Argon

Was ist Argon?

Argon ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ar und der Ordnungszahl 18. Es steht im Periodensystem in der 8. Hauptgruppe (18. IUPAC-Gruppe) und gehört damit zu den Edelgasen. Wie alle Edelgase ist es ein farbloses, geruchloses, einatomiges und äußerst reaktionsträges Gas. In Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkt oder Dichte liegt es zwischen dem leichteren Neon und dem schwereren Krypton. Argon ist das häufigste Edelgas auf der Erde: Es macht etwa 0,934 % der Atmosphäre aus und ist damit nach Stickstoff und Sauerstoff der dritthäufigste Bestandteil der Luft. Das liegt vor allem am Zerfall des Kaliumisotops 40K, bei dem 40Ar entsteht. Argon war 1894 das erste Edelgas, das als Stoff entdeckt und gewonnen wurde (durch Lord Rayleigh und William Ramsay). Als preiswertestes Edelgas wird es in großen Mengen verwendet, z. B. als Schutzgas beim Schweißen und als Füllgas für Glühlampen.

Vorkommen

Im Universum zählt Argon zu den häufigeren Elementen, vergleichbar mit Schwefel und Aluminium; es ist dort das dritthäufigste Edelgas nach Helium und Neon. Primordiales Argon (etwa in der Sonne oder auf Gasplaneten wie Jupiter) besteht hauptsächlich aus den Isotopen 36Ar und 38Ar im Verhältnis etwa 5,7 zu 1; 40Ar kommt dort nur in geringer Menge vor. Auf der Erde ist Argon dagegen das häufigste Edelgas mit 0,934 % des Atmosphäreenvolumens (ohne Wasserdampf). Irdisches Argon besteht zu über 99 % aus 40Ar, das durch Zerfall des Kaliumisotops 40K entstand. Da Argon bei dieser Reaktion in der Erdkruste entsteht, findet man es auch in Gesteinen. Beim Schmelzen von Gesteinen im Erdmantel gast Argon aus (ebenso Helium) und reichert sich vorwiegend in den Basalten der ozeanischen Erdkruste an. Aus Gesteinen gelangt Argon ins Grundwasser, weshalb es in Quellwasser, besonders aus größerer Tiefe, gelöst ist.

Gewinnung

Reines Argon wird ausschließlich aus Luft gewonnen, meist im Rahmen der Luftverflüssigung im Linde-Verfahren. Die Trennung erfolgt nicht in der Haupt-Rektifikationskolonne, sondern in einer eigenen Argon-Kolonne, in der durch Rektifikation zunächst Rohargon mit etwa 3–5 % Sauerstoff und 1 % Stickstoff entsteht. Danach wird das Gasgemisch auf Raumtemperatur erwärmt und auf 4–6 bar verdichtet. Zur Entfernung des restlichen Sauerstoffs wird Wasserstoff eingespritzt, der an Edelmetall-Katalysatoren mit dem Sauerstoff zu Wasser reagiert. In einer weiteren Kolonne wird das Argon dann vom restlichen Stickstoff getrennt, sodass eine Reinheit von 99,9999 % (Argon 6.0) erreichbar ist. Weitere Quellen sind die Ammoniakproduktion im Haber-Bosch-Verfahren und die Synthesegasherstellung (z. B. für Methanol), bei denen sich Argon und andere Edelgase im Prozess anreichern und durch Adsorption oder Rektifikation isoliert werden.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Argon ist bei Normalbedingungen ein einatomiges, farbloses und geruchloses Gas. Es kondensiert bei 87,15 K (−186 °C) und erstarrt bei 83,8 K (−189,3 °C). Wie alle Edelgase außer Helium kristallisiert es in einer kubisch dichtesten Kugelpackung (Gitterparameter a = 526 pm bei 4 K). Alle Elektronenschalen sind abgeschlossen (Edelgaskonfiguration), was die Einatomigkeit und die geringe Reaktivität erklärt. Mit einer Dichte von 1,784 kg/m³ bei 0 °C und 1013 hPa ist Argon schwerer als Luft. Der Tripelpunkt liegt bei 83,8 K und 689 hPa, der kritische Punkt bei 150,86 K, 48.960 hPa und einer kritischen Dichte von 0,536 g/cm³. In Wasser ist Argon wenig löslich: Bei 0 °C und Normaldruck lösen sich maximal 53,6 ml pro Liter Wasser. Argon ist diamagnetisch, seine Schallgeschwindigkeit beträgt 319 m/s bei 293,15 K. Chemisch reagiert es fast nicht. Bislang ist nur das experimentell dargestellte Argonfluorohydrid HArF bekannt, gewonnen durch Photolyse von Fluorwasserstoff in einer Argonmatrix bei 7,5 K; es zersetzt sich oberhalb von 27 K. Rechnerisch sollten weitere metastabile Verbindungen existieren (z. B. HArCl, FArCCH, FArSiF3), die aber noch nicht dargestellt wurden. Argon bildet zudem Clathrate, bei denen es physikalisch in Hohlräume eines Kristalls eingeschlossen ist: ein Argon-Hydrat ist bei −183 °C stabil (mit Chloroform im Eis schon bei −78 °C), außerdem ein Clathrat in Hydrochinon.

Isotope und Bedeutung für Altersbestimmung

Von Argon sind 23 Isotope sowie ein Kernisomer bekannt. Drei davon sind stabil und natürlich vorkommend: 36Ar (0,34 %), 38Ar (0,06 %) und vor allem 40Ar mit 99,6 % des natürlichen Isotopengemischs. Die instabilen Isotope mit den längsten Halbwertszeiten sind 39Ar (269 Jahre) und 42Ar (32,9 Jahre); die übrigen reichen von unter 10 ps (30Ar) bis 35,04 Tage (37Ar). Das Isotop 40Ar wird zur Altersbestimmung von Gesteinen genutzt (Kalium-Argon-Datierung): instabiles 40K zerfällt langsam zu 40Ar, je mehr zerfallen ist, desto älter ist das Gestein. Das kurzlebige 41Ar dient zur Prüfung von Gasleitungen, etwa zur Kontrolle von Belüftung oder Dichtigkeit. 39Ar wird zur Altersbestimmung von Grund-, See- und Ozeanwasser sowie von Gletschereis verwendet: Solange Wasser Kontakt zur Atmosphäre hat, löst sich Argon in den natürlichen Verhältnissen; nach dem Abschluss sinkt der 39Ar-Anteil durch Zerfall (Halbwertszeit 269 Jahre). Der Restgehalt wird mit Low Level Counting (LLC) oder Atom Trap Trace Analysis (ATTA) gemessen und das Alter berechnet.

Verwendung und biologische Bedeutung

Als günstigstes Edelgas wird Argon vielseitig eingesetzt; die Weltproduktion betrug 1998 etwa zwei Milliarden m³. Der größte Teil dient als Schutzgas, vor allem wenn Stickstoff bei hohen Temperaturen unerwünschte Reaktionen einginge: beim Metallinertgasschweißen (MIG) und Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG, z. B. für Aluminiumlegierungen und hoch legierte Stähle), in der Metallurgie für Titan, hochreines Silicium, Schmelzraffination und Entgasen von Metallschmelzen sowie in der Sekundärmetallurgie der Stahlerzeugung, wo Argon-Spülung die Schmelze entgast, homogenisiert und gelösten Stickstoff entfernt. Argon wird als Löschmittel in geschlossenen, personentechnisch überwachten Räumen (z. B. EDV-Anlagen) genutzt und wirkt durch Sauerstoffverdrängung; Räume müssen schnell verlassen werden können. Es ist als Lebensmittelzusatzstoff E 938 Treib- und Schutzgas bei Lebensmittelverpackung und Weinherstellung. In der Analytik dient es als Träger- und Schutzgas bei Gaschromatographie und induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS, ICP-OES). Glühlampen werden mit Argon-Stickstoff-Gemischen gefüllt, weil die Gasfüllung die Sublimation des Glühfadens vermindert; die geringe Wärmeleitfähigkeit erlaubt höhere Glühtemperatur und Lichtausbeute, und Argon ist billiger als Krypton oder Xenon. Aus demselben Grund füllt es Isolierglasscheiben und Trockentauchanzüge (beim Tauchen zur Wärmedämmung). In Gasentladungslampen leuchtet es typischerweise violett, mit Quecksilberzusatz blau; es ist zudem Lasermedium in Argon-Ionen-Lasern und Bestandteil von Kaltgasgeneratoren in Airbags (Helium-Argon-Mischung unter Hochdruck). Als Atemgas ist Argon ungeeignet, da es 2,3-fach stärker narkotisierend als Stickstoff ist (gute Lipidlöslichkeit unter Druck) – Tauchtiefen nur bis etwa 15 Meter. Seit Mai 2014 steht Argon auf der Dopingliste der WADA, weil die Inhalation durch Sauerstoffmangel die EPO-Bildung aktiviert. Biologisch hat Argon wegen seiner Reaktionsträgheit keine Bedeutung und ist nicht toxisch; in hohen Konzentrationen wirkt es durch Sauerstoffverdrängung erstickend, ab mehr als 24 bar narkotisierend.