Argón

Elemento químico con número atómico 18 (Ar)
Argón,  18 Ar
Frasco que contiene un gas violeta brillante
Argón
Pronunciación/ ˈ ɑːr ɡ ɒ n / ​( AR -gon )
AparienciaGas incoloro que exhibe un brillo lila/violeta cuando se coloca en un campo eléctrico.
Peso atómico estándar A r °(Ar)
  • [39.792 , 39.963 ] [1]
  • 39,95 ± 0,16  ( abreviado ) [2]
El argón en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
Ne
↑
Ar
↓
Kr
cloro ← argón → potasio
Número atómico ( Z )18
Grupogrupo 18 (gases nobles)
PeríodoPeriodo 3
Bloquear  bloque p
Configuración electrónica[ Ne ] 3s 2 3p 6
Electrones por capa2, 8, 8
Propiedades físicas
Fase en  STPgas
Punto de fusión83,81  K (−189,34 °C, −308,81 °F)
Punto de ebullición87,302 K (−185,848 °C, −302,526 °F)
Densidad (en condiciones normales)1,784 g/l
Cuando está líquido (a  punto de ebullición )1,3954 g/ cm3
Punto triple83,8058 K, 68,89 kPa [3]
Punto crítico150,687 K, 4,863 MPa [3]
Calor de fusión1,18  kJ/mol
Calor de vaporización6,53 kJ/mol
Capacidad calorífica molar20,85 [4]  J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K) 4753617187
Propiedades atómicas
Estados de oxidación0
ElectronegatividadEscala de Pauling: sin datos
Energías de ionización
  • 1º: 1520,6 kJ/mol
  • 2º: 2665,8 kJ/mol
  • 3º: 3931 kJ/mol
  • ( más )
Radio covalente106±10  pm
Radio de Van der Waals188 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del argón
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinacúbico centrado en las caras (fcc) ( cF4 )
Constante de red
Estructura cristalina cúbica centrada en las caras del argón
a  = 546,91 pm (en el punto triple) [5]
Conductividad térmica17,72 × 10−3   W/(m⋅K)
Ordenamiento magnéticodiamagnético [6]
Susceptibilidad magnética molar−19,6 × 10 −6  cm3 /mol [ 7]
Velocidad del sonido323 m/s (gas, a 27 °C)
Número CAS7440-37-1
Historia
Descubrimiento y primer aislamientoLord Rayleigh y William Ramsay (1894)
Isótopos del argón
Isótopos principales [8]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
36 Ar0,334%estable
37 Arrastro35 díasmi37 cl
38 Ar0,0630%estable
39 Arrastro268 añosβ −39 mil
40 Ar99,6%estable
41 Arrastro109,34 minutosβ −41 mil
42 Arsintetizador32,9 añosβ −42 kilógramos
 Categoría: Argón
| referencias

El argón es un elemento químico ; su símbolo es Ar y su número atómico es 18. Está en el grupo 18 de la tabla periódica y es un gas noble . [9] 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 (cuyo promedio es de unas 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 de 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 diferencia, 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" se deriva de la palabra griega ἀργόν , forma singular neutra de ἀργός que significa 'perezoso' o 'inactivo', como referencia al hecho de que el elemento casi 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 soldaduras 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. También se utiliza en la iluminación incandescente y fluorescente y en otros tubos de descarga de gas. Produce un característico láser de gas azul-verde . También se utiliza en los iniciadores de incandescencia fluorescente.

Características

Un pequeño trozo de argón sólido que se derrite 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 como sólido, líquido o gas. [10] 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 la existencia del fluorhidruro de argón (HArF), un compuesto de argón con flúor e hidrógeno que es estable por debajo de los 17 K (−256,1 °C; −429,1 °F). [11] [12] Aunque los compuestos químicos neutros del argón en estado fundamental se limitan actualmente a HArF, el argón puede formar clatratos con agua cuando los átomos de argón quedan atrapados en una red de moléculas de agua. [13] Los iones , como ArH+
Se han demostrado complejos de estado excitado , como ArF. El cálculo teórico predice varios compuestos de argón más que deberían ser estables [14] 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 ( griego 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 en ser descubierto impresionó a quienes le dieron el nombre. [15] [16] En 1785, Henry Cavendish sospechó que un gas no reactivo era un componente del aire . [17]

El argón fue aislado por primera vez del aire en 1894 por Lord Rayleigh y Sir William Ramsay en el University College de Londres al extraer oxígeno , dióxido de carbono , agua y nitrógeno de una muestra de aire limpio. [18] 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, [17] y transmitieron 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 era 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 dióxido de carbono. Hicieron funcionar el arco hasta que no se pudo observar más reducción del volumen del gas durante al menos una o dos horas y las líneas espectrales del nitrógeno desaparecieron cuando se examinó el gas. El oxígeno restante se hizo reaccionar con pirogalato alcalino para dejar atrás un gas aparentemente no reactivo al que llamaron argón.

Subtitulado "Argon", caricatura de Lord Rayleigh en Vanity Fair , 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 atraer su atención durante muchos meses. Llegaron a la conclusión de que había otro gas en el aire mezclado con el nitrógeno. [19] El argón también fue descubierto en 1882 a través de la investigación independiente de HF Newall y WN Hartley. [20] Cada uno observó nuevas líneas en el espectro de emisión del aire que no coincidían con los elementos conocidos.

Antes de 1957, el símbolo del argón era "A". Este símbolo 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. [21]

Aparición

El argón constituye el 0,934 % en volumen y el 1,288 % en masa de la atmósfera terrestre . [22] 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 purificado , oxígeno , neón , criptón y xenón . [23] La corteza terrestre y el agua de mar contienen 1,2 ppm y 0,45 ppm de argón, respectivamente. [24]

Isótopos

Los principales isótopos de argón que se encuentran en la Tierra son40
Ar (99,6 %),36
Ar (0,34%), y38
Ar (0,06%). De origen natural.40
K , con una vida media de 1,25 × 109 años, se desintegra hasta estabilizarse40
Ar (11,2%) por captura de electrones o emisión de positrones , y también a estable40
Ca (88,8%) por desintegración beta . Estas propiedades y proporciones se utilizan para determinar la edad de las rocas mediante datación K–Ar . [24] [25]

En la atmósfera de la Tierra,39
El Ar se produce por la actividad de los rayos cósmicos , principalmente por captura de neutrones.40
Ar seguido de emisión de dos neutrones. En el entorno subterráneo, también se produce mediante captura de neutrones por39
K , seguido de emisión de protones.37
El Ar se crea a partir de la captura de neutrones por40
Ca seguido de una emisión de partículas alfa como resultado de explosiones nucleares subterráneas . Tiene una vida media de 35 días. [25]

Entre las ubicaciones del Sistema Solar , la composición isotópica del argón varía enormemente. Donde la principal fuente de argón es la desintegración de40
K en rocas,40
El Ar será el isótopo dominante, como lo es en la Tierra. El argón producido directamente por nucleosíntesis estelar está dominado por el nucleido del proceso alfa.36
Ar . En consecuencia, el argón solar contiene un 84,6 %.36
Ar (según las mediciones del viento solar ), [26] y la relación de los tres isótopos 36 Ar :  38 Ar :  40 Ar en las atmósferas de los planetas exteriores es 8400 : 1600 : 1. [27] Esto contrasta con la baja abundancia de 36
El Ar en la atmósfera de la Tierra, que es de sólo 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), comparable con el del 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 como40
Ar . [28]

El predominio de la radiogénesis 40
El 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. Mendeleev colocó los elementos en su tabla periódica en orden de peso atómico, pero la inercia del argón sugirió una colocación antes del reactivo metal alcalino . Henry Moseley resolvió más tarde este problema al demostrar que la tabla periódica está realmente organizada en orden de 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, se consideraba que el argón y los demás gases nobles eran 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. [29] En agosto de 2000, investigadores de la Universidad de Helsinki formaron otro compuesto de argón, el fluorohidruro de argón (HArF) , al hacer brillar luz ultravioleta sobre 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. [12] [30] Es estable hasta 17 kelvin (−256 °C). El ArCF metaestable 2+
2En 2010 se observó una dication, que es isoelectrónica de valencia con el fluoruro de carbonilo y el fosgeno . [31] 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 . [32]

El hidruro de argón sólido (Ar(H 2 ) 2 ) tiene la misma estructura cristalina que la fase Laves MgZn 2 . 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 los 175 GPa. [33]

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 el oxígeno líquido , que hierve a 90,2 K. Cada año se producen alrededor de 700.000 toneladas de argón en todo el mundo. [24] [34]

Aplicaciones

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

El argón tiene varias propiedades deseables:

Otros gases nobles serían igualmente adecuados para la mayoría de estas aplicaciones, pero el argón es, con diferencia, el más barato. Es barato, ya que se produce 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 primarios 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 surgen simplemente porque es inerte y relativamente barato.

Procesos industriales

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

En algunos de estos procesos, la presencia de gases de nitrógeno u oxígeno puede provocar 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. También se utiliza una atmósfera de argón para el crecimiento de cristales de silicio y germanio .

El argón se utiliza en la industria avícola para asfixiar a las aves, ya sea para el sacrificio masivo tras brotes de enfermedades o como un medio de sacrificio 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 . [35] 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. [36]

El argón se utiliza a veces para extinguir incendios en los que equipos valiosos pueden resultar dañados por el agua o la espuma. [37]

Investigación científica

El argón líquido se utiliza como objetivo para experimentos de 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 del WIMP. Al igual que con la mayoría de los demás gases nobles licuados, el argón tiene un alto rendimiento de luz de centelleo (alrededor de 51 fotones/keV [38] ), 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 distinto, 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 a39
Contaminación por Ar , a menos que se utilice argón de fuentes subterráneas, que tiene mucho menos39
Contaminación por argón . La mayor parte del argón presente en la atmósfera de la Tierra se produjo por captura de electrones de átomos de larga vida.40
K (40
K + e− →40
Ar + ν) presente en el potasio natural de la Tierra.39
La actividad de Ar en la atmósfera se mantiene mediante la producción cosmogénica a través de la reacción de knockout.40
Ar (n,2n)39
Ar y reacciones similares. La vida media de39
Ar tiene sólo 269 años. Como resultado, el Ar subterráneo, protegido por rocas y agua, tiene mucho menos39
Contaminación con Ar . [39] Los detectores de materia oscura que actualmente funcionan 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 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. [40] Este proceso da como resultado una película que se puede utilizar para fabricar procesadores de ordenador. El nuevo proceso eliminaría la necesidad de baños químicos y el uso de materiales caros, peligrosos y raros.

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 el material de envasado y así 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 retrasan o se evitan por completo. Los productos químicos y farmacéuticos de alta pureza a veces se envasan y sellan en argón. [41]

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 estimular tanto el metabolismo microbiano (como con las bacterias del ácido acético ) como la química redox estándar .

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

El argón también se utiliza como conservante para productos como barniz , poliuretano y pintura, desplazando el aire para preparar un recipiente para su almacenamiento. [42]

Desde 2002, los Archivos Nacionales de Estados Unidos almacenan documentos nacionales importantes, como la Declaración de Independencia y la Constitución, en contenedores 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 de la mayoría de los contenedores y debe reemplazarse periódicamente. [43]

Equipo de laboratorio

Las cajas de guantes a menudo están llenas de argón, que recircula sobre depuradores para mantener una atmósfera libre de oxígeno , nitrógeno y humedad.

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

El argón se puede utilizar como gas portador en la cromatografía de gases y en la espectrometría de masas de ionización por electrospray ; es el gas de elección para el plasma utilizado en la 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 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 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 provocado la muerte de al menos un paciente. [44]

Los láseres de argón azul se utilizan en cirugía para soldar arterias, destruir tumores y corregir defectos oculares. [24]

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. [45]

Iluminación

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

Las lámparas incandescentes se rellenan con argón para preservar los filamentos de la oxidación a altas temperaturas. [46] Se utiliza por la forma específica en que ioniza y emite luz, como en los globos de plasma y la calorimetría en la física de partículas experimental . Las lámparas de descarga de gas rellenas con argón puro proporcionan luz lila/violeta; con argón y algo de mercurio, luz azul. El argón también se utiliza para láseres de iones de argón azules y verdes .

Usos varios

El argón se utiliza para el aislamiento térmico en ventanas energéticamente eficientes . [47] El argón también se utiliza en el buceo técnico para inflar un traje seco porque es inerte y tiene baja conductividad térmica. [48]

El argón se utiliza como propulsor en el desarrollo del Cohete Magnetoplasma de Impulso Específico Variable (VASIMR). El gas argón comprimido se deja expandir para enfriar los cabezales buscadores de algunas versiones del misil AIM-9 Sidewinder y otros misiles que utilizan cabezales buscadores térmicos refrigerados. El gas se almacena a alta presión . [49]

El argón-39, con una vida media de 269 años, se ha utilizado para diversas aplicaciones, principalmente para la datación de núcleos de hielo y aguas subterráneas . Además, la datación potasio-argón y la datación argón-argón relacionada se utilizan para datar rocas sedimentarias , metamórficas e ígneas . [24]

Los atletas han utilizado el argón como agente dopante para simular condiciones de hipoxia . En 2014, la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) añadió el argón y el xenón a la lista de sustancias y métodos prohibidos, aunque en este momento no existe ninguna prueba fiable para detectar el abuso. [50]

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 de 1994, en el que un hombre se asfixió después de entrar en una sección llena de argón de un oleoducto en construcción en Alaska , destaca los peligros de la fuga de tanques de argón en espacios confinados y enfatiza la necesidad de un uso, almacenamiento y manipulación adecuados. [51]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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