Als iemand je zou vragen om de drie meest voorkomende gassen in de atmosfeer van de aarde te noemen, zou je in een bepaalde volgorde zuurstof, koolstofdioxide en stikstof kunnen kiezen. Als dat zo is, zou je gelijk hebben - meestal. Het is een weinig bekend feit dat achter stikstof (N2) en zuurstof (O2), is het op twee na meest voorkomende gas het edelgas argon, goed voor iets minder dan 1 procent van de onzichtbare samenstelling van de atmosfeer.
De zes edelgassen ontlenen hun naam aan het feit dat deze elementen vanuit scheikundig oogpunt zelfs afstandelijk zijn hooghartig: ze reageren niet met andere elementen, dus ze worden niet gebonden aan andere atomen om complexere vormen te vormen verbindingen. In plaats van ze onbruikbaar te maken in de industrie, maakt deze neiging om je met je eigen atomaire zaken te bemoeien, sommige van deze gassen echter handig voor specifieke doeleinden. Vijf belangrijke toepassingen van argon zijn bijvoorbeeld de plaatsing in neonlichten, het vermogen om de leeftijd van argon te bepalen zeer oude stoffen, het gebruik ervan als isolator bij de productie van metalen, de rol als lasgas en het gebruik in 3D afdrukken.
Basisprincipes van edelgas
De zes edelgassen - helium, neon, argon, krypton, xenon en radon - bezetten de meest rechtse kolom in het periodiek systeem der elementen. (Elk onderzoek van een chemisch element moet vergezeld gaan van een periodiek systeem; zie bronnen voor een interactief voorbeeld.) De real-world implicaties hiervan is dat edelgassen geen deelbare elektronen hebben. Net als een puzzeldoos die precies het juiste aantal stukjes bevat, hebben argon en zijn vijf neven geen subatomaire tekorten die moeten worden aangevuld door donaties van andere elementen, en het heeft geen extra's die rondzweven om in te doneren beurt. De formele term voor deze niet-reactiviteit van edelgassen is 'inert'.
Net als een voltooide puzzel is een edelgas chemisch zeer stabiel. Dit betekent dat het, in vergelijking met andere elementen, moeilijk is om de buitenste elektronen uit edelgassen te kloppen met een energiestraal. Dit betekent dat deze elementen - de enige elementen die als gassen bij kamertemperatuur bestaan, terwijl de andere allemaal vloeistoffen of vaste stoffen zijn - een zogenaamde hoge ionisatie-energie hebben.
Helium, met één proton en één neutron, is het op één na meest voorkomende element in het universum, na waterstof, dat alleen een proton bevat. De gigantische, voortdurende kernfusiereactie die ervoor zorgt dat sterren de superheldere objecten zijn die ze zijn niet meer dan ontelbare waterstofatomen die in een periode van miljarden tijd met elkaar in botsing komen om heliumatomen te vormen jaar.
Wanneer elektrische energie door een edelgas wordt geleid, wordt licht uitgestraald. Dit is de basis voor neonreclames, wat een algemene term is voor dergelijke displays die zijn gemaakt met behulp van een edelgas.
Eigenschappen van Argon
Argon, afgekort Ar, is element nummer 18 in het periodiek systeem en is daarmee het op twee na lichtste van de zes edelgassen na helium (atoomnummer 2) en neon (nummer 10). Zoals het een element betaamt dat onder de chemische en fysische radar vliegt, tenzij het wordt uitgelokt, is het kleurloos, geurloos en smaakloos. Het heeft een molecuulgewicht van 39,7 gram per mol (ook bekend als daltons) in zijn meest stabiele configuratie. Je herinnert je misschien uit andere lectuur dat de meeste elementen in isotopen voorkomen, dit zijn versies van hetzelfde element met de verschillende nummers van neutronen en dus verschillende massa's (het aantal protonen verandert niet, anders zou de identiteit van het element zelf verandering). Dit heeft cruciale gevolgen voor een van de belangrijkste toepassingen van argon.
Gebruik van argon
Neon lichten: Zoals beschreven zijn edelgassen handig voor het maken van neonlichten. Hiervoor wordt samen met neon en krypton argon gebruikt. Wanneer elektriciteit door het argongas gaat, prikkelt het tijdelijk de buitenste in een baan om de aarde draaiende elektronen en zorgt ervoor dat ze kort naar een hogere "schil" of energieniveau springen. Wanneer het elektron vervolgens terugkeert naar zijn gebruikelijke energieniveau, zendt het een foton uit - een massaloos pakket licht.
Radio-isotoop datering: Argon kan worden gebruikt samen met kalium, of K, dat element nummer 19 is in het periodiek systeem, tot op heden objecten tot maar liefst 4 miljard jaar oud. Het proces werkt als volgt:
Kalium heeft gewoonlijk 19 protonen en 21 neutronen, waardoor het ongeveer dezelfde atomaire massa heeft als argon (iets minder dan 40), maar met een andere samenstelling van protonen en neutronen. Wanneer een radioactief deeltje dat bekend staat als een bètadeeltje botst met kalium, kan het een van de protonen in de kern van kalium naar een neutron, waardoor het atoom zelf verandert in argon (18 protonen, 22 neutronen). Dit gebeurt met een voorspelbare en vaste snelheid in de tijd, en zeer langzaam. Dus als wetenschappers een monster van bijvoorbeeld vulkanisch gesteente onderzoeken, kunnen ze de verhouding van argon tot kalium in het monster vergelijken (die in de loop van de tijd stapsgewijs stijgt) tot de verhouding die zou bestaan in een "gloednieuw" monster, en bepalen hoe oud de steen is.
Merk op dat dit verschilt van "koolstofdatering", een term die vaak ten onrechte wordt gebruikt om generiek te verwijzen naar het gebruik van radioactieve vervalmethoden om oude objecten te dateren. Koolstofdatering, wat slechts een specifiek type radio-isotoopdatering is, is alleen nuttig voor objecten waarvan bekend is dat ze in de orde van duizenden jaren oud zijn.
Schildgas bij het lassen: Argon wordt gebruikt bij het lassen van speciale legeringen en bij het lassen van autoframes, geluiddempers en andere auto-onderdelen. Het wordt een schildgas genoemd omdat het niet reageert met de gassen en metalen die in de buurt van de te lassen metalen zweven; het neemt slechts ruimte in beslag en voorkomt dat andere, ongewenste reacties in de buurt plaatsvinden door reactieve gassen zoals stikstof en zuurstof.
Warmtebehandeling: Als inert gas kan argon worden gebruikt om een zuurstof- en stikstofvrije omgeving te bieden voor warmtebehandelingsprocessen.
3d printen: Argon wordt gebruikt in het ontluikende veld van driedimensionaal printen. Tijdens het snel opwarmen en afkoelen van het printmateriaal zal het gas oxidatie van het metaal en andere reacties voorkomen en kan het de impact van stress beperken. Argon kan ook worden gemengd met andere gassen om zo nodig speciale mengsels te maken.
Metaalproductie: Net als zijn rol bij het lassen, kan argon worden gebruikt bij de synthese van metalen via andere processen omdat het oxidatie (roestvorming) voorkomt en ongewenste gassen zoals koolmonoxide verdringt.
Gevaren van Argon
Dat argon chemisch inert is, betekent helaas niet dat het vrij is van mogelijke gezondheidsrisico's. Argongas kan bij contact de huid en de ogen irriteren en in vloeibare vorm kan het bevriezing veroorzaken (er zijn relatief weinig gebruik van argonolie, en "arganolie", een veelgebruikt ingrediënt in cosmetica, is niet eens in de verste verte hetzelfde als argon). Hoge niveaus van argongas in de lucht in een gesloten omgeving kunnen zuurstof verdringen en leiden tot ademhalingsproblemen, variërend van mild tot ernstig, afhankelijk van hoeveel argon aanwezig is. Dit resulteert in symptomen van verstikking, waaronder hoofdpijn, duizeligheid, verwardheid, zwakte en tremoren aan het mildere einde, en coma en zelfs de dood in de meest extreme gevallen.
Bij bekende huid- of oogblootstelling heeft spoelen en spoelen met warm water de voorkeur. Wanneer argon is ingeademd, kan standaard ademhalingsondersteuning, inclusief zuurstoftoediening door een masker, nodig zijn om het zuurstofgehalte in het bloed weer normaal te maken; het is natuurlijk ook nodig om de getroffen persoon uit de argonrijke omgeving te krijgen.