Argon ( „untätig, träge“) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ar (bis 1957 nur A) und der Ordnungszahl 18. Im Periodensystem steht es in der 8. Hauptgruppe bzw. der 18. IUPAC-Gruppe und zählt daher zu den Edelgasen. Wie die anderen Edelgase ist es ein farbloses, äußerst reaktionsträges, einatomiges Gas. In vielen Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkt oder Dichte steht es zwischen dem leichteren Neon und dem schwereren Krypton.
Argon ist das häufigste auf der Erde vorkommende Edelgas, der Anteil an der Atmosphäre beträgt etwa 0,934 %. Damit ist Argon der dritthäufigste Bestandteil der Erdatmosphäre, nach Stickstoff und Sauerstoff. Dies ist großteils auf den Zerfall des Kaliumisotops 40K zurückzuführen, bei dem 40Ar 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 griechisch helios für „Sonne“) wurde vorher lediglich spektroskopisch im Sonnenlicht sowie in irdischen Proben nachgewiesen und Neon erst später entdeckt. Argon wurde 1894 von Lord Rayleigh und William Ramsay durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gefunden. Als preiswertestes Edelgas wird Argon in großen Mengen als Schutzgas etwa beim Schutzgasschweißen und in der Produktion von manchen Metallen, aber auch als Füllgas von Glühlampen verwendet.
Geschichte mini|links|Lord Rayleigh Einen ersten Hinweis auf das später entdeckte Argon fand Henry Cavendish, der 1785 die Reaktivität der Luft erforschte. Er erzeugte elektrische Entladungen in einer bestimmten Menge Luft, die mit Sauerstoff im Verhältnis von 5:3 angereichert war. Stickstoff und Sauerstoff reagierten miteinander und die entstandenen Stickoxide konnten 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.William H. Brock: Viewegs Geschichte der Chemie. Vieweg, Braunschweig 1997, ISBN 3-540-67033-5, S. 211–216.H. Cavendish: XXIII. Experiments on air.. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1785, Band 75, S. 372–384 .
Nachdem John William Strutt, 3. Baron Rayleigh 1892 die Dichte von aus Luft isoliertem Stickstoff bestimmt hatte, fiel ihm auf, dass aus Ammoniak gewonnener Stickstoff eine niedrigere Dichte aufwies. Es gab verschiedene Spekulationen zu diesem Befund; so meinte James Dewar, es müsse sich um ein N3, also ein Stickstoff-Analogon zu Ozon handeln. 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 untersuchte William Ramsay diesen ab 1894 durch Überleitung über heißes Magnesium genauer. Da Magnesium mit Stickstoff zum Nitrid reagiert, 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 dem altgriechischen („träge“) Argon nannten (wörtlich griechisches Neutrum: „das Träge“).John Meurig Thomas: Argon und das nichtinerte Paar: Rayleigh und Ramsay. In: Angew. Chem. 116, 2004, S. 6578–6584, doi:10.1002/ange.200461824.Lord Rayleigh, William Ramsay: Argon, a New Constituent of the Atmosphere. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A 186, 1895, S. 187-241 (). Als William Ramsay ab 1898 das aus der Luft isolierte Argon weiter untersuchte, entdeckte er darin drei weitere Elemente, die Edelgase Neon, Krypton und Xenon.William Ramsay: The Rare Gases of the Atmosphere. Nobelpreisrede, 12. Dezember 1904.
Erste technische Anwendungen fand das Gas in der Elektroindustrie: Es wurden unter anderem Gleichrichter auf der Basis der Glimmentladung in Argon hergestellt, die sogenannten Tungar-Röhren.Fritz Von Schröter: Die Bedeutung der Edelgase für die Elektrotechnik. In: Naturwissenschaften. 8, 32, 1920, S. 627–633, doi:10.1007/BF02448916.
Vorkommen Argon zählt im Universum zu den häufigeren Elementen, in seiner Häufigkeit ist es vergleichbar mit Schwefel und Aluminium.A. G. W. Cameron: Abundances of the elements in the solar system. In: Space Science Reviews. 15, 1970, S. 121–146 (PDF). Es ist im Universum nach Helium und Neon das dritthäufigste Edelgas. Dabei besteht primordiales Argon, das etwa in der Sonne oder Gasplaneten wie Jupiter gefunden wird, hauptsächlich aus den Isotopen 36Ar und 38Ar, während das dritte stabile Isotop, 40Ar, dort nur in geringer Menge vorkommt. Das Verhältnis von 36Ar zu 38Ar beträgt etwa 5,7.P. R. Mahaffy, H. B. Niemann, A. Alpert, S. K. Atreya, J. Demick, T. M. Donahue, D. N. Harpold, T. C. Owen: Noble gas abundance and isotope ratios in the atmosphere of Jupiter from the Galileo Probe Mass Spectrometer. In: J. Geophys. Res. 105, 2000, S. 15061–15071 (Abstract).
Auf der Erde ist Argon dagegen das häufigste Edelgas. Es macht 0,934 % des Volumens der Atmosphäre (ohne Wasserdampf) aus und ist damit nach Stickstoff und Sauerstoff der dritthäufigste Atmosphärenbestandteil.David R. Williams: Earth Fact Sheet. NASA, Greenbelt, Stand 20. Mai 2009. Die Zusammensetzung terrestrischen Argons unterscheidet sich erheblich von derjenigen des primordialen Argons im Weltall. Es besteht zu über 99 % aus dem Isotop 40Ar, das durch Zerfall des Kaliumisotops 40K entstanden 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 der ozeanischen Erdkruste an.Chris J. Ballentine: Geochemistry: Earth holds its breath. In: Nature. 449, 2007, S. 294–296, doi:10.1038/449294a. Aus den Gesteinen wird Argon an das Grundwasser abgegeben. Daher ist in Quellwasser, vor allem wenn es aus größerer Tiefe kommt, Argon gelöst.
Gewinnung und Darstellung Die Gewinnung des reinen Argons erfolgt ausschließlich aus der Luft, in der Regel im Rahmen der Luftverflüssigung im Linde-Verfahren. Argon wird dabei nicht in der Haupt-Rektifikationskolonne des Verfahrens von den Hauptluftbestandteilen getrennt, sondern in einer eigenen Argon-Kolonne. In dieser wird durch Rektifikation zunächst 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 4–6 bar verdichtet. 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.P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2006, doi:10.1002/14356007.a17_485.
Weitere Quellen für die Gewinnung von Argon sind die Produktion von Ammoniak im Haber-Bosch-Verfahren sowie die Synthesegasherstellung, etwa zur Methanolproduktion. 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.
Eigenschaften Physikalische Eigenschaften mini|links|hochkant=1.33|Ein 2 cm langes Stück festes Argon. Am linken Rand sind Tropfen schmelzenden Argons zu sehen. mini|Kubisch-dichteste Kugelpackung von festem Argon, a = 526 pm
Argon ist bei Normalbedingungen ein einatomiges, farbloses und geruchloses Gas, das bei 87,15 K (−186 °C) kondensiert und bei 83,8 K (−189,3 °C) erstarrt. Wie die anderen Edelgase außer dem Helium kristallisiert Argon in einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit dem Gitterparameter a = 526 pm bei 4 K.K. Schubert: Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente. In: Acta Crystallographica Section B. 30, 1974, S. 193–204, doi:10.1107/S0567740874002469.
Wie alle Edelgase besitzt Argon nur abgeschlossene Schalen (Edelgaskonfiguration). Dadurch lässt sich erklären, dass das Gas stets einatomig vorliegt und die Reaktivität gering ist.
Mit einer Dichte von 1,784 kg/m3 bei 0 °C und 1013 hPa ist Argon schwerer als Luft, es sinkt also ab. Im Phasendiagramm liegt der Tripelpunkt bei 83,8 K und 689 hPa, der kritische Punkt bei 150,86 K, 48.960 hPa sowie einer kritischen Dichte von 0,536 g/cm3.
In Wasser ist Argon etwas löslich. In einem Liter Wasser können sich bei 0 °C und Normaldruck maximal 53,6 ml Argon lösen. Gase-Handbuch der Firma Messer Griesheim, 3. Auflage, korrigierter Nachdruck 1989, S. 226.
Chemische Eigenschaften Als Edelgas reagiert Argon fast nicht mit anderen Elementen oder Verbindungen. Bislang ist nur das experimentell dargestellte Argonfluorohydrid HArF bekannt, das durch Photolyse von Fluorwasserstoff in einer Argonmatrix bei 7,5 K gewonnen wird und anhand neuer Linien im Infrarotspektrum identifiziert wurde. Oberhalb von 27 K zersetzt es sich.Leonid Khriachtchev, Mika Pettersson, Nino Runeberg, Jan Lundell, Markku Räsänen: A stable argon compound. In: Nature. 406, 2000, S. 874–876, doi:10.1038/35022551. 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 das Proton durch andere Gruppen ersetzt ist, etwa FArCCH als organische Argonverbindung und FArSiF3 mit einer Argon-Silicium-Bindung.Arik Cohen, Jan Lundell, R. Benny Gerber: First compounds with argon–carbon and argon–silicon chemical bonds. In: J. Chem. Phys. 119, 2003, S. 6415–6417, doi:10.1063/1.1613631.
Argon bildet einige Clathrate, 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 mit Chloroform gemischt, bildet sich das Clathrat schon bei −78 °C.R. M. Barrer, D. J. Ruzicka: Non-stoichiometric clathrate compounds of water. Part 4. – Kinetics of formation of clathrate phases. In: Transactions of the Faraday Society. 58, 1962, S. 2262–2271, doi:10.1039/TF9625802262. Stabil ist auch ein Clathrat von Argon in Hydrochinon.
Isotope Insgesamt sind 23 Isotope sowie ein weiteres Kernisomer von Argon bekannt. Von diesen sind drei, nämlich die Isotope 36Ar, 38Ar und 40Ar, stabil und kommen in der Natur vor. Dabei überwiegt bei weitem 40Ar mit einem Anteil von 99,6 % am natürlichen irdischen Isotopengemisch. 36Ar und 38Ar sind mit einem Anteil von 0,34 % beziehungsweise 0,06 % selten. Von den instabilen Isotopen besitzen 39Ar mit 269 Jahren und 42Ar mit 32,9 Jahren die längsten Halbwertszeiten. Alle anderen Isotope besitzen kurze Halbwertszeiten im Bereich von unter 10 ps bei 30Ar bis 35,04 Tagen bei 37Ar.G. Audi, F. G. Kondev, Meng Wang, W.J. Huang, S. Naimi: The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties. In: Chinese Physics C. 41, 2017, S. 030001, (Volltext).