ya sea para el sacrificio masivo tras brotes de enfermedades o como método de matanza más humano que el aturdimiento eléctrico . El argón es más denso que el aire y desplaza el oxígeno cerca del suelo durante la asfixia con gas inerte . [ 37 ] Su naturaleza no reactiva lo hace adecuado para productos alimenticios y, dado que reemplaza el oxígeno dentro del ave muerta, el argón también prolonga su vida útil. [ 38 ]

El argón se utiliza a veces para extinguir incendios donde el agua o la espuma pueden dañar equipos valiosos. [ 39 ]

Investigación científica

El argón líquido se utiliza como blanco para experimentos de neutrinos y búsquedas directas de materia oscura . La interacción entre las hipotéticas WIMP 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 WIMP-núcleo. Al igual que la mayoría de los demás gases nobles licuados, el argón tiene un alto rendimiento de luz de centelleo (aproximadamente 51 fotones/keV [ 40 ] ), es transparente a su propia luz de centelleo y es relativamente fácil de purificar. En comparación con el xenón , el argón es más barato y tiene un perfil de tiempo de centelleo distintivo, lo que permite la separación de los retrocesos electrónicos de los retrocesos nucleares. Por otro lado, su fondo intrínseco de rayos beta es mayor debido a 39Contaminación por Ar , a menos que se utilice argón de fuentes subterráneas, que tiene mucho menos 39Contaminación por Ar . La mayor parte del argón en la atmósfera terrestre fue producido por la captura de electrones de 40 de larga vida.K ( 40K + e − → 40Ar + ν) presente en el potasio natural dentro de la Tierra. El 39La actividad del argón en la atmósfera se mantiene mediante la producción cosmogénica a través de la reacción de eliminación 40.Ar (n,2n) 39Ar y reacciones similares. La vida media de 39El Ar tiene solo 269  años. Como resultado, el Ar subterráneo, protegido por rocas y agua, tiene mucho menos 39Contaminación por Ar . [ 41 ] Los detectores de materia oscura que actualmente operan con argón líquido incluyen DarkSide , WArP , ArDM , microCLEAN y DEAP . Los experimentos de neutrinos incluyen ICARUS y MicroBooNE , los cuales utilizan argón líquido de alta pureza en una cámara de proyección temporal para obtener imágenes tridimensionales de grano fino de las interacciones de neutrinos.

En la Universidad de Linköping, Suecia, se utiliza un gas inerte en una cámara de vacío donde se introduce plasma para ionizar películas metálicas. [ 42 ] Este proceso da como resultado una película apta para la fabricación de procesadores informáticos. El nuevo proceso eliminaría la necesidad de baños químicos y el uso de materiales costosos, peligrosos y escasos.

Preservativo

Una muestra de cesio se envasa bajo argón para evitar reacciones con el aire.

El argón se utiliza para desplazar el aire que contiene oxígeno y humedad en los materiales de envasado, prolongando así la vida útil del contenido (el argón tiene el código de aditivo alimentario europeo E938). La oxidación atmosférica, la hidrólisis y otras reacciones químicas que degradan los productos se retrasan o se evitan por completo. En ocasiones, los productos químicos y farmacéuticos de alta pureza se envasan y sellan con argón. [ 43 ]

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

En ocasiones, el argón se utiliza como propelente en los aerosoles .

El argón también se utiliza como conservante para productos como barnices , poliuretanos y pinturas, desplazando el aire para preparar un recipiente para su almacenamiento. [ 44 ]

Desde 2002, los Archivos Nacionales de Estados Unidos almacenan documentos nacionales importantes, como la Declaración de Independencia y la Constitución, en cajas llenas de argón para evitar su degradación. El argón es preferible al helio, que se había utilizado en las cinco décadas anteriores, porque el helio se escapa a través de los poros intermoleculares de la mayoría de los contenedores y debe reemplazarse periódicamente. [ 45 ]

Equipo de laboratorio

Las cajas de guantes suelen llenarse con argón, que se recircula a través de depuradores para mantener una atmósfera libre de oxígeno , nitrógeno y humedad.

El argón puede utilizarse como gas inerte en líneas Schlenk y cajas de guantes . Se prefiere el argón al nitrógeno, que es más económico, en los casos en que el nitrógeno pueda reaccionar con los reactivos o el equipo.

El argón puede utilizarse como gas portador en cromatografía de gases y en espectrometría de masas con ionización por electrospray ; es el gas preferido para el plasma utilizado en espectroscopia ICP . El argón se prefiere para el recubrimiento por pulverización catódica de muestras para microscopía electrónica de barrido . El gas argón también se utiliza comúnmente para la deposición por pulverización catódica de películas delgadas, como en microelectrónica , y para la limpieza de obleas en microfabricación .

Uso médico

Los procedimientos de criocirugía, como la crioablación, utilizan argón líquido para destruir tejidos, como las células cancerosas . Se emplea en un procedimiento denominado "coagulación potenciada con argón", una forma de electrocirugía con haz de plasma de argón . Este procedimiento conlleva el riesgo de producir una embolia gaseosa y ha provocado la muerte de al menos un paciente. [ 46 ]

Los láseres de argón azul se utilizan en cirugía para soldar arterias, destruir tumores y corregir defectos oculares. [ 26 ]

El argón también se ha utilizado experimentalmente para reemplazar el nitrógeno en la mezcla respiratoria o de descompresión conocida como Argox , para acelerar la eliminación del nitrógeno disuelto en la sangre. [ 47 ]

Iluminación

Lámpara de descarga de gas argón que forma "Ar", el símbolo del argón.

Las bombillas incandescentes se llenan con argón para proteger los filamentos de la oxidación a altas temperaturas. Se utiliza por su particular forma de ionizarse y emitir luz, como en las lámparas de plasma y en la calorimetría de la física experimental de partículas . Las lámparas de descarga de gas rellenas de argón puro emiten luz lila/violeta; con argón y algo de mercurio, luz azul. El argón también se utiliza en los láseres de iones de argón azules y verdes .

Usos diversos

El argón se utiliza para el aislamiento térmico en ventanas de alta eficiencia energética . [ 48 ] El argón también se utiliza en el buceo técnico para inflar un traje seco porque es inerte y tiene baja conductividad térmica. [ 49 ]

El argón se utiliza como propulsor en el desarrollo del cohete magnetoplasmático de impulso específico variable (VASIMR). El gas argón comprimido se expande para enfriar las cabezas buscadoras de algunas versiones del misil AIM-9 Sidewinder y otros misiles que utilizan cabezas buscadoras térmicas refrigeradas. El gas se almacena a alta presión . [ 50 ]

El argón-39, con una vida media de 269 años, se ha utilizado en diversas aplicaciones, principalmente para la datación de núcleos de hielo y aguas subterráneas . Asimismo, la datación potasio-argón y la datación argón-argón relacionada se utilizan para datar rocas sedimentarias , metamórficas e ígneas . [ 26 ]

El argón ha sido utilizado por atletas como agente dopante para simular condiciones hipóxicas . En 2014, la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) añadió el argón y el xenón a la lista de sustancias y métodos prohibidos, aunque actualmente no existe una prueba fiable para detectar su abuso. [ 51 ]

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 espacios cerrados. Es difícil de detectar porque es incoloro, inodoro e insípido. Un incidente ocurrido en 1994, en el que un hombre murió asfixiado tras entrar en un tramo de tubería de petróleo en construcción lleno de argón en Alaska , pone de manifiesto los peligros de las fugas de tanques de argón en espacios confinados y subraya la necesidad de un uso, almacenamiento y manipulación adecuados. [ 52 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Preston-Thomas, H. (1990). "La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90)" . Metrologia . 27 (1): 3– 10. Bibcode : 1990Metro..27....3P . doi : 10.1088/0026-1394/27/1/002 . S2CID 250785635 . Sobre la presión del punto triple a 83,8058 K.