Argon (Ar) - właściwości, działanie i występowanie argonu

Argon (Ar) jest gazem występującym w powietrzu, które wdychamy, ale większość z nas nie zdaje sobie z tego nawet sprawy. Rola tego szlachetnego pierwiastka jest dla większości organizmów znikoma, ale człowiek nauczył się go wykorzystywać na bardzo ciekawe sposoby. W jakich aspektach argon nam pomaga, a w jakich może szkodzić?



Butle ze sprzężonym argonem. Źródło: shutterstockButle ze sprzężonym argonem. Źródło: shutterstock

  1. Historia argonu
  2. Właściwości argonu – jakie związki tworzy?
  3. Występowanie i pozyskiwanie argonu
  4. Zastosowania argonu
  5. Wpływ argonu na zdrowie
  6. Argon a ekologia
W tablicy Mendelejewa argon jest 18 z kolei pierwiastkiem, jednocześnie zaliczanym do 18 grupy układu okresowego. Jako gaz szlachetny wykazuje powinowactwo do helu (He), neonu (Ne), kryptonu (Kr) i ksenonu (Xe), a także radioaktywnego radonu (Rn). Sama nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „leniwy” czy „nieaktywny”.

Historia argonu


Już pod koniec XVIII w. angielski naukowiec Henry Cavendish zasugerował, że tajemniczym składnikiem powietrza jest gaz, który nie wchodzi w żadne reakcje nawet w ekstremalnych warunkach. Dopiero w 1894 r. w Londynie Lord Rayleigh i Sir William Ramsay zdołali jednak rozwikłać zagadkę. Udało im się usunąć z próbki powietrza tlen, azot, dwutlenek węgla i parę wodną, wykorzystując w tym celu zlewkę z roztworem zasadowym oraz łukowate szklane rurki wypełnione elektrodami z platynowego drutu. Otrzymany w ten sposób gaz, który wydawał się całkowicie niereaktywny, nazwali argonem. Badanie spektrometryczne potwierdziło, że mieli do czynienia z nieznanym jak dotąd pierwiastkiem.

Ciekawostka:
Do 1957 r, oficjalny symbolem chemicznym Argonu była litera „A”, dopiero później zmieniono go na „Ar”.
Tabela przedstawiająca właściwości argonu; opracowanie własne

Właściwości argonu – jakie związki tworzy?


Argon jest bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku gazem, który faktycznie nie wchodzi w reakcje z innymi pierwiastkami. W temperaturze pokojowej nie formuje żadnych trwałych związków i nie jest palny. W wodzie rozpuszcza się niemal tak samo dobrze jak tlen, a jego temperatura wrzenia wynosi -185,8 stopni C, co oznacza, że poniżej tego poziomu skrapla się on do postaci cieczy, zaś poniżej -189,34 stopni C staje się krystalicznym ciałem stałym. Charakteryzuje się również niskim poziomem przewodnictwa ciepła i pewnymi ciekawymi właściwościami elektronicznymi. Pod wpływem pola elektrycznego, tak jak inne gazy szlachetne, wydziela z siebie atrakcyjne fioletowe światło.

Za brak reaktywności argonu odpowiada fakt, że na zewnętrznej powłoce atomu znajduje się osiem elektronów, co czyni pierwiastek wyjątkowo stabilnym i niechętnym do wymiany ładunków elektrycznych. Atomu argonu nie łączą się nawet jeden z drugim, w związku z czym gazy szlachetne posiadają jednoatomowe cząsteczki.

Tym niemniej, naukowcom z Helsinek udało się w 2000 r. w ekstremalnych warunkach i przy wykorzystaniu promieniowania UV uzyskać połączenie argonu, fluoru i wodoru (HArF), które jest stabilne jedynie w temperaturze poniżej -256,1 stopni, ale nie posiada żadnego praktycznego zastosowania. Ponadto w ośrodku międzygwiazdowym supernowy Crab Nabula odkryto wodorowe jony argonu, będące de facto pierwszymi zidentyfikowanymi cząsteczkami gazów szlachetnych w kosmosie. Wodorek argonu – Ar(H2)2 – jest natomiast ciałem stałem powstałym pod wpływem ciśnienia przekraczającego 4,3 GPa. Teoretyzuje się, że związków argonowych można będzie w przyszłości uzyskać więcej, ale jak dotąd ich synteza leży jedynie w sferze domniemywań.

Argon posiada 24 znane izotopy oznaczonych symbolami od Ar-30 po Ar-53. Z tego tylko trzy są stabilne i występują naturalnie, a sześć ma charakter radioaktywny. Dla przykładu Ar-37 powstający wskutek eksplozji nuklearnych odznacza się czasem połowicznego rozpadu na poziomie zaledwie 37 dni.

Ciekawostka:
Skroplenia i zestalenia argonu dokonał jako pierwszy na świecie polski chemik Karol Olszewski w 1895 r.
Argon emituje światło pod wpływem pola elektrycznego. Źródło: shutterstock

Występowanie i pozyskiwanie argonu


Argon jest najpowszechniejszym na Ziemi gazem szlachetnym stanowiącym ok. 0.93% objętości naszej atmosfery (1,3% w kontekście wagowym). Koncentrację w skorupie ziemskiej określa się na poziomie 4 ppm – gaz jest często bowiem uwięziony wewnątrz skał. W skali wszechświata argon jest natomiast aż 12 najczęściej występującym pierwiastkiem, a większość tej ilości tworzą stabilne izotopy Ar-36 oraz Ar-38. Co ciekawe, na Ziemi aż 99,6% całego argonu stanowi trzeci co do powszechności izotop Ar-40, również uznawany za stabilny. Argon obecny jest także w atmosferze Merkurego oraz Marsa.

Pozyskiwanie argonu nie różni się od produkcji innych gazów szlachetnych. Na skalę przemysłową stosuje się przede wszystkim metodę frakcyjnej destylacji płynnego powietrza przeprowadzaną w specjalnej kriogenicznej komorze. W jej procesie skrapla się najpierw azot, a potem tlen. Roczna światowa produkcja wynosi ok. 700 tysięcy ton.

Warto dodać, że wspomniany wyżej izotop Ar-40 może być również pozyskiwany w drodze rozpadu izotopu potasu K-40 pod wpływem emisji pozytonu lub wychwytywania elektronów. Ten sposób nie ma zastosowania przemysłowego, ale pozwala naukowcom określać wiek skał.

Zastosowania argonu


Mogłoby się wydawać, że pierwiastek tak niechętny do reakcji, nie będzie miał wielkiego znaczenia w przemyśle. Argon posiada jednak kilka cennych atutów, które czynią go najtańszym szlachetnym gazem, mogącym w niektórych zastosowaniach stanowić alternatywę dla azotu.

Przede wszystkim więc argon jest wysoce pożądanym medium dla procesów przeprowadzanych w bardzo wysokich temperaturach, kiedy zależy nam na niereaktywnym charakterze otoczenia. Obecność tlenu lub azotu mogłaby bowiem spowodować niepożądane defekty techniczne. Typowym wykorzystaniem argonu w przemyśle jest więc łukowe spawanie metali, a także przetwarzanie tytanu. Jako gęstszy niż powietrze, argon ma również tę zaletę, że nie unika z nieszczelnych urządzeń.

Poza tym argon wykorzystywany jest do produkcji oświetlenia żarowego i niskoenergetycznych żarówek (w połączeniu z rtęcią), do wypełniania pakietów szybowych w wysokiej jakości oknach, gdzie zapobiega uciekaniu ciepła z wnętrz, a także do produkcji twardych dysków, w których stanowi formę ochrony przed zużywaniem się głowic czytających. Inne zastosowania obejmują m.in. wyrób detektorów promieniowania oraz laserów argonowych, hodowlę kryształów krzemu i germanu, a także wypełnianie gaśnic stosowanych w sytuacjach, gdy woda lub piana mogłyby uszkodzić gaszone wyposażenie. W medycynie płynny argon służy usuwaniu zmian rakowych poprzez tzw. krioablację oraz operowaniu oczu czy tętnic za pomocą lasera.

Wreszcie, argon wykorzystywany bywa także w eksperymentach naukowych służących wykrywaniu ciemnej materii oraz jonizacji metalicznych powłok, jako konserwant chroniący przed dostępem tlenu np. przemyśle winiarskim i farbiarskim, a także jako propelent w aerozolach. Znajduje również zastosowanie w mikroskopii elektronowej, spektrometrii, a nawet jako gaz wypełniający skafandry dla płetwonurków oraz opony w luksusowych autach – dzięki niemu obniża się hałas podczas jazdy!

Wpływ argonu na zdrowie


Jednym z bardziej kontrowersyjnych zastosowań argonu jest uśmiercanie ptactwa w przypadku wybuchu epidemii. Mimo pozornego okrucieństwa jest to metoda znacznie bardziej humanitarna niż alternatywne porażanie prądem, a przy tym nie powoduje skażenia mięsa, a wręcz przedłuża jego zdatność do konsumpcji dzięki konserwacyjnym właściwościom argonu. Sam fakt, że szlachetny gaz może być jednak wykorzystywany do duszenia, świadczy jasno o potencjalnym zagrożeniu dla zdrowia.

Faktycznie, choć całkowicie nietoksyczny, argon jest o 38% gęstszy niż powietrze i w zamkniętych pomieszczeniach może prowadzić do uduszenia. Zagrożenie dotyczy oczywiście przede wszystkim obiektów, gdzie zainstalowane są urządzenia wykorzystujące argon, ale jest o tyle duże, że rosnącej obecności niebezpiecznego gazu nie da się wykryć nim jest już za późno. Pierwsze objawy podduszenia argonem obejmują zawroty głowy, nudności, wymioty, bóle głowy, a w końcu utratę przytomności. Przy niskim stężeniu tlenu śmierć może nastąpić nawet w ciągu kilku sekund!

Kontakt z płynnym argonem natomiast ze względu na jego niską temperaturę grozi odmrożeniami i martwicą skóry.
Argon wykorzystywany jest w spawalnictwie. Źródło: shutterstock

Argon a ekologia


Jak dotąd nie wykryto żadnego ryzyka argonu dla środowiska naturalnego. W otwartych przestrzeniach gaz bardzo szybko się rozprzestrzenia i nawet większe jego ilości w atmosferze nie stwarzają zagrożenia dla organizmów żywych. Na dzień dzisiejszy nie wiąże się też argonu z niebezpieczeństwem zmniejszania się warstwy ozonowej czy wpływu na ekosystemy wodne.

Argon póki co pozostaje więc cichym sprzymierzeńcem człowieka i jego postępu technologicznego, umożliwiając rozwój nauki, medycyny i elektroniki. W najnowszych badaniach pracuje się nawet nad wykorzystaniem gazu do leczenia uszkodzeń mózgu spowodowanych urazami lub brakiem dopływu tlenu. Możliwe więc, że przyszłość przyniesie kolejne korzyści związane z jego „leniwym” potencjałem!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

1. „Argon” Royal Society of Chemistry, https://www.rsc.org/periodic-table/element/18/argon, 30/12/2021
2. “Argon facts” Todd Helmestine, https://sciencenotes.org/argon-facts/, 30/12/2021
3. “Facts about argon” Stephanie Pappas, https://www.livescience.com/29023-argon.html, 30/12/2021
4. “Argon-Ar” Lenntech, https://www.lenntech.com/periodic/elements/ar.htm , 30/12/2021
5. “Argon (Ar) - Discovery, Occurrence, Production, Properties and Applications of Argon” G.P. Thomas, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=7906, 30/12/2021
6. “Argon” Britannica, https://www.britannica.com/science/argon-chemical-element, 30/12/2021

Ocena (3.9) Oceń: