19 - 06 - 2019

Element nr. 18, Argon, nuttige nietsdoener

 

Tekst: Marga van Zundert

 

Vanwege 150 jaar periodiek systeem besteedt Chemie Magazine dit jaar aandacht aan een aantal bijzondere elementen

 

Element nr. 18, argon, biedt beschermende deken

 

Zonder argon geen foutloze micro-elektronica, zonnecellen of lassen. En het beschermt ook tegen de kou. Grotduiker Anton van Rosmalen neemt het mee op lange en diepe expedities. En argon moet antwoord geven op een prangende wetenschappelijke vraag: bestaat er donkere materie? 

 

Gansche generatiën van scheikundigen hebben er in geleefd zonder het te bespeuren”, schreef Jacobus van ’t Hoff in 1895 over het net ontdekte element argon. Eind 19e eeuw was al meer dan driekwart van de natuurlijk voorkomende elementen ontdekt toen duidelijk werd dat er één compleet over het hoofd was gezien. Want we ademen het elke minuut in en uit; argon vormt bijna 1 procent van de atmosfeer.

De naam – naar argos, Grieks voor ‘nietsdoend’ of ‘lui’ – verklaart waarom de ontdekking zo lang op zich liet wachten. Argon is een geurloos, kleurloos gas dat met geen enkele stof reageert. Tot nu toe is het slechts eenmaal gelukt een verbinding te maken met argon. Dat hoogstandje vond plaats in Helsinki in 2000. Finse scheikundigen synthetiseerden argonfluorhydride (HArF) door argon te mengen met het zeer reactieve zuur waterstoffluoride bij -265 graden, op een speciaal oppervlak van cesiumjodide, onder sterke uv-straling. Dan bestaat de argonfluorhydride net lang genoeg om te detecteren.

 

 

Lees meer in de serie '150 jaar periodiek systeem':

Nr. 31, Gallium, onmisbaar voor licht

Nr. 42, Niobium, fotografeert ons brein

Nr. 55, Cesium, onmisbaar voor gps

Nr. 74, Wolfraam, boort alles

Nr. 77, Iridium, markeert opkomst zoogdieren

 

Beschermgas
Maar nietsdoen kan ook heel nuttig zijn, bewijst argon. Jaarlijks wordt er meer dan 750 miljoen kilo gebruikt (421 miljoen kuub argongas), vooral om andere materialen te beschermen. Staalproductie en het (boog)lassen van metalen gebeurt bij hoge temperaturen. Daarbij kan het metaal verbranden of kan de las verzwakken door invloed van waterdamp. Een ‘dekentje’ van het inerte argon voorkomt dit.

Ook bij het vervaardigen van kwetsbare computerchips en andere micro-elektronica wordt argon gebruikt om kwetsbare metalen te beschermen. Net als bij de productie van de belangrijkste grondstofvoor vrijwel alle elektronica: het maken van kristallijn silicium. Ook wijnmakers gebruiken argon, wanneer ze het druivennat overhevelen in vaten of flessen. Een deken van argon zorgt ervoor dat zuurstof het aroma niet bederft. Ook de andere edelgassen – helium, neon, krypton, xenon en radon – zijn geschikt als beschermgas, maar argon en helium zijn veruit de goedkoopste opties. Argon is net wat zwaarder dan lucht, waardoor het op de juiste plek blijft ‘hangen’.

Het edelgas wordt ook gebruikt in geavanceerde brandblusinstallaties in datacentra, computerruimtes, controlekamers, archieven en bibliotheken. Om een brand te verstikken is het vaak voldoende om de hoeveelheid zuurstof beneden de 15 procent te brengen (normaal 21 procent). Om dat te bereiken moet ongeveer een derde van de lucht in een ruimte vervangen worden door argon. Daarop wordt het blussysteem zorgvuldig berekend en ontworpen. Mensen kunnen dan nog steeds voldoende ademhalen om te vluchten en de kostbare spullen lijden geen waterschade. Ook een mengsel van stikstof, argon en kooldioxide (CO2) kan worden gebruikt. Kooldioxide stimuleert de zuurstofopname in de longen, waardoor de zuurstofconcentratie zelfs tot 9,5 procent kan teruglopen terwijl mensen nog kunnen vluchten.

 

Warm blijven
Argon zit ook tussen de glasplaten van het beter isolerende dubbelglas (HR+ of HR++). Het gas geleidt nauwelijks warmte, waardoor het nog beter beschermt tegen de kou. Ook sommige duikers gebruiken daarom argon in hun dry suit. Grotduiker Anton van Rosmalen: “Ik maak soms extreem lange duiken. Dat gebeurt als we heel diep gaan, omdat je veel tijd nodig hebt voor decompressie of omdat we een heel lang traject afleggen. Laatst was ik in Frankrijk een heel etmaal op pad, waarbij we ondergronds 11 kilometer aflegden. In totaal lag ik 10 uur in het water. De rest van de tijd waren we in hallen: ondergrondse kamers. Prachtig overigens!”

Van Rosmalen, in het dagelijks leven risicoanalist, noemt zijn grotexpedities “een doorgeslagen hobby”. “Voor mij is het een uitdaging om plekken te bezoeken waar geen mens eerder is geweest.” Die onbetreden werelden staan vaak ook in de belangstelling van geologen of archeologen. Van Rosmalen en zijn duikmaten krijgen regelmatig verzoeken of ze een onderwatergrot in kaart willen brengen. “Je rolt zo een beetje van het ene in het andere project. Ik ben net terug uit Mexico.”Hij draagt verwarmde onderkleding: er lopen draden doorheen die warmte afgeven op batterijstroom. Een isolerend laagje argon tussen onderkleding en droogpak is de finishing touch tegen de kou. Van Rosmalen: “Grotduiken kan zwaar zijn. Een complete duikuitrusting met onderzoeksapparatuur weegt al snel meer dan 100 kilo, ook omdat we voor de veiligheid alles dubbel bij ons hebben. Dat moet je op de droge stukken allemaal sjouwen. Argon helpt om zo min mogelijk warmte en energie te verliezen. En belangrijk is dat decompressie beter verloopt wanneer je warm bent.” Hij draagt daarom bij de lange tochten ook nog twee kleine flesjes argon (2 liter) bij zich. Het duikpak wordt eerst op het droge een paar keer ‘gespoeld’ met argon, zodat alle lucht vervangen is. Op grotere diepte moet er regelmatig wat argon bij om de waterdruk te compenseren.

 

Natuurkundigen gebruiken zeer zuiver xenon en argon om een van de grootste mysteries in hun vak te ontrafelen: de donkere materie

 

Groot mysterie
Edelgassen zijn zeer zuiver te maken. Ze hebben immers geen enkele neiging vervuilingen vast te houden. Natuurkundigen gebruiken zeer zuiver xenon en argon om een van de grootste mysteries in hun vak te ontrafelen: de donkere materie. Berekeningen aan sterren- en zonnestelsels wijzen uit dat het heelal veel massa ‘mist’. De tastbare materie die wij kennen, de elementen bestaande uit protonen, neutronen en elektronen, vormt samen maar 15 procent van wat er logischerwijs aan massa zou moeten zijn in het universum. “Die massa is er, maar we kunnen het niet waarnemen”, stelt de Amsterdamse hoogleraar deeltjesfysica Patrick Decowski. “Transparante materie was eigenlijk een betere term geweest.”

In een oude kolenmijn op Sardinië wordt gebouwd aan een 350 meter hoge destillatiekolom voor argon om het Ar-40 ultrazuiver in handen te krijgen, zonder vervuilingen en zonder isotopen. Het zeer zuivere edelgas gaat vervolgens vloeibaar in een groot vat diep in de grond onderde bergen van Gran Sasso, omringd door zeer gevoelige detectoren. Decowski: “Het is extreem zeldzaam, maar onze modellen voor-spellen botsingen tussen donkere materie en atoomkernen van gewone materie, waarbij de geraakte kern en elektronen ‘wegschieten’. Om zo’n zeldzame gebeurtenis op te kunnen merken, moet het medium uiterst inert zijn en vrij van natuurlijke radioactiviteit.” Decowski, zelf betrokken bij een xenon-experiment, denkt dat het een kwestie van tijd is voor donkere materie wordt aangetoond. “De nieuwste apparatuur heeft een nauwkeurigheid die genoeg zou moeten zijn.” Binnenkort weten we dus wat donkere materie is? “Binnen 10 jaar weten we in ieder geval of het wel of niet in de vorm bestaat die wij nu het meest waarschijnlijk achten.”

 


 

Lucht destilleren
Argon wordt uit buitenlucht gehaald door bedrijven die ook zuurstof en/of stikstof produceren. Bekende namen zijn Airgas, Air Liquide, Linde, Messer Group en BASF. Eerst wordt de lucht gezuiverd van kooldioxide, waterdamp en verontreinigingen zoals stikstofoxiden en koolwaterstoffen. Bij extreem lage temperaturen (-180°C à -190°C) wordt de gezuiverde lucht gedestilleerd in een serie destillatiekolommen: cryogene destillatie. Stikstof, zuurstof en argon worden hierin op basis van hun kookpunten gescheiden (N2: -196°C; Ar: -186°C; O2: -183°C). Wereldwijd gebruiken we jaarlijks meer dan 750 miljoen kilo argon. De metaal- en elektronica-industrie, die argon als beschermgas gebruiken, zijn de grootste afnemers. De energietransitie zorgt voor extra vraag naar argon voor de productie van kristallijn silicium (zonnecellen) en isolatieglas. Argon is ook steeds vaker een alternatief voor het schaarser wordende helium. 

 

Het 'eerste' edelgas 
Meer dan een eeuw voor de echte ontdekking van argon was de Britse wetenschapper Henry Cavendish (1731-1810) het element op het spoor. Cavendish ontdekte door nauwkeurige wegingen dat lucht bestond uit één deel zuurstof en vier delen stikstof. In 1775 haalde hij eerst de zuurstof uit een portie lucht en daarna de stikstof, maar hield nog wat over: een raadselachtig gas met een volume van 1/120 van het aandeel stikstof. Verder kwam Cavendish niet. Pas meer dan 100 jaar later kwam er schot in. In 1894 meldde de Engelse natuurkundige John William Strutt, beter bekend als lord Rayleigh (1842-1919), dat stikstof geïsoleerd uit lucht een iets afwijkende dichtheid heeft van de stikstof die vrijkomt bij reacties. Rayleigh dacht zelf aan een verontreiniging. Maar de Schotse scheikundige William Ramsey (1852-1916) vermoedde direct dat er een nog onbekend element in het spel was. Hij besluit de ‘verontreiniging’ te analyseren en ziet bij verhitting inderdaad een nog onbekend lijnenspectrum. Ramsey stelt de naam argon voor, naar het Griekse argos, dat inert, nietsdoend of lui betekent. 

Omdat het nieuwe element niet in het bestaande periodiek systeem past, stelt hij ook voor een nieuwe kolom toe te voegen. Het al eerder ontdekte helium past erin. En Ramsey vindt binnen 3 jaar de resterende edelgassen: krypton, neon en xenon. In 1904 krijgt Ramsey de Nobelprijs voor de Scheikunde en argon-medeontdekker Rayleigh de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

 

Declaration of Independence
De historische Amerikaanse Onafhankelijkheidsverklaring uit 1776 wordt in Washington bewaard in een glazen ‘omhulling’ die continu gevuld is met argon, zodat het document niet verder vervaagd of vervuild. Ook andere historische objecten, zoals landkaarten en mummies, worden soms in glazen vitrines onder een beschermende argon- of stikstofatmosfeer tentoongesteld. Bart Ankersmit, senior onderzoeker Rijkserfgoedlaboratorium: “In Nederland is het weleens overwogen, bijvoorbeeld voor het dagboek van Anne Frank. Maar vaak blijkt zuurstof niet het grootste risico. Perkament is bijvoorbeeld goed bestand tegen oxidatie. En een omhulling beperkt de toegankelijkheid. Bovendien moet je vooraf goed onderzoek doen. Een zuurstofvrije atmosfeer kan ook onverwachte effecten en dus risico’s hebben.”

 

Argon uit kalium
De hoeveelheid argon in vulkanisch gesteente zoals tufsteen en lava is een maat om de ouderdom van gesteente te bepalen. Alle elementen in het heelal, behalve waterstof en helium, zijn ontstaan in opbrandende zonnen, in supernova’s. Het argon dat daarbij ontstaat, is de isotoop argon-36 (bestaande uit 18 protonen, 18 elektronen en 18 neutronen). Het argon op aarde bestaat echter voor 99,6 procent uit argon-40 (met twee extra neutronen). Het is namelijk niet in supernova’s ontstaan maar door het verval van kalium-40, een natuurlijke radioactieve isotoop van het element kalium (halfwaardetijd: 1,25 miljard jaar). 

Kort na het ontstaan van de aarde bevatte de atmosfeer dus nauwelijks argon, in de loop van 4,5 miljard jaar kwam er telkens wat bij, waardoor argon nu bijna 1 procent van de lucht vormt. Wanneer een K-40-atoom vervalt, zit het ontstane argon meestal opgesloten in gesteente. Alleen wanneer de steen smelt, zoals bij een vulkaanuitbarsting, kan het gas ontsnappen. Hoe meer argon de steen bevat, hoe langer geleden dat de steen smolt. Door een zeer precieze bepaling van de verhouding Ar-40/K-40 kan zo de ouderdom worden achterhaald en daarmee die van fossielen die in de laag worden gevonden. Dat kan tot ver terug in de tijd, van 100.000 jaar tot 4,3 miljard jaar geleden.

 


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Chemie Magazine
Periodiek Systeem

Onderdeel van dossier(s):