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Argon


Argon macht etwa 0,9 % des Volumens der Atmosphare aus. Argon, der wie Stickstoff ein neutrales farbloses Gas ist, existiert in der Natur nur als Bestandteil der Atmospharenluft. Er ist zur Unterstutzung des Lebens nicht tauglich, ist aber bei einigen fertigungstechnischen Prozessen dank hoher chemischen Tragheit und relativ leichter Gewinnung unersetzbar.

Entdeckungsgeschichte

Argon / Argon (Ar), 18
Aussehen

Reaktionsträges, farb-, geruch- und geschmackloses Gas
Atomeigenschaften
Name, Symbol, Ordnungszahl
Atommasse (molare Masse) 39,948 u (g/mol)
Elektronenkonfiguration [Ne] 3s2 3p6
Atomradius 71 pm
chemische Eigenschaften
Kovalenter Radius 106 pm
Ionenradius 154 pm
Elektronegativität 4,3 (Pauling-Skala)
Elektrodenpotential 0
Oxidationszustände 0
1. Ionisierungsenergie 1519,6(15,75) kJ/mol (eV)
thermodynamische Eigenschaften des Elementarstoffs
Dichte (unter Normalbedingungen) (bei 186 °C) 1,40 g/cm3
Schmelzpunkt 83,8 K
Siedepunkt 87,3 K
Verdampfungswärme 6,52 kJ/mol
Molare Wärmekapazität 20,79 J/(K mol)
Molares Volumen 24,2 cm3/mol
Kristallstruktur des Elementarstoffs
Gitterstruktur kubisch flächenzentriert
Gitterparameter 5,260 A
Debye-Temperatur 85 K
sonstige Eigenschaften
Wärmeleitfähigkeit (300 K) 0,0177 W/(m К)

Die Entdeckungsgeschichte von Argon begann 1785, als der englische Physiker und Chemiker Henry Cavendish bei der Erforschung der Luft feststellen wollte, ob der ganze Stickstoff der Luft oxidiert wird.

Im Laufe von vielen Wochen bewirkte er mit elektrischen Entladungen eine bestimmte Menge sauerstoffangereicherter Luft in U-Röhren, wodurch sich in diesen Röhren immer wieder neue Portionen von braunen Stickstoffoxiden bildeten, die der Forscher regelmäßig ausgewaschen hatte. Nach einiger Zeit hörte die Bildung von Oxiden auf, aber nach der Bindung des restlichen Sauerstoffs blieb eine Gasblase, deren Volumen sich bei der Dauerwirkung von elektrischen Entladungen im Beisein von Sauerstoff nicht mehr verringerte.

Cavendish schätzte ein, dass das Volumen der restlichen Gasblase etwa 1/120 vom ursprünglichen Luftvolumen betrug. Er konnte aber das Geheimnis der Blase nicht lösen, deswegen setzte er seine Experimente nicht fort und veröffentlichte sogar keine Ergebnisse. Erst nach vielen Jahren sammelte und veröffentlichte englischer Physiker James Maxwell unveröffentlichte Manuskripte und Laboraufzeichnungen von Cavendish.

Weitere Entdeckungsgeschichte von Argon ist mit dem Namen von Rayleigh verbunden, der einige Jahre der Untersuchung der Dichte von Gasen, insbesondere von Stickstoff, gewidmet hatte. Es erwies sich, dass ein Liter des aus der Luft erzeugten Stickstoffs um 1,6 mg schwerer war, als ein Liter des „chemischen“ Stickstoffs, der durch Zerlegung irgendeiner Stickstoffverbindung, zum Beispiel Lustgas, Stickstoffmonoxid, Ammoniak, Harnstoff oder Salpeter erzeugt wurde. (Das Gewicht des Ersten war 1,2521 g, und des Zweiten 1,2505 g.). Diese Differenz war gar nicht klein, um sie als Versuchsfehler zu betrachten. Außerdem wiederholte sich diese Differenz immer wieder unabhängig von der Erzeugungsquelle des chemischen Stickstoffs.

Ohne eine Lösung gefunden zu haben veröffentlichte Rayleigh im Herbst 1892 in der Zeitung „Nature” einen Brief an Wissenschaftler mit der Bitte, die Tatsache zu erklären, dass er abhängig von der Stickstoffgewinnungsart verschiedene Dichtgrößen erhielt. Diesen Brief haben viele Wissenschaftler gelesen, keiner konnte aber gestellte Frage beantworten.

Der bereits damals bekannte englische Chemiker William Ramsay hatte auch keine fertige Antwort, bot aber Rayleigh seine Mitwirkung an. Intuitiv vermutete Ramsay, dass Luftstickstoff Beimischungen eines unbekannten und schwereren Gases enthält, und James Dewar lenkte die Aufmerksamkeit von Rayleigh auf die Beschreibung von altertümlichen Versuchen von Cavendish (die zu jener Zeit schon veröffentlicht waren).

Um aus der Luft den verborgenen Bestandteil zu gewinnen, ging jeder Wissenschaftler auf eigenem Wege. Rayleigh wiederholte den Versuch von Cavendish im vergrößerten Maßstab und auf einem höheren technischen Stand. Der Transformator unter der Spannung 6000 V sendete in eine mit Stickstoff gefüllte 50-Liter-Glocke ein Bündel von elektrischen Funken. Eine Sonderturbine spritzte in die Glocke Alkalilösung, die Stickstoffoxide und Kohlensäurebeimischungen adsorbierte. Das verbliebene Gas trocknete Rayleigh und leitete durch eine Porzellanröhre mit erhitzten Kupferspänen, die den Restsauestoff aufnahmen. Der Versuch dauerte einige Tage.

Ramsay entdeckte, dass das aufgeheizte metallische Magnesium Stickstoff absorbiert, indem fester Magnesiumnitrid hergestellt wird, und benutzte diese Fähigkeit des Magnesiums. Vielfach leitete er einige Liter Stickstoff durch das von ihm zusammengebauten Gerät. Nach 10 Tagen verringerte sich das Gasvolumen nicht mehr, also war der ganze Stickstoff gebunden. Mittels der Reaktion mit Kupfer wurde gleichzeitig Sauerstoff entzogen, der als Beimischung zum Stickstoff anwesend war. Dank diesem Verfahren ist es Ramsay gelungen, beim ersten Versuch etwa 100 cm³ eines neuen Gases zu gewinnen.

Also wurde ein neues Element entdeckt. Es wurde bekannt, dass es fast auf das Anderthalbfache schwerer als Stickstoff ist und einen 1/80 Teil des Luftvolumens beträgt. Mithilfe von Schallmessungen entdeckte Ramsay, das das Molekül des neuen Gases aus einem Atom besteht — vorher sind ähnliche Gase im stabilen Zustand nicht vorgekommen. Daraus folgte ein sehr wichtiger Schluss — da das Molekül einatomig ist, dann ist offensichtlich das neue Gas keine zusammengesetzte chemische Verbindung, sondern ein Elementarstoff. Viel Zeit widmeten Ramsay und Rayleigh der Forschung seiner Reaktionsfähigkeit mit vielen reaktionsfreudigen Substanzen. Aber wie es zu erwarten war, sind zum Schluss gekommen, dass ihr Gas völlig reaktionsträge ist. Es war verblüffend — bis dahin war kein dermaßen unreaktiver Stoff bekannt.

Große Rolle bei der Untersuchung des neuen Gases spielte Spektralanalyse. Das Spektrum des aus Luft ausgeschiedenen Gases mit seinen kennzeichnenden orangen, blauen und grünen Linien unterschied sich scharf von den Spektren der bereits bekannten Gasen. William Crookes, einer der führenden Spektroskopiker der damaligen Zeit, zählte in seinem Spektrum fast 200 Linien auf. Der damalige Entwicklungsstand der Spektralanalyse erlaubte nicht, festzustellen, ob das beobachtete Spektrum einem oder einigen Elementen gehört. Einige Jahre später stellte es sich heraus, dass Ramsay und Rayleigh nicht ein Gas, sondern eine ganze Plejade von Edelgasen in den Händen hatten.

Am 7. August 1894 wurde in Oxford in der Versammlung der Britischen Assoziation der Physiker, Chemiker und Naturforscher (British Association for Advancement of Science) die Entdeckung eines neuen Elements bekannt gegeben, das Argon genannt wurde. In seinem Bericht behauptete Rayleigh, dass in jedem Kubikmeter der Luft etwa 15 g des entdeckten Gases (1,288 Gew. %) enthalten sind. Allzu unglaublich war die Tatsache, dass einige Generationen von Wissenschaftlern diesen Luftbestandteil nicht gemerkt haben, der dabei ein ganzes Prozent betrug! In einigen Tagen überprüften Dutzende von Wissenschaftlern aus verschiednen Länder die Versuche von Ramsay und Rayleigh. Es sind keine Zweifel geblieben: die Luft enthält Argon.


Nach 10 Jahren, im Jahre 1904 erhielt Rayleigh für die Untersuchung der Dichten von besonders verbreiteten Gasen und die Entdeckung von Argon den Nobelpreis für Physik, und Ramsay für die Entdeckung von verschiedenen Edelgasen in der Atmosphäre — den Nobelpreis für Chemie.

Hauptanwendungen

Lebensmittelindustrie

In einem geregelten Medium kann Argon bei vielen Prozessen statt Stickstoff eingesetzt werden. Hohe Lösbarkeit (zweimal höher als die Löslichkeit von Stickstoff) und bestimmte molekulare Eigenschaften ermöglichen seinen Einsatz zur Gemüselagerung. Unter bestimmten Bedingungen kann er metabolische Reaktionen verzögern und den Gasaustausch bedeutend reduzieren.

Herstellung von Glas, Zement und Kalk

Argon gewährleistet ausgezeichnete Wärmeisolierung, wenn er zur Auffüllung von Vorrichtungen mit Doppelverglasung verwendet wird.

Metallurgie

Argon wird zur Vorbeugung des Kontakts und der nachfolgenden Reaktion zwischen schmelzflüssigem Metall und umgebender Atmosphäre eingesetzt.

Der Einsatz von Argon ermöglicht die Optimierung von solchen fertigungstechnischen Prozessen wie Durchmischung von geschmolzenen Stoffen, Spülung von Reaktortrögen zur Vorbeugung der Rückoxidation des Stahls sowie Bearbeitung von Stählen, die in Vakuumentgaser nur beschränkt eingesetzt werden, einschließlich Vakuum-Sauerstoff-Entkohlung, Oxidations-Reduktions-Prozeße und offene Verbrennungsprozesse. Aber besonders verbreitet ist Argon in den Prozessen der Argon-Sauerstoff-Entkohlung von Rohchromstahl, indem die Oxidation von Chrom minimiert wird.

Laboruntersuchungen und Analyse

Als reines Gas und in Verbindung mit anderen Gasen wird Argon zur Durchführung von industriellen und medizinischen Analysen und Untersuchungen im Rahmen der Qualitätsprüfung eingesetzt.

Unter anderem wird Argon als Gasplasma in der Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP), als Gaspolster in der Grafitofen-Atomabsorptionsspektrometrie (GFAAS) und als Trägergas in der Gaschromatographie unter Einsatz von verschiedenen Gasanalysegeräten verwendet.

In Verbindung mit Methan wird Argon in Geiger-Zählern und in Detektoren für Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) eingesetzt, wo er die Funktion eines Löschgases erfüllt.

Schweißen, Schneiden und Beschichten

Argon wird als Schutzgas beim Lichtbogenschweißen, zum Einblasen des Schutzgases und zum Brennschneiden genutzt.

Argon verhindert Oxidation von Schweißnähten und erlaubt, den Umfang des Rauchs zu minimieren, der während des Schweißens erzeugt wird.

Elektronik

Hochreiner Argon dient als Trägergas für reaktionsfreudige Moleküle sowie als Schutzgas zum Schutz von Halbleitern vor Fremdkörper (zum Beispiel bildet Argon erforderliches Medium für die Züchtung der Silikon- und Germanium-Kristalle).

Im Ionenzustand wird Argon zum Metallspritzen, zur Ionenimplantation, Normalisierung und Ätzung bei der Produktion von Halbleitern und zur hochleistungsfähigen Produktion von Metallen eingesetzt..

Auto- und Verkehrsbereich

Verpackter, hermetisch abgedichteter Argon dient zum Befüllen von Airbags in den Fahrzeugen.

Kein offentliches Angebot