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Argon

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Eigenschaften
[Ne] 3s23p6
18Ar
Allgemein
Name,Symbol,Ordnungszahl Argon, Ar, 18
Elementkategorie Edelgase
Gruppe,Periode,Block 18,3,p
Aussehen farbloses Gas
CAS-Nummer

7440-37-1

EG-Nummer 231-147-0
ECHA-InfoCard 100.028.315
Massenanteil an derErdhülle 3,6ppm(53. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse 39,948 (39,792-39,963)[3]u
Kovalenter Radius 106 pm
Van-der-Waals-Radius 188 pm
Elektronenkonfiguration [Ne] 3s23p6
1.Ionisierungsenergie 15.7596117(5)eV[4]1520.57kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie 27.62967(12) eV[4]2665.86 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie 40.735(12) eV[4]3930 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie 59.58(18) eV[4]5749 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie 74.84(17) eV[4]7221 kJ/mol[5]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand gasförmig
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 1,784 kg · m−3[6]bei 273 K
Magnetismus diamagnetisch(χm= −1,1 · 10−8)[7]
Schmelzpunkt 83,8K(−189,3 °C)
Siedepunkt 87,15 K[8](−186 °C)
Molares Volumen (fest) 22,56 · 10−6m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 6,52 kJ/mol[8]
Schmelzenthalpie 1,18 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 319 m·s−1bei 293,15 K
Wärmeleitfähigkeit 0,01772W·m−1·K−1
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE(MeV) ZP
35Ar {syn.} 1,775s ε 5,965 35Cl
36Ar 0,336 % Stabil
37Ar {syn.} 35,04d ε 0,813 37Cl
38Ar 0,063 % Stabil
39Ar in Spuren 269a β 0,565 39K
40Ar 99,6 % Stabil
41Ar {syn.} 109,34min β 2,492 41K
42Ar {syn.} 32,9a β 0,600 42K
Weitere Isotope sieheListe der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[6]
Gefahrensymbol

Achtung

H- und P-Sätze H:280
P:403[6]
Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheitenverwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen.

Argon(altgriechischἀργόςargós„untätig, träge “) ist einchemisches Elementmit dem Symbol Ar (bis 1957 nur A[2]) und derOrdnungszahl18. ImPeriodensystemsteht es in der 8. Hauptgruppe bzw. der 18.IUPAC-Gruppeund zählt daher zu denEdelgasen.Wie die anderen Edelgase ist es ein farbloses, äußerst reaktionsträges, einatomigesGas.In vielen Eigenschaften wieSchmelz-undSiedepunktoderDichtesteht es zwischen dem leichterenNeonund dem schwererenKrypton.

Argon ist das häufigste auf der Erde vorkommende Edelgas, der Anteil an derAtmosphärebeträgt etwa 0,934 %. Damit ist Argon der dritthäufigste Bestandteil derErdatmosphäre,nachStickstoffundSauerstoff.Dies ist großteils auf den Zerfall desKaliumisotops40K zurückzuführen, bei dem40Ar entsteht.

Argon war das erste Edelgas, das als Stoff entdeckt und gewonnen wurde, daher der Name, der im Grunde zu jedem Edelgas passt.Helium(von griechischheliosfür „Sonne “) wurde vorher lediglichspektroskopischimSonnenlichtsowie in irdischen Proben nachgewiesen undNeonerst später entdeckt. Argon wurde 1894 vonLord RayleighundWilliam Ramsaydurchfraktionierte Destillationvon flüssiger Luft gefunden. Als preiswertestes Edelgas wird Argon in großen Mengen alsSchutzgasetwa beimSchutzgasschweißenund in der Produktion von manchen Metallen, aber auch als Füllgas vonGlühlampenverwendet.

Lord Rayleigh

Einen ersten Hinweis auf das später entdeckte Argon fandHenry Cavendish,der 1783 die Reaktivität der Luft erforschte. Er erzeugte elektrische Entladungen in einer bestimmten Menge Luft, die mit Sauerstoff im Verhältnis von 5:3 angereichert war.StickstoffundSauerstoffreagierten miteinander und die entstandenenStickoxidekonnten ausgewaschen werden. Dabei blieb stets ein kleiner Rest nicht-reagierten Gases zurück. Cavendish erkannte jedoch nicht, dass es sich dabei um ein anderes Element handelte und setzte seine Experimente nicht fort.[9]

NachdemJohn William Strutt, 3. Baron Rayleigh1892 die Dichte von aus Luft isoliertem Stickstoff bestimmt hatte, fiel ihm auf, dass ausAmmoniakgewonnener Stickstoff eine niedrigere Dichte aufwies. Es gab verschiedene Spekulationen zu diesem Befund; so meinteJames Dewar,es müsse sich um ein N3,also ein Stickstoff-Analogon zuOzonhandeln. Rayleigh wiederholte Cavendishs Experimente, indem er in einer luftgefüllten Glaskugel elektrische Funken erzeugte und so Stickstoff und Sauerstoff zur Reaktion brachte. Nach Bestätigung von Cavendishs Ergebnis eines unreaktiven Rückstandes untersuchteWilliam Ramsaydiesen ab 1894 durch Überleitung über heißesMagnesiumgenauer. Da Magnesium mit Stickstoff zumNitridreagiert, konnte er dem Gemisch weiteren Stickstoff entziehen. Dabei stellte er eine Erhöhung der Dichte fest und fand schließlich ein bislang unbekanntes, reaktionsträges Gas. Am 31. Januar 1895 gaben Ramsay und Rayleigh schließlich die Entdeckung des neuen Elements bekannt, das sie nach demaltgriechischenἀργόςargos,„träge “,Argonnannten.[10]Als William Ramsay ab 1898 das aus der Luft isolierte Argon weiter untersuchte, entdeckte er darin drei weitere Elemente, die EdelgaseNeon,KryptonundXenon.[11]

Erste technische Anwendungen fand das Gas in derElektroindustrie:Es wurden unter anderemGleichrichterauf der Basis derGlimmentladungin Argon hergestellt, die sogenanntenTungar-Röhren.[12]

Argon zählt im Universum zu den häufigeren Elementen, in seiner Häufigkeit ist es vergleichbar mitSchwefelundAluminium.[13]Es ist im Universum nachHeliumundNeondas dritthäufigste Edelgas. Dabei bestehtprimordialesArgon, das etwa in derSonneoder Gasplaneten wieJupitergefunden wird, hauptsächlich aus den Isotopen36Ar und38Ar, während das dritte stabile Isotop,40Ar, dort nur in geringer Menge vorkommt. Das Verhältnis von36Ar zu38Ar beträgt etwa 5,7.[14]

Auf der Erde ist Argon dagegen das häufigste Edelgas. Es macht 0,934 % des Volumens der Atmosphäre (ohneWasserdampf) aus und ist damit nachStickstoffundSauerstoffder dritthäufigste Atmosphärenbestandteil.[15]Die Zusammensetzung terrestrischen Argons unterscheidet sich erheblich von derjenigen des primordialen Argons im Weltall. Es besteht zu über 99 % aus dem Isotop40Ar, das durch Zerfall desKaliumisotops40Kentstanden ist. Die primordialen Isotope sind dagegen nur in geringen Mengen vorhanden.

Da Argon durch den Kaliumzerfall in der Erdkruste entsteht, findet man es auch in Gesteinen. Beim Schmelzen von Gesteinen im Erdmantel gast Argon, aber auch das beim Alpha-Zerfall entstehende Helium aus. Es reichert sich daher vorwiegend in den Basalten derozeanischen Erdkrustean.[16]Aus den Gesteinen wird Argon an dasGrundwasserabgegeben. Daher ist inQuellwasser,vor allem wenn es aus größerer Tiefe kommt, Argon gelöst.[17]

Gewinnung und Darstellung

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Die Gewinnung des reinen Argons erfolgt ausschließlich aus der Luft, in der Regel im Rahmen der Luftverflüssigung imLinde-Verfahren.Argon wird dabei nicht in der Haupt-Rektifikationskolonnedes Verfahrens von den Hauptluftbestandteilen getrennt, sondern in einer eigenen Argon-Kolonne. In dieser wird durchRektifikationzunächst Rohargon hergestellt, das noch etwa 3–5 % Sauerstoff und 1 % Stickstoff enthält.

Anschließend wird Rohargon in weiteren Stufen gereinigt. Das Gasgemisch wird zunächst auf Raumtemperatur erwärmt und auf 4–6barverdichtet. Um den restlichen Sauerstoff zu entfernen, wird danach Wasserstoff eingespritzt, der an Edelmetall-Katalysatoren mit dem Sauerstoff zu Wasser reagiert. Nachdem dieses entfernt wurde, wird in einer weiteren Kolonne das Argon, das sich am unteren Ende der Kolonne anreichert, vom restlichen Stickstoff getrennt, so dass Argon mit einer Reinheit von 99,9999 % (Argon 6.0) produziert werden kann.[18]

Weitere Quellen für die Gewinnung von Argon sind die Produktion vonAmmoniakimHaber-Bosch-Verfahrensowie dieSynthesegasherstellung,etwa zurMethanolproduktion.Bei diesen Verfahren, die Luft als Ausgangsstoff nutzen, reichern sich Argon und andere Edelgase im Produktionsprozess an und können aus dem Gasgemisch isoliert werden. Wie beim Linde-Verfahren werden auch hier die verschiedenen Gase durch Adsorption oder Rektifikation voneinander getrennt und so reines Argon gewonnen.[18]

Physikalische Eigenschaften

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Ein 2 cm langes Stück festes Argon. Am linken Rand sind Tropfen schmelzenden Argons zu sehen.
Kubisch-dichteste Kugelpackung von festem Argon,a= 526 pm

Argon ist bei Normalbedingungen ein einatomiges, farbloses und geruchlosesGas,das bei 87,15 K (−186 °C)kondensiertund bei 83,8 K (−189,3 °C) erstarrt. Wie die anderen Edelgase außer dem Helium kristallisiert Argon in einerkubisch dichtesten Kugelpackungmit demGitterparametera= 526pmbei 4 K.[19]

Wie alle Edelgase besitzt Argon nur abgeschlosseneSchalen(Edelgaskonfiguration). Dadurch lässt sich erklären, dass das Gas stets einatomig vorliegt und die Reaktivität gering ist.

Mit einer Dichte von 1,784 kg/m3bei 0 °C und 1013 hPa ist Argon schwerer als Luft, es sinkt also ab. ImPhasendiagrammliegt derTripelpunktbei 83,8 K und 689 hPa,[20]derkritische Punktbei 150,86 K, 48.960 hPa sowie einer kritischen Dichte von 0,536 g/cm3.[17]

In Wasser ist Argon etwas löslich. In einem Liter Wasser können sich bei 0 °C und Normaldruck maximal 53,6 ml Argon lösen.[21]

Chemische Eigenschaften

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Als Edelgas reagiert Argon fast nicht mit anderen Elementen oder Verbindungen. Bislang ist nur das experimentell dargestellteArgonfluorohydridHArF bekannt, das durchPhotolysevonFluorwasserstoffin einer Argonmatrix bei 7,5 K gewonnen wird und anhand neuer Linien im Infrarotspektrum identifiziert wurde. Oberhalb von 27 K zersetzt es sich.[22]Nach Berechnungen sollten weitere Verbindungen des Argons metastabil sein und sich verhältnismäßig schwer zersetzen; diese konnten jedoch experimentell bislang nicht dargestellt werden. Beispiele hierfür sind das Chloranalogon des Argonfluorohydrides HArCl, aber auch Verbindungen, bei denen dasProtondurch andere Gruppen ersetzt ist, etwa FArCCH als organische Argonverbindung und FArSiF3mit einer Argon-Silicium-Bindung.[23]

Argon bildet einigeClathrate,in denen es physikalisch in Hohlräume eines umgebenden Kristalls eingeschlossen ist. Bei −183 °C ist ein Argon-Hydrat stabil, jedoch ist die Geschwindigkeit der Bildung sehr langsam, da eine Umkristallisierung stattfinden muss. Ist das Eis mitChloroformgemischt, bildet sich das Clathrat schon bei −78 °C.[24]Stabil ist auch ein Clathrat von Argon inHydrochinon.[25]

Insgesamt sind 23Isotopesowie ein weiteresKernisomervon Argon bekannt. Von diesen sind drei, nämlich die Isotope36Ar,38Ar und40Ar, stabil und kommen in der Natur vor. Dabei überwiegt bei weitem40Ar mit einem Anteil von 99,6 % am natürlichen irdischen Isotopengemisch.36Ar und38Ar sind mit einem Anteil von 0,34 % beziehungsweise 0,06 % selten. Von den instabilen Isotopen besitzen39Ar mit 269 Jahren und42Ar mit 32,9 Jahren die längstenHalbwertszeiten.Alle anderen Isotope besitzen kurze Halbwertszeiten im Bereich von unter 10psbei30Ar bis 35,04 Tagen bei37Ar.[26]

40Ar wird für die Altersbestimmung vonGesteinengenutzt (Kalium-Argon-Datierung). Dabei wird ausgenutzt, dass instabiles40K, das in diesen enthalten ist, langsam zu40Ar zerfällt. Je mehr Kalium zu Argon zerfallen ist, desto älter ist das Gestein.[27]Das kurzlebige Isotop41Ar kann zur Überprüfung von Gasleitungen verwendet werden. Durch das Durchleiten von41Ar kann die Leistungsfähigkeit einer Belüftung oder Dichtigkeit einer Leitung festgestellt werden.[17]

39Ar wird hingegen für die Altersbestimmung von Grund-, See- und Ozeanwasser sowie von Gletschereis verwendet. So lange das Wasser Kontakt zur Atmosphäre hat, löst sich Argon zu gleichen Teilen wie es in dieser vorkommt. Sobald das Wasser von der Atmosphäre abgeschlossen ist, verringert sich der Anteil des gelösten39Ar aufgrund seines Zerfalls mit einer Halbwertszeit von 269 Jahren. MittelsLow Level Counting (LLC)oderAtom Trap Trace Analysis (ATTA)kann der verbliebene Anteil an39Ar bestimmt und darüber das Alter berechnet werden.[28][29]

Liste der Argon-Isotope

Biologische Bedeutung

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Wie die anderen Edelgase hat Argon auf Grund der Reaktionsträgheit keine biologische Bedeutung und ist auch nicht toxisch. In höheren Konzentrationen wirkt es durch Verdrängung des Sauerstoffs erstickend.[30]Bei Drücken von mehr als 24 bar wirkt esnarkotisierend.[31]

Argon-Gasflaschen einer Feuerlöschanlage

Als günstigstes und in großen Mengen verfügbares Edelgas wird Argon in vielen Bereichen verwendet. Die Produktion betrug 1998 weltweit etwa zwei Milliarden m³ bzw. zwei km³.[18]Der größte Teil des Argons wird alsSchutzgasverwendet und wird vor allem dann genutzt, wenn Stickstoff nicht anwendbar ist da Stickstoff bei hohen Temperaturen unerwünschte chemische Reaktionen eingeht. Beispiele sind spezielleSchweißverfahrenwie dasMetallinertgasschweißen(MIG) und dasWolfram-Inertgas-Schweißen(WIG) welches beim Schweißen vonAluminiumlegierungenoder von hoch legiertenStählenverwendet wird. Argon dient dabei als temperaturstabilesInertgas.Weiterhin wird es in der Metallurgie als Schutzgas, etwa für die Produktion vonTitan,hochreinemSiliciumoder der Schmelzraffination sowie zum Entgasen von Metallschmelzen genutzt.

Argon wird weiters als gasförmigesLöschmittelin geschlossenen Räumen, wie automatischen oder ferngesteuerten EDV- und elektrischen Anlagen, eingesetzt und wirkt dabei durch die Sauerstoffverdrängung brandlöschend. Für diesen Zweck wird reines Argon oder ein Gasgemisch zusammen mit Stickstoff verwendet und damit die Räumlichkeit in kurzer Zeit geflutet. Diese Löschmethode kommt nur in Räumen zum Einsatz, in denen sich normalerweise keine Personen aufhalten. Sind Personen in diesen Räumen tätig, beispielsweise zu Wartungsarbeiten, müssen sie vorab entsprechend unterwiesen sein um bei einer Aktivierung der Brandlöschanlage und der damit verbundenen Signalisierung unmittelbar die Räumlichkeiten sicher verlassen zu können.

Argon ist einLebensmittelzusatzstoff(E 938) und dient als Treib- und Schutzgas bei der Verpackung von Lebensmitteln und der Weinherstellung.[32]

In der Analytik wird Argon als Träger- und Schutzgas für dieGaschromatographieund das induktiv gekoppelte Plasma (ICP-MS,ICP-OES) verwendet.[18]

Glühlampenwerden häufig mit Argon-Stickstoff-Gemischen gefüllt, weil eine Gasfüllung dieSublimationdes Glühfadens vermindert. Argon hat dabei eine geringere Wärmeleitfähigkeit als leichtere Gase, ist aber preiswerter als andere schwerere und damit noch geringer wärmeleitende Gase wie Krypton oder Xenon. Ein Vorteil der geringeren Wärmeleitfähigkeit ist eine höhere mögliche Glühtemperatur und damit höhere Lichtausbeute. Ebenfalls wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit wird es als Füllgas fürIsolierglasscheibenverwendet. Auch inGasentladungslampendient Argon als Leuchtgas mit einer typischen violetten Farbe. Wird etwasQuecksilberdazugegeben, ändert sich die Farbe ins Blaue. Weiterhin ist Argon das Lasermedium inArgon-Ionen-Lasern.

Argon-Gasentladungsröhrenverschiedener Bauformen

Im Bereich derStahlerzeugungkommt Argon eine besonders wichtige Rolle im Bereich der Sekundärmetallurgie zu. Mit der Argon-Spülung kann die Stahllegierung entgast und gleichzeitig homogenisiert werden, speziell wird dabei der unerwünschte, gelösteStickstoffaus der Schmelze entfernt.[33]

Beim Tauchen wird Argon – insbesondere bei der Nutzung desheliumhaltigenTrimixals Atemgas – dazu verwendet, umTrockentauchanzügezu füllen bzw. damit zu tarieren. Hierbei wird ebenfalls die geringe Wärmeleitfähigkeit des Gases genutzt, um das Auskühlen des Anzugträgers zu verzögern.[34]AlsAtemgassind dagegen Gasgemische aus Argon und Sauerstoff (Argox[35]) weitgehend ungeeignet, da Argon um den Faktor 2,3 narkotisierender als Stickstoff ist[36]und damit Tauchtiefen bis nur maximal etwa 15 Meter gefahrlos zu erreichen sind. Die Ursache für den nakotisierenden Effekt ist die gute Lipidlöslichkeit von Argon unter Druck.[37]

Seit Mai 2014 ist Argon auf derDopinglistederWelt-Anti-Doping-Agentur(WADA). Durch den bei der Inhalation von Argon entstehendenSauerstoffmangelwird die Bildung von körpereigenemErythropoetin(EPO) aktiviert. Aus demselben Grund ist auchXenonauf der Dopingliste.[38]

Commons:Argon– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Argon– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  1. Harry H. Binder:Lexikon der chemischen Elemente.S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999,ISBN 3-7776-0736-3.
  2. abDie Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswebelements (Argon)entnommen.
  3. Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für die mittlere Atommasse der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights:Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised.In:Chemistry International.40, 2018, S. 23,doi:10.1515/ci-2018-0409.
  4. abcdeEintrag zuargonin Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019):NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1).Hrsg.:NIST,Gaithersburg, MD.doi:10.18434/T4W30F(physics.nist.gov/asd).Abgerufen am 11. Juni 2020.
  5. abcdeEintrag zuargonbeiWebElements,webelements,abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. abcEintrag zuArgonin derGESTIS-StoffdatenbankdesIFA,abgerufen am 25. April 2017.(JavaScript erforderlich)
  7. Robert C. Weast (Hrsg.):CRC Handbook of Chemistry and Physics.CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990,ISBN 0-8493-0470-9,S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
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  9. William H. Brock:Viewegs Geschichte der Chemie.Vieweg, Braunschweig 1997,ISBN 3-540-67033-5,S. 211–216.
  10. John Meurig Thomas:Argon und das nichtinerte Paar: Rayleigh und Ramsay.In:Angew. Chem.116, 2004, S. 6578–6584,doi:10.1002/ange.200461824.
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