Dels quatre elements empedoclians, l’aire (ἀήρ), identificat amb l’Hera vivificadora, amb l’Esperit, amb l’Al•lè (πνεῦμα), pot ésser entès com la fase caòtica (gas) o vaporosa (ἀτμός) de l’existència. El mot “atmosphaera”, encunyat en el segle XVII, en seria un dels equivalents. La química pneumàtica dels segles XVII i XVIII posà de manifest el caràcter no-elemental de l’aire. De llavors ençà, hom ha definit l’aire (atmosfèric) com una barreja homogènia de diferents substàncies gasoses (aires). Això és cert si comptem únicament amb la fracció seca de l’aire, car l’atmosfera té un contingut de vapor d’aigua (H2O) molt variable, que pot anar de zero (condicions d’humitat del 0%) a 30 g•m-3 (condicions d’humitat del 100%, és a dir de saturació, a una temperatura ambiental de 30ºC), i que de mitjana típica suposaria un 0,25% (amb variacions locals del 0,001% al 5% en termes de volum). Si ens centrem en la fracció seca de l’aire podem descriure-la en fraccions molars en nitrogen (N2; 78,084%), oxigen (O2; 20,946%), argó (Ar; 0,934%), diòxid de carboni (CO2; unes 400 ppm, però amb variabilitat estacional i tendència secular a l’augment), neó (Ne; 18,18 ppm), heli (He; 5,24 ppm), metà (CH4; 1,7 ppm, però amb variabilitat estacional i tendència secular a l’augment), criptó (Kr; 1,14 ppm), hidrogen (H2; 0,55 ppm), etc. Aquesta composició és homogènia fins a uns 100 km d’alçada quan, ultrapassada la turbopausa, la composició química de l’atmosfera esdevé heterogènia i dependent de l’alçada. Els 100 km són una fita habitual per marcar l’entrada en “l’espai exterior”. Per sota dels 100 km, però, podem distingir diverses capes atmosfèriques, d’acord amb l’evolució de la temperatura. La troposfera és la capa inferior, i assoleix una alçada sobre el nivell del mar que va dels 9 km (en les regions polars) als 17 km (en les regions equatorials); conté el 80% de la massa atmosfèrica global (el 50% se situa per sota dels 5,6 km d’alçada damunt del mar) i la pràctica totalitat del vapor d’aigua; la temperatura, en línies generals, decau amb l’alçada, ja que la principal font d’escalfament de la troposfera és la radiació emesa per la superfície oceànica i continental. Damunt hi ha l’estratosfera, que arriba fins a una alçada de 50-55 km; conté el 90% de l’ozó atmosfèric (O3, que assoleix concentracions de 2-8 ppm, i forma una “capa” a alçades de 15-35 km, que absorbeix el 97-99% de la radiació ultraviolada de freqüència mitjana – 200-315 nm de longitud d’ona – procedent del Sol); la temperatura en l’estratosfera creix amb l’alçada. Damunt hi segueix la mesosfera, que arriba a una alçada de 80-85 km; les temperatures tornen a decréixer amb l’alçada, i en la part més alta cauen fins a 190 K. Hi segueix la termosfera, que arriba a alçades de 500 a 1000 km; bona part dels gasos són ionitzats, si més no durant les hores diürnes, sota la irradiació solar; la temperatura creix amb l’alçada, associada a una caiguda profunda de la densitat, arribant a temperatures de 1800 K. L’exosfera és la cap de transició cap a medi interplanetari, i arriba fins a una alçada de 10.000 km sobre la superfície; és més rica en N2, O2 i CO2 en la base, i en les capes més altes és dominada per l’H2 i l’He; la ionització és permanent, i hi ha un escapament de materials cap a l’espai exterior. Damunt comença l’espai interplanetari. Nosaltres, mentrestant, hem arribat al número 18 de la nostra sèrie.
Fins a l’anomenada línia de Kármán, a uns 100 km d’alçada, l’atmosfera és químicament homogènia (homosfera). La densitat, però, i encara més la pressió decauen de seguida, a mesura que ens allunyem de la superfície planetària (o, més ben dit, oceànica). La temperatura, en canvi, segueix diferents pujades i baixades a mesura que augmentem l’alçada, que permeten la determinació de diferents capes
Lord Rayleigh i la descoberta de l’argó
John William Strutt va nàixer a Langford Grove (Maldon, Essex) el 12 de novembre del 1842, però va créixer a la finca familiar, Terling Place, a Witham. El seu pare era John James Strutt (1796-1873), el segon baró de Rayleigh. Aquest títol havia estat creat, associat a Terling Place, en el Comtat d’Essex, en el 1821 per a Lady Charlotte (1758-1836), la dona del coronel Joseph Holden Strutt (1758-1845). Joseph Holden Strutt havia nascut en una família d’industrials d’Essex, amb fàbriques a Maldon i a Chelmsford, i que havien fet construir Terling Place entre el 1772 i el 1777. Joseph Strutt va fer una reeixida carrera militar, retirant-se amb el grau de coronel. Durant 40 anys, entre el 1790 i el 1830, fou reelegit ininterrompudament com a membre de la Cambra dels Comuns, de primer per la circumscripció d’Okehampton (1790-1826) i després per Maldon (1826-1830). Tot i que en el 1789 s’havia casat amb Lady Charlotte FitzGerald, filla del Primer Duc de Leinster, i membre d’una nissaga nobiliària irlandesa, Joseph Strutt refusà sempre les ofertes que li feren durant la seva carrera política d’acceptar un títol nobiliari. En el 1821, doncs, la Baronia de Rayleigh fou creada en benefici de la seva dona, i no pas d’ell. Quan, en el 1836, traspassà Lady Charlotte, el fill del matrimoni, John James Strutt, esdevingué el segon baró de Rayleigh.
L’hereu del segon baró fou un infant feble i malaltís. Tot i amb tot, superada aquesta etapa, va poder estudiar amb normalitat a la Harrow School i, després, a partir del 1861, a la Universitat de Cambridge, on cursà matemàtiques al Trinity College. Es va graduar (B. A.) el 1865, amb honors (“Senior Wrangel”, com a reconeixement al millor estudiant de matemàtiques; i “Premi Smyth” a la recerca en matemàtiques). Va completar un mestratge (M. A.) el 1868, després del qual fou fet membre (fellow) del Trinity College.
En el 1871 es casà amb Evelyn Balfour, la filla gran del difunt James Maitland Balfour (1820-1856). El matrimoni tindria tres fills, entre ells Robert John (nascut el 1875). El 1873 traspassà el segon baró de Rayleigh, i John William Strutt n’esdevingué el tercer. De llavors en endavant seria preferentment conegut com a Lord Rayleigh. El títol li donà accés a la Cambra dels Lords, en la qual participà esporàdicament i intervingué tan sols en alguns debats sobre política científica.
Després de casar-se, havia abandonat la posició al Trinity College. Orientà els seus estudis de manera creixent a la física. El 12 de juny del 1873, havia esdevingut membre de la Royal Society. El 1877 publicà “The Theory of Sound” (en dos volums, I i II).
En el 1879 ocupava la Càtedra Cavendish (“Cavendish Professorship”) de la Universitat de Cambridge. Aquest càtedra havia estat fundada el 9 de febrer del 1871, amb una dotació de William Cavendish, setè duc de Devonshire, i el nom homenatjava alhora la família en general com particularment a Henry Cavendish (1731-1810), de qui vam parlar en el seu moment. La càtedra havia estat ocupada per James Clerk Maxwell, mundialment famós per “A Treatise on Electricity and Magnetism” (1873) on presentava la unificació teòrica de l’electricitat, el magnetisme i l’òptica. Maxwell s’havia mort el 5 de novembre del 1879 arran d’una llarga malaltia (càncer abdominal), i ja feia temps que hom havia acordat que el seu successor seria Lord Rayleigh.
Lord Rayleigh investí 1500 lliures en la modernització del Laboratori Cavendish. Enfortí la part experimental dels estudis, amb la creació d’un nou curs pràctic. En el 1882 permeté per primera vegada l’assistència d’alumnes de sexe femení. El 1884 renunciava a la càtedra, per ser succeït per un jove brillant, llavors de 28 anys, J. J. Thomson (1856-1940). En el 1887, Lord Rayleigh esdevenia professor de Filosofia Natural a Cambridge.
L’abundant recerca de Lord Rayleigh es recollida en sis volums per la University Press de Cambridge (I, II, III, IV, V, VI). Simplificadament podríem dir que la teoria ondulatòria el condueix a l’acústica, aquesta a l’aerodinàmica, després a la física atmosfèrica i a la química atmosfèrica. En el 1879 introdueix el criteri de Rayleigh per estimar la resolució angular d’un aparell òptic (Rayleigh, 1879). En el 1883, publica un article a Nature que descriu per primera vegada el vol de gradient entre les aus marines, és a dir com aconsegueixen un augment d’impuls en creuar repetidament el límit entre masses d’aire de velocitats significativament diferents. Diferents paràmetres i fenòmens físics porten el seu nom, bé per aportacions directes seves (o del seu fill) o per derivacions del seu treball.
Entre les moltes qüestions que ocupaven Lord Rayleigh hi havia la qüestió de la discrepància de densitat entre el gas nitrogen purificat a partir de l’aire i el gas nitrogen obtingut en reaccions químiques. Del problema ja se n’havia ocupat Henry Cavendish en el 1785, el qual opinava que el nitrogen purificat de l’aire no devia ser tan pur com l’obtingut en reaccions químiques de desnitrificació. Com que aquestes impureses, presumiblement un o més gasos, “no eren més que 1/120 part del total”, Cavendish tampoc no aprofundí en la qüestió.
En el 1882, H. F. Newall i Walter Noel Hartley (1845-1913) identificaren línies espectrals que no podien atribuir a cap dels components coneguts de l’atmosfera. Però Hartley, més interessat en l’estudi de la possible presència d’ozó (O3) en l’atmosfera, no va continuar sobre el tema. En tot cas, en el 1883, els treballs espectroscòpics de Hartley permetien establir una relació entre les línies espectrals dels elements i les seves posicions en la taula periòdica.
El 19 d’abril del 1894, en el decurs d’una conferència, Lord Rayleigh parlà de la discrepància entre el nitrogen preparat a partir de l’aire i el nitrogen sintetitzat químicament. Entre els assistents, hi havia William Ramsay (1852-1916), catedràtic de química en l’University College London. Ramsay es mostrà interessat en la discrepància, i tots dos decidiren de treballar-hi.
Seguint els experiments clàssics de la química pneumàtica, particularment un de Henry Cavendish, Lord Rayleigh dissenyà un mètode per aïllar els hipotètics gasos contaminants de les preparacions de nitrogen purificat a partir de l’aire atmosfèric. L’aire atmosfèric és introduït en un tub (A), que recolza sobre un recipient amb una solució aquosa d’una substància càustica feble (B). Un corrent elèctric (CC) passa a través del líquid i al voltant de la boca del tub, connectat a uns elèctrodes de platí (DD).
La discrepància de densitat, mesurada acuradament, era del 0,5%, amb el “nitrogen químic” amb un valor de 1,2505 g•L-1, i el “nitrogen atmosfèric” amb un de 1,2572 g•L-1. Rayleigh i Ramsay repassaren diferents fonts químiques (a partir d’òxid nítric, d’òxid nitrós i de nitrit amònic) i diversos mètodes d’aïllament de nitrogen atmosfèric (amb coure calent, amb ferro calent i amb hidrat de ferro). També comprovaren, en experiments realitzats el mes de juny del 1894, que el nitrogen obtingut per la reacció de la urea amb hipobromit sòdic donava una densitat semblant a la d’altres mètodes químics.
Calia pensar en la presència d’impureses en el nitrogen atmosfèric. Però, ¿de quina natura? Hi havia la possibilitat de la introducció d’algun gas, com ara H2 en el procés de purificació, però això no lligava amb els resultats experimentals. D’altra banda, la discrepància també podia deure’s al fet que el “nitrogen químic” fos parcialment dissociat (és a dir que, a banda de N2 hi hagués nitrogen monoatòmic. Això darrer fou descartat per Rayleigh i Ramsay quan comprovaren que la densitat dels “dos tipus” de nitrogen no era alterada per la ionització sota una descàrrega elèctrica.
Calia una metodologia per eliminar, en el “nitrogen atmosfèric” el nitrogen pròpiament dit. No era fàcil, car a diferència de l’oxigen i del diòxid de carboni, el N2 és un gas relativament inert. Empraren, però, la reactivitat del nitrogen amb magnesi en incandescència, per tal d’eliminar-lo. Ramsay, que conduí aquests experiments, comunicà l’aïllament del gas atmosfèric més dens que el nitrogen en el mes d’agost. El gas atmosfèric que resultava de l’eliminació seriada de l’oxigen, el diòxid de carboni i el nitrogen, era un gas dens i químicament inert, molt més fins i tot que el propi nitrogen. D’ací que Ramsay el denominés “argó”. El mot grec “αργόν” es feia servir per qui no treballa, roman ociós, o allò indolent, inútil, estèril o incultivat. Durant l’autumni del 1894, Ramsay realitzà nous experiments sobre l’argó, encaminats a ratificar el seu caràcter elemental. En estudiar l’espectrometria de l’argó remarcaren dues línies característiques, a 696,56 nm i a 705,64 nm, que una recerca bibliogràfica mostra que es corresponen a les descrites 12 anys abans per Newall i Hartley.
Els estudis ulteriors de William Ramsay i Morris Travers (1872-1961), particularment els del 1898, demostraren que l’argó era en realitat una barreja de gasos monoatòmics. Tot i amb tot, el nom “argó” el retingueren per al més abundant d’aquests gasos atmosfèrics, mentre que per als altres components idearen altres noms: criptó (“ocult” o amagat darrera de l’argó), neó (“nou”), xenó (“estrany”) i radó (“radioactiu”). Eren gasos elementals diferents, de diferents densitats. Tots ells eren gasos inerts, i en la mateixa família hom podia incloure el gas heli, un gas originàriament descrit en el Sol (a través d’estudis d’espectrometria), i que Ramsay i Travers havien trobat a l’atmosfera i en diversos minerals. Hugo Erdmann (1862-1910) denominà a tots aquests gasos “nobles” (Edelgas, en alemany). Foren introduïts en la taula periòdica com un nou grup d’elements: heli, en el primer període; neó, en segon període; argó, en el tercer període; criptó, en el quart període; xenó, en el cinquè període; radó, en el sisè període.
En aquesta caricatura, Ramsay mostra el lloc que ocupen els gasos nobles en la taula periòdica, com a grup VIII, i representats a la dreta de tot. El gas argó apareix amb el símbol A, i amb un pes atòmic de 40. A sota, s’assenyala la composició de l’aire atmosfèric, del qual, amb un 0,94%, l’argó és el tercer gas més abundant, tan sols superat pel nitrogen (78,16%) i l’oxigen (20,90%)
Emissió de l’argó en el tub de descàrrega
La proposta de Ramsay sobre la posició de l’argó en la taula periòdica, situat entre el clor i el potassi, presentava un problema. D’acord amb els càlculs de Ramsay, el pes atòmic de l’argó era de 40. El pes atòmic del potassi, s’avaluava en 39, mentre que el del calci, l’element següent, era de 40. Henry Moseley (1887-1915), en 1913, suggerí que la taula periòdica seguia un ordre ascendent en “nombre atòmic” i no pas en “pes atòmic”, la qual cosa salvava la paradoxa de la “inversió de posicions” entre el potassi i l’argó. La descoberta del protó refermaria la proposta de Moseley. Seria dècades més tard, que hom entendria que el pes atòmic de l’argó a l’atmosfera terrestre té a veure amb les complexes relacions entre els isòtops de l’argó i els del potassi.
En el 1913, Henry Moseley trobà una relació matemàtica sistemàtica entre les longituds d’ona dels espectres de raigs X de metalls elementals i la seva posició en la taula periòdica. Es tractava de la primera evidència empírica de la realitat del “nombre atòmic”, ja postulat teòrics en els primers sistemes periòdics dels elements. Entre d’altres coses, s’explicava el fet que l’argó precedí el potassi en la taula periòdica tot i guanyar-lo en termes de pes atòmic (“nombre màssic”). En esclatar la guerra l’agost del 1914, Moseley s’allistà en els Royal Engineers. A Gal•lípoli, el 10 d’agost del 1915, mentre operava una línia telefònica militar fou mort per un franctirador otomà
L’argó, en tot cas, quedà reconegut com el gas noble del tercer període. Com a símbol químic, s’emprà la A. Berzelius, en assignar per primera vegada lletres com a símbols químics, en el 1813, havia deixat la A lliure (l’alumini era Al; l’argent, Ag; l’arsènic, As; l’or, Au), ja que l’element que Lavoisier denominava azot, ell s’estimava més anomenar-lo radical nítric, i abreujar-lo amb una N. La denominació que s’imposà per a l’azot o radical nítric fou la de nitrogen, inicialment proposada per Jan Antòni Chaptal en el 1890. En la literatura del segle XIX, veiem de vegades com a símbol alternatiu del nitrogen la A o, més habitualment, Az, en record de la denominació d’azot. A final del segle XIX, la A quedà assignada a l’argó, encara que de vegades hom emprava la doble inicial, Ar.
No fou fins el 1957, que la IUPAC fixà el símbol “Ar”. Com que el símbol “A”, fins llavors, havia estat el més habitual, el canvi trigà a fer-se efectiu. Això va fer que la “A” tornés a ser un símbol orfe, però és molt poc probable que es torni a fer servir mai.
Lord Rayleigh i William Ramsay van rebre dos premis Nobel en el 1904. Ramsay va rebre el de química “en reconeixement dels seus serveis en la descoberta dels elements gasos inerts en l’aire, i la seva determinació del lloc que ocupen en el sistema periòdic”. Rayleigh va rebre el de física “per les seves investigacions en les densitats dels gasos més importants i la descoberta de l’argó en relació a aquests estudis”.
En tot cas, el nom de Rayleigh s’associa a molts altres aspectes de la física, particularment de l’òptica (la “difusió de Rayleigh”, base per a explicar la coloració del cel) i de l’acústica (les ones superficials, o “ones de Rayleigh”). En el 1899 es publicaren els seus “Scientific Papers”, encapçalats amb un versicle del psalteri, “The Works of the Lord are great, sought out of all them that have pleasure therein”, tot i que el secretari de la imprempta universitària l’havia alertat educadament que el lector potser pensaria que el Lord del psalm era el mateix Lord Rayleigh.
En el 1905, plegà de Cambridge. El mateix any, fou elegit president de la Royal Society, càrrec que mantingué fins el 1908. En el 1908, el seu fill, Robert John Strutt, esdevenia professor de física en l’Imperial College. El tercer baró de Rayleigh es va morir a Terling Place el 30 de juny del 1919. Robert John Strutt esdevingué el quart baró de Rayleigh i passà a signar els seus nombrosos articles com a Lord Rayleigh. La nissaga científica s’aturaria ací. La nobiliària, però, continuà fins els nostres dies. Robert John Strutt es va morir en el 1947, i fou succeït pel cinquè baró, John Arthur (1908-1988). L’actual baró, el sisè, és John Gerald Strutt, nascut el 1960, l’hereu del qual, John Frederick Strutt, va nàixer en el 1993. D’acord amb la reforma del 1999, el baró Rayleigh ja no té accés a la Cambra dels Lords.
L’argó: isòtops i abundància
La massa atòmica de l’argó, que els seus descobridors computaven en 40, s’estima actualment en 39,948, valor que resulta de la mitjana ponderada dels seus isòtops més abundants a l’atmosfera terrestre. Un llistat dels isòtops estudiats és:
– argó-30 (30Ar; 30,02156 uma). Nucli format per 18 protons i 12 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 2•10-8 s. Decau a clor-29 amb emissió d’un protó.
– argó-31 (31Ar; 31,01212 uma). Nucli format per 18 protons i 13 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0144 s. Decau alternativament a sofre-30 (55,0%; amb emissió d’un protó i d’un positró), a clor-31 (40,4%; amb emissió d’un positró), a fòsfor-29 (2,48%; amb emissió de dos protons i d’un positró) o a silici-28 (2,1%; amb emissió de tres protons i d’un positró).
– argó-32 (32Ar; 31,9976380 uma). Nucli format per 18 protons i 14 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,098 s. Decau alternativament a clor-32 (56,99%; amb emissió d’un positró) o a sofre-31 (43,01%; amb emissió d’un protó i d’un positró). Posseeix un estat metastable (32mAr) de 5600 keV.
– argó-33 (33Ar; 32,9899257 uma). Nucli format per 18 protons i 15 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,173 s. Decau majoritàriament (61,35%) a clor-33 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (38,65%) a sofre-32 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– argó-34 (34Ar; 33,9802712 uma). Nucli format per 18 protons i 16 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,8445 s. Decau a clor-34, amb emissió d’un positró.
– argó-35 (35Ar; 34,9752576 uma). Nucli format per 18 protons i 17 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,775 s. Decau a clor-35, amb emissió d’un positró.
– argó-36 (36Ar; 35,967545106 uma). Nucli format per 18 protons i 18 neutrons. Teòricament, és un isòtop inestable, que decauria a sofre-36, amb emissió de dos positrons. No obstant, la semivida és tan llarga que no se n’ha pogut detectar radioactivitat, de manera que se’l compta entre els isòtops observacionalment estables, dels quals és el més lleuger. És, alhora, doncs, un isòtop primordial a la Terra. És l’isòtop més abundant d’argó en l’univers, amb una abundància relativa del 85%. No obstant, en mostres terrestres, l’abundància relativa és ben limitada: 0,3336%.
– argó-37 (37Ar; 37,964313 uma). Nucli format per 18 protons i 19 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,027•106 s (35 dies). Decau, per captura electrònica, a clor-37. Ha estat generat com a resultat d’explosions nuclears deliberades, com a producte de l’espal•lació neutrònica de 40Ca.
– argó-38 (38Ar; 37,9627324 uma). Nucli format per 18 protons i 20 neutrons. És un isòtop estable. En l’univers, és el segon isòtop d’argó més abundant, amb una percentatge que no arriba, però, al 15%. La seva abundància relativa és molt baixa a l’atmosfera terrestre: 0,0629%.
– argó-39 (39Ar; 39,9623831225 uma). Nucli format per 18 protons i 21 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,48•109 s (269 anys). Decau a potassi-39, amb emissió d’un positró. És present a l’atmosfera terrestre (8•10-16) com a resultat de l’acció de raigs còsmics, principalment sobre 40Ar; en la litosfera es genera a partir de 39K (per captura de neutrons) o de Ca (per emissió de 4He).
– argó-40 (40Ar; 39,9623831225 uma). Nucli format per 18 protons i 22 neutrons. És un isòtop estable. Encara que molt menys abundant que 36Ar i 38Ar en l’univers (0,01%), l’abundància relativa augmenta en els planetes rocallosos. Això es deu al fet que és un isòtop radiogènic, generat per la desintegració del potassi-40 (40K). La semivida del 40K és de 3,938•1016 s (1248 milions d’anys) i més d’un 10% dóna lloc a 40Ar. Així doncs, la major part de l’argó de la Terra és radiogènic, produït contínuament a partir del 40K de la litosfera. En l’atmosfera terrestre, l’abundància relativa de 40Ar és de 99,60345%. La relació entre aquests isòtops és la base de la datació de potassi-argó (K-Ar), basada en la ratio 40Ar:40K de roques i minerals, i que serveix per a la datació de materials de més de 100.000 anys d’antiguitat. Un sistema de datació alternatiu és l’argó-argó, basat en la ratio 40Ar:39Ar; aquest mètode es basa en la manipulació prèvia de les mostres amb una radiació de neutrons, que fa que l’isòtop estable i majoritari del potassi (39K) doni lloc a 39Ar.
– argó-41 (41Ar; 40,9645006 uma). Nucli format per 18 protons i 23 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6576,6 s (1 hora i 50 minuts). Decau a potassi-41, amb emissió d’un electró.
– argó-42 (42Ar; 41,963046 uma). Nucli format per 18 protons i 24 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,04•109 s (33 anys). Decau a potassi-42, amb emissió d’un electró. Es troba presenta en forma de traça (6•10-21) en l’atmosfera terrestre.
– argó-43 (43Ar; 42,965636 uma). Nucli format per 18 protons i 25 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 322 s (5 minuts i 22 segons). Decau a potassi-42, amb emissió d’un electró.
– argó-44 (44Ar; 43,9649240 uma). Nucli format per 18 protons i 26 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 712,2 s (uns 12 minuts). Decau a potassi-44, amb emissió d’un electró.
– argó-45 (45Ar; 44,9680400 uma). Nucli format per 18 protons i 27 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 21,48 s. Decau a potassi-45, amb emissió d’un electró.
– argó-46 (46Ar; 45,96809 uma). Nucli format per 18 protons i 28 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,4 s. Decau a potassi-46, amb emissió d’un electró.
– argó-47 (47Ar; 46,97219 uma). Nucli format per 18 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,23 s. Decau majoritàriament (99%) a potassi-47 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1%), a potassi-46 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– argó-48 (48Ar; 47,97454 uma). Nucli format per 18 protons i 30 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,48 s. Decau a potassi-48, amb emissió d’un electró.
– argó-49 (49Ar; 48,98052 uma). Nucli format per 18 protons i 31 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,170 s. Decau a potassi-49, amb emissió d’un electró.
– argó-50 (50Ar; 49,98443 uma). Nucli format per 18 protons i 32 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,085 s. Decau a potassi-50, amb emissió d’un electró.
– argó-51 (51Ar; 50,99163 uma). Nucli format per 18 protons i 33 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 0,06 s. Decau a potassi-51, amb emissió d’un electró.
– argó-52 (52Ar; 51,99678 uma). Nucli format per 18 protons i 34 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,01 s. Decau a potassi-52, amb emissió d’un electró.
– argó-53 (53Ar; 53,00494 uma). Nucli format per 18 protons i 35 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,03 s. Decau bé a potassi-53 (amb emissió d’un electró) o bé a potassi-52 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
L’àtom neutre d’argó conté 18 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p6, que li confereix la manca de reactivitat en ser ocupats tots els orbitals electrònics de la tercera capa. És, doncs, com hem dit abans, l’element del tercer període del grup 18 (els gasos nobles, també coneguts com a grup VIIIA o VIIIB i, ja més rarament, com a “grup de l’heli” o “grup del neó”). Com passa en els altres “gasos nobles” (o “gasos monoatòmics”), l’estat d’oxidació és pràcticament sempre 0. Presenta un radi de Van der Waals de 1,88•10-10 m.
En condicions estàndards de pressió i de temperatura, es presenta com un gas, amb una densitat de 1,784 kg•m-3. Encara que, degut al seu caràcter química inert, no és tòxic, això no vol dir que no calgui prendre-hi precaucions en el maneig. Com que és més dens que l’aire (un 38% més), una fuita d’argó pur pot ser potencialment perillosa. El 29 d’abril del 1994, va haver-hi una mort per asfíxia provocada per una fuita d’argó en un oleoducte d’Alaska.
En condicions estàndards de pressió, liqua a 87,302 K. L’argó líquid presenta una densitat de 1400 kg•m-3. Degut a l’alt rendiment lluminós d’escintil•lació (51 fotons•keV-1), l’argó líquid és emprat en la detecció de neutrinos (MicroBooNE) i d’altres partícules. L’argó líquid és emprat per detectors com WArP, ArDM, microCLEAN o DEAP-I, amb els qual hom pretén detectar les partícules que, segons diverses hipòtesis, integren la “matèria fosca” (i.e. la matèria gravitatòria que no interactua electromagnèticament o “partícules massives que interactuen feblement”, que en l’acrònim anglès és WIMP).
Alguns sistemes proposats per a la detecció de partícules de matèria fosca (WIMP) empren com a líquid d’escintil•lació argó pur. La interacció de les partícules WIMP amb l’argó produiria una lluminositat. En la construcció és vital disposar d’una preparació d’argó pur amb nivells els més baixos possibles de 39Ar, la radioactivitat del qual interferiria en l’experiment
En condicions estàndards de pressió, solidifica a 83,81 K. L’argó sòlid presenta una estructura cristal•lina cúbica centrada en les cares. Tant en la forma sòlida com en la forma fluida, l’argó és incolor i inodor.
El triple punt de l’argó, on conflueixen els estats gasós, líquid i sòlid, es troba a una temperatura de 83,8058 K i 68890 Pa. Juntament amb els de l’hidrogen, el neó, l’oxigen, el mercuri i l’aigua, el triple punt de l’argó fa part de l’Escala Internacional de Temperatura del 1990 (ITS-90), estàndards actual de calibració de termòmetres.
La pràctica totalitat de l’argó de l’univers es troba en forma elemental. Tot i amb tot, Barlow et al. (2013) reportaren la detecció del catió molecular 36ArH+ en partícules de pols de la Nebulosa del Cranc (Messier 1). Per síntesi química, s’han obtingut diversos compostos d’argó, com el fluorohidrur (HArF) i un dicatió amb fluorur de carboni (ArCF22+).
L’argó de l’univers és generat majoritàriament en les explosions de supernova, en el procés de combustió del silici. L’isòtop majoritari és 36Ar, amb una abundància relativa del 85%, seguit per 38Ar (vora un 15%) i quantitats molt menors d’altres isòtops. Des de les supernoves, s’escampa al medi interestel•lar.
En el Sistema Solar, l’abundància atòmica de 36Ar és de 3 ppm, la qual cosa es correspon a una abundància en termes de massa de 77 ppm. Com correspon a un element amb un nombre Z parell, l’abundància de l’argó supera als dos elements que el flanquegen en la taula periòdica, el clor d’una banda i el potassi de l’altra. A banda del clor, l’argó també supera en abundància altres elements més lleugers, com l’alumini, el sodi, el fòsfor, el fluor, el liti, el bor i el beril•li. Dels elements més pesants, tan sols el ferro el guanya en termes d’abundància atòmica.
La composició isotòpica de l’argó varia notablement en diferents localitzacions del Sistema Solar. En el vent solar, que reflecteix la composició isotòpica del Sol, 36Ar assoleix una abundància relativa del 84,6%. En les atmosferes dels planetes gegants, es manté aproximadament aquesta proporció, amb un 84% de 36Ar i un 16% de 38Ar, seguit a molta distància per 40Ar, amb un 0,01%. Aquestes discrepància s’explica pel fet que 36Ar i 38Ar són isòtops essencialment primordials, heretats de la nebulosa on s’originà el Sistema Solar; mentre que 40Ar és un isòtop radiogènic, produït arran de la lenta desintegració de 40K. Així, en els planetes rocallosos hi ha una producció contínua de 40Ar, cosa que explica que aquest resulti en aquests entorns l’isòtop majoritari de l’argó.
L’argó és un element atmòfil. La seva presència en la litosfera (1,2 ppm) o en les capes més internes de la Terra és marginal. Tot i amb tot, com hem vist, la font principal d’argó a la Terra és la desintegració de 40K, que és un procés molt lent. De cada 100 àtoms originaris de 40K de la Terra primitiva, s’haurien desintegrat 92, dels quals 82 haurien esdevingut 40Ca i 10 40Ar.
En la hidrosfera la presència d’argó encara és més limitada que en la litosfera. En els oceans, l’abundància d’argó és de 0,45 ppm.
És en l’atmosfera on l’argó assoleix concentracions superiors. En termes de volum, l’argó constitueix el 0,934% de l’atmosfera terrestre i, en termes de massa, l’1,288%. L’origen radiogènic d’aquest argó atmosfèric queda de manifest en el fet que l’abundància de 36Ar, l’isòtop primordial, és de 31,5 ppm (en termes de volum). Tot i amb tot, 36Ar supera en abundància els altres gasos nobles (Ne, 18,18 ppm; He, 5,24 ppm; Kr, 1,14 ppm).
En l’atmosfera marciana trobem valors similars. La concentració de 40Ar és encara superior (1,6%) i la de 36Ar és inferior (5 ppm).
En l’atmosfera de Tità, l’argó no és pas tan abundant com a la Terra o a Mart, i pràcticament l’únic isòtop present és 40Ar. Aquest isòtop radiogènic també és present en les exosferes de Mercuri o de la Lluna (40000 àtoms•cm-3).
L’argó atmosfèric és la font principal de l’argó de la hidrosfera. L’argó és d’una solubilitat en aigua comparable amb l’O2 i 2,5 vegades més que el N2. Aquesta solubilitat permet una certa distribució d’argó en la biosfera, per bé que molt limitada. Com la resta dels gasos nobles, l’argó no sembla tindre cap rellevància biològica. En tot cas, la toxicitat de l’argó va lligada al seu caràcter, més físic que químic, com a gas asfixiant. El seu ús en procediments quirúrgics com a agent coagulant (en forma de corrent de plasma) pot presentar complicacions d’embolisme gasós (vg. report d’un cas mortal del 1994)
Aplicacions de l’argó
Disseny bàsica d’una finestra de vidre aïllant. Entre la superfície exterior (1) i la interior (4) es disposa una cambra (6). L’aïllament pot ser reforça si hom substitueix l’aire d’aquest espai intern per un gas monoatòmic de baixa conductivitat tèrmica, com ara l’argó.
L’argó pur es produeix industrialment a partir de la destil•lació fraccional de l’aire líquid. L’aire liquat a temperatures criogèniques és conduït a una unitat de separació. En elevar la temperatura a 77,3 K, bull el nitrogen, que és recollit separadament. A 87,3 K ho fa l’argó, i a 90,2 K ho fa l’oxigen. A temperatures superiors bullen el criptó i el xenó que, juntament amb el neó, són components minoritaris també obtinguts en aquest procés. La producció anual d’argó és de 700.000 tones anuals.
L’argó és emprat com a gas inert per aquelles aplicacions on el N2 no ho és prou. La baixa conductivitat tèrmica de l’argó 0,01772 W•m-1•K-1, que és inferior a la del N2, el fa atractiu com a gas de revestiment. Per a moltes aplicacions, els altres gasos nobles també serien indicats però, en ser molt menys abundants en l’atmosfera, són més cars que no pas l’argó.
La principal aplicació quantitativa de l’argó és com a gas de protecció, fent-lo circular en els revestiments de dispositius industrials que requereixen molt altes temperatures. Així, l’argó és emprat en forns de grafit ja que, per la seva baixa conductivitat tèrmica, impedeix la combustió del grafit.
L’argó és emprat en diversos tipus de soldadura per arc, com la soldadura MIG (amb gas inert) o la soldadura TIG (amb gas inert i elèctrode de tungstè).
Diversos processos industrials es fan en atmosferes d’argó, com és el cas del creixement de cristalls semiconductors (de silici o de germani).
Com en el cas del neó, l’argó és emprat en il•luminació, si bé no amb tanta profusió. Emet una llum blava. L’argó és base de diversos làsers de llum verda o blava. De manera més general, és emprat en la construcció de bombetes incandescents, oferint un atmosfera que preserva els filaments de l’oxidació a altes temperatures.
El míssil AIM-9 Sidewinder, desenvolupat per l’Armada nord-americana en el 1956, és un míssil aire-aire que encara es produeix en l’actualitat. En el seu disseny incorpora gas argó comprimit per refrigerar els caps que orienten el míssil en la seva trajectòria
Ja hem dit que, com el nitrogen pur, l’argó pur és un gas asfixiant, per desplaçament d’oxigen. El gas argó, en aquest sentit, és emprat en l’extinció de focs en casos especials on cal evitar danys als equipaments afectats. Però com a gas asfixiant pròpiament dit és emprat en explotacions avícoles per sacrificar l’aviram.
De fet, l’argó apareix en el llistat d’additius alimentaris, amb el codi E938. És emprat en l’envasament d’alguns productes, en tant que en desplaçar l’oxigen i el vapor d’aigua, allarga el temps de preservació dels continguts. En un sentit similar, és emprat en la producció d’alguns vins, per evitar l’oxidació durant el procés d’envelliment. Més enllà de la indústria alimentària, alguns productes químics i farmacèutics són envasats en atmosferes d’argó.
En el 2003, Steven Scott Zawalick patentà unes llaunes dispensadores d’argó que servirien per al manteniment de pintures, vernissos, etc., una vegada oberts.
Els usos mèdics de l’argó són diversos. Ja hem referit l’ús com a agent coagulat en forma de corrent de plasma. L’argó líquid és emprat en procediments de crioablació en cirurgia oncològica. Làsers blaus d’argó han estat emprats en diversos tipus de cirurgia (angioplàsties, correcció de defectes oculars). Pilmanis et al. (2013) han estudiat l’aplicació de barreges d’oxigen i argó (argox) en tractaments de descompressió, encaminats a impedir l’embòlia gasosa per nitrogen, i que tindrien aplicacions en cosmonàutica.
L’argó és contemplat com a propel•lent en diversos models de VASIMIR, un disseny de propulsió electromagnètica per a coets ideat originalment per Franklin Chang Diaz en el 1977
Des de la Mediterrània 