El argón es un elemento químico ; tiene símbolo Ar y número atómico 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 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 , comprendiendo el 0,00015% de la corteza.
Casi todo el argón en la atmósfera de la Tierra 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 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 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 mediante destilación fraccionada del aire líquido . Se utiliza principalmente como gas protector inerte en soldadura y otros procesos industriales de alta temperatura donde sustancias normalmente no reactivas se vuelven reactivas; por ejemplo, en los hornos eléctricos de grafito se utiliza una atmósfera de argón para evitar que el grafito se queme. También se utiliza en lámparas incandescentes , fluorescentes y otros tubos de descarga de gas. Produce un distintivo láser de gas azul verdoso . También se utiliza en encendedores fluorescentes.
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 forma sólida, líquida o gaseosa. [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 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). [11] [12] Aunque los compuestos químicos del argón en estado fundamental neutro 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] Iones , como ArH+
y se han demostrado complejos de estado excitado , como ArF. Los cálculos teóricos predicen varios compuestos de argón más que deberían ser estables [14] pero que aún no se han sintetizado.
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 del primer gas noble descubierto impresionó a quienes lo nombraron. [15] [16] Henry Cavendish sospechó que un gas no reactivo era un componente del aire en 1785. [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 eliminando oxígeno , dióxido de carbono , agua y nitrógeno de una muestra de aire limpio. [18] [19] [20] 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 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 estaba alimentado por una batería de cinco celdas 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. Operaron 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. [21] También se encontró argón en 1882 a través de una 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 los elementos conocidos.
Hasta 1957, el símbolo del argón era "A", pero ahora es "Ar". [23]
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 purificados. 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 . [25] La corteza terrestre y el agua de mar contienen 1,2 ppm y 0,45 ppm de argón, respectivamente. [26]
Los principales isótopos de argón que se encuentran en la Tierra son40
Ar (99,6%),36
Ar (0,34%), y38
Ar (0,06%). De forma natural40
K , con una vida media de 1,25 × 109 años, decae a estable40
Ar (11,2%) por captura de electrones o emisión de positrones , y también para estabilizar40
Ca (88,8%) por desintegración beta . Estas propiedades y proporciones se utilizan para determinar la edad de las rocas mediante la datación K-Ar . [26] [27]
En la atmósfera terrestre,39
Ar se produce por la actividad de los rayos cósmicos , principalmente por la captura de neutrones de40
Ar seguido de una emisión de dos neutrones. En el entorno subterráneo, también se produce mediante la captura de neutrones por39
K , seguido de la emisión de protones.37
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. [27]
Entre ubicaciones del Sistema Solar , la composición isotópica del argón varía mucho. Donde la principal fuente de argón es la descomposición del40K en rocas,40
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 alfa.36
Ar . En consecuencia, el argón solar contiene un 84,6%.36
Ar (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 primordial 36
Ar en la atmósfera terrestre, 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 , y su contenido puede llegar al 1,93% (Marte). [30]
El predominio de radiogénico. 40
Ar 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 ubicación antes que el metal alcalino reactivo . Henry Moseley resolvió más tarde este problema demostrando que la tabla periódica en realidad está ordenada según el número atómico (ver Historia de la tabla periódica ).
El octeto completo de electrones del argón indica las 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 otros 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. [31] En agosto de 2000, investigadores de la Universidad de Helsinki formaron otro compuesto de argón, el 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. [12] [32] [33] Es estable hasta 17 kelvin (−256 °C). El ArCF metaestable 2+
2La dicción, que es valencia- isoelectrónica con fluoruro de carbonilo y fosgeno , se observó en 2010. [34] 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 ; ésta fue la primera molécula de gas noble detectada en el espacio exterior . [35] [36]
El hidruro de argón sólido (Ar(H 2 ) 2 ) tiene la misma estructura cristalina que la fase Laves de 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 175 GPa. [37]
El argón se extrae industrialmente mediante 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. Cada año se producen en todo el mundo unas 700.000 toneladas de argón. [26] [38]
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 económico, ya que se encuentra naturalmente en el aire y se obtiene fácilmente como subproducto de la separación criogénica del aire en la producción de oxígeno y nitrógeno líquidos : los constituyentes 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.
El argón se utiliza en algunos procesos industriales de alta temperatura donde sustancias normalmente no reactivas se vuelven reactivas. Por ejemplo, en los hornos eléctricos de grafito se utiliza una atmósfera de argón para evitar que el grafito se queme.
Para algunos de estos procesos, la presencia de gases nitrógeno u oxígeno puede causar defectos dentro del 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 hacer crecer 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 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 por gas inerte . [39] [40] 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. [41]
El argón se utiliza a veces para extinguir incendios en los que el agua o la espuma pueden dañar equipos valiosos. [42]
El argón líquido se utiliza como objetivo para experimentos con neutrinos y búsquedas directas de materia oscura . La interacción entre los hipotéticos WIMP y un núcleo de argón produce luz centelleante 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. Como ocurre con la mayoría de los demás gases nobles licuados, el argón tiene un alto rendimiento de luz de centelleo (alrededor de 51 fotones/keV [43] ), 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
La contaminación por Ar , a menos que se utilice argón de fuentes subterráneas, que tiene mucho menos39
Contaminación por aire . La mayor parte del argón de la atmósfera terrestre se produjo mediante la captura de electrones de compuestos de larga vida.40
k (40
K + mi − →40
Ar + ν) presente en el potasio natural de la Tierra. El39
La actividad del Ar en la atmósfera se mantiene mediante la producción cosmogénica a través de la reacción de eliminación.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 por aire . [44] 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. [45] Este proceso da como resultado una película que se puede utilizar para fabricar procesadores de computadoras. El nuevo proceso eliminaría la necesidad de baños químicos y el uso de materiales caros, peligrosos y raros.
El argón se utiliza para desplazar el aire que contiene oxígeno y humedad en el material de embalaje para prolongar la vida útil del contenido (el argón tiene el código europeo de aditivos alimentarios E938). La oxidación aérea, la hidrólisis y otras reacciones químicas que degradan los productos se retardan o previenen por completo. Los productos químicos y farmacéuticos de alta pureza a veces se envasan y sellan en argón. [46]
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 alimentar tanto el metabolismo microbiano (como ocurre con las bacterias del ácido acético ) como la química redox estándar .
A veces se utiliza argón como propulsor en latas de aerosol .
El argón también se utiliza como conservante de productos como barniz , poliuretano y pintura, desplazando el aire para preparar un recipiente para el almacenamiento. [47]
Desde 2002, los Archivos Nacionales de Estados Unidos almacenan importantes documentos nacionales, como la Declaración de Independencia y la Constitución , en cajas llenas 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 contenedores y debe ser reemplazado periódicamente. [48]
El argón se puede utilizar como gas inerte dentro de las líneas y cajas de guantes Schlenk . Se prefiere el argón al nitrógeno, que es 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 cromatografía de gases y en espectrometría de masas por ionización por electropulverización ; es el gas elegido 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 microelectrónica y para la limpieza de obleas en microfabricación .
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. [49]
Los láseres azules de argón se utilizan en cirugía para soldar arterias, destruir tumores y corregir defectos oculares. [26]
El argón también se ha utilizado experimentalmente para sustituir el nitrógeno en la mezcla de respiración o descompresión conocida como Argox , para acelerar la eliminación del nitrógeno disuelto de la sangre. [50]
Las luces incandescentes están llenas de argón para preservar los filamentos de la oxidación a altas temperaturas. 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 azules y verdes .
El argón se utiliza para el aislamiento térmico en ventanas energéticamente eficientes . [51] El argón también se utiliza en el buceo técnico para inflar un traje seco porque es inerte y tiene baja conductividad térmica. [52]
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 los cabezales buscadores de algunas versiones del misil AIM-9 Sidewinder y otros misiles que utilizan cabezales buscadores térmicos enfriados. El gas se almacena a alta presión . [53]
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 relacionada argón-argón se utilizan para fechar rocas sedimentarias , metamórficas e ígneas . [26]
Los atletas han utilizado el argón 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 en este momento no existe una prueba fiable de abuso. [54]
Aunque el argón no es tóxico, es un 38% más denso que el aire y, por 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 se asfixió después de entrar en una sección llena de argón de un oleoducto en construcción en Alaska , resalta los peligros de las fugas de tanques de argón en espacios confinados y enfatiza la necesidad de un uso, almacenamiento y manipulación adecuados. [55]
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