كيف يُكتشف عنصر بفارق قدره 0.5 %؟
عام 1892 نشر اللورد رايلي في نيتشر ملاحظة يطلب فيها المساعدة. فقد أمضى سنوات يقيس كثافة الغازات بدقة بالغة ووجد ما لا يعرف تفسيره.
فالنيتروجين المستخرج من الهواء — بعد إزالة الأكسجين وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون — يزن 1.2572 غرامًا لكل لتر. والنيتروجين المستخرج بتفكيك النشادر يزن 1.2508. والفارق 0.5 %، أي نحو ألف ضعف خطئه التجريبي.
وكان أي باحث تقريبًا سيعزو الفارق إلى شائبة ويمضي. أما رايلي فرأى أن نتيجة قابلة للتكرار تقتضي تفسيرًا.
واقترح ويليام رامزي الفرضية الصحيحة: أن نيتروجين الغلاف الجوي يحوي شيئًا أثقل مخلوطًا به. ولعزله أمرّ نيتروجين الهواء مرارًا فوق مغنسيوم محمًّى، وهو يتفاعل مع النيتروجين مكوّنًا نتريدًا صلبًا. وبعد دورات كثيرة بقي جزء لا يتفاعل.
ولم ينطبق طيفه على أي عنصر معروف. فسمّياه أرغون، من اليونانية أرغوس، أي الخامل.
وأثار الاكتشاف، المعلن عام 1894، مشكلة أكبر: فالأرغون لم يكن يتسع له أي عمود في جدول مندليف. فلزم إضافة مجموعة كاملة. وفي السنوات الأربع التالية ملأها رامزي بالنيون والكريبتون والزينون.
لماذا لا يشبه أرغون الأرض أرغون الكون؟
للأرغون ثلاثة نظائر مستقرة: 36 و38 و40. وفي الكون يهيمن الأرغون 36، المنتَج في الاندماج النجمي للأكسجين والسيليكون.
وعلى الأرض يحدث العكس. فالأرغون 40 يمثّل 99.6 % من المجموع، والأرغون 36 لا يتجاوز 0.33 %.
والسبب أن أرغون الأرض ليس بدئيًّا بل إشعاعي المنشأ. فالبوتاسيوم 40، وهو نظير موجود طبيعيًّا في الصخور وفي الكائنات الحية، يضمحل بعمر نصف يبلغ 1250 مليون سنة. وفي نحو 89 % من الحالات يبعث جسيم بيتا فيصير كالسيوم 40؛ وفي 11 % الباقية يلتقط إلكترونًا من الذرة نفسها فيصير أرغون 40.
والبوتاسيوم وفير في القشرة الأرضية، وعلى مدى 4500 مليون سنة أنتجت تلك النسبة الصغيرة كمية هائلة من الأرغون. ويفلت الغاز من المعادن ويتراكم في الغلاف الجوي، حيث تمنع كتلته البالغة 40 ضياعه في الفضاء.
وهذا يفسّر لماذا يزيد الأرغون على النيون ألف مرة في الهواء، بينما النيون في الكون أوفر بكثير: فالنيون ضاع والأرغون لا يزال يُصنع.
كيف تُؤرَّخ الصخور بالبوتاسيوم والأرغون؟
باستغلال تلك العملية بالضبط. والأسلوب أحد أعمدة علم تأريخ الأرض.
فحين يتبلور معدن من الصهارة يفلت الأرغون الموجود: فهو غاز ولا يندمج في الشبكة البلورية. فتُضبط الساعة على الصفر. ومن تلك اللحظة يبدأ بوتاسيوم 40 المعدن بإنتاج أرغون 40 يبقى محبوسًا.
وبقياس كمية البوتاسيوم 40 المتبقية وكمية الأرغون 40 المتراكم، ومع معرفة عمر النصف، يُحسب الزمن المنقضي منذ التبلور.
ويمتد المجال المفيد من نحو مئة ألف سنة إلى مليارات. وهو الأسلوب الذي أرسى عمر طبقات أولدوفاي التي وُجدت فيها بقايا أشباه بشر، والذي يحدد المقياس الزمني لانعكاسات المجال المغناطيسي الأرضي.
أما النسخة الحديثة، أرغون-أرغون، فتشعّ العينة بالنيوترونات لتحويل بعض البوتاسيوم 39 إلى أرغون 39 ثم تقيس نظيرَي الأرغون في التحليل نفسه. وهي تلغي خطأ قياس البوتاسيوم والأرغون منفصلين.
⚠️ ويخفق الأسلوب إن أُعيد تسخين المعدن، لأن الأرغون المتراكم يفلت وتُضبط الساعة جزئيًّا من جديد. وقد صار ذلك العيب ميزة: إذ يتيح تأريخ أحداث حرارية لاحقة للتكوّن.
فيمَ يُستعمل صناعيًّا؟
جوًّا خاملًا، في معظم الأحوال.
في اللحام يزيح الهواء عن الحوض المنصهر. فالتيتانيوم الملحوم في الهواء يمتص نيتروجينًا وأكسجينًا فيصير هشًّا؛ وتحت الأرغون يحفظ خصائصه. وتعتمد طريقتا TIG وMIG على ذلك.
وفي علم المعادن يُنفخ في الفولاذ المنصهر لتجانسه وجرّ الشوائب. وعملية AOD، أي إزالة الكربون بالأرغون والأكسجين، هي الطريق الرئيسي لصنع الفولاذ المقاوم للصدأ.
وفي النوافذ المزدوجة يملأ الحيّز بين الزجاجين. وموصليته الحرارية أدنى بثلث من الهواء، ما يحسّن العزل تحسينًا ملحوظًا بكلفة منخفضة.
وفي إنتاج أشباه الموصلات والبلورات يوفّر جوًّا ينمو تحته السيليكون المنصهر دون أن يتلوث.
وفي الإنارة كان يملأ المصابيح المتوهجة لإبطاء تبخر خيط التنجستن، ولا يزال يُستعمل في أنابيب التفريغ حيث ينتج لونًا أزرق بنفسجيًّا.
هل هو خامل تمامًا حقًّا؟
يكاد. فقرن كامل ساد فيه الاعتقاد أنه لا يكوّن أي مركّب.
وفي عام 2000 حصل فريق من جامعة هلسنكي بقيادة ماركو راسانن على فلوروهيدريد الأرغون، HArF، بتكثيف الأرغون مع فلوريد الهيدروجين على سطح عند 8 كلفن وتشعيعه بفوق البنفسجي. وكُشف المركّب بمطيافية الأشعة تحت الحمراء وهو يتفكك فوق نحو 27 كلفن.
وهو المركّب المتعادل الوحيد المعروف للأرغون، ووجوده أقرب إلى طرفة في كيمياء المصفوفات عند الحرارات المنخفضة منه إلى واقعة من الكيمياء الاعتيادية.
وسبب هذا الخمول هو التوزيع 3s² 3p⁶: ثمانية كاملة، وطاقة تأيّن تبلغ 1521 كيلوجول/مول، ولا مدار متاح عند طاقة معقولة. أما الزينون، الذي إلكتروناته الخارجية أبعد كثيرًا عن النواة، فيمنحها بسهولة أكبر ويكوّن كيمياء غنية إلى حد معقول.