¿Cómo se descubre un elemento por una diferencia del 0,5 %?
En 1892, Lord Rayleigh publicó en Nature una nota pidiendo ayuda. Llevaba años midiendo con extrema precisión la densidad de los gases y había encontrado algo que no sabía explicar.
El nitrógeno obtenido del aire —eliminando oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono— pesaba 1,2572 gramos por litro. El nitrógeno obtenido descomponiendo amoníaco pesaba 1,2508. La diferencia era del 0,5 %, unas mil veces mayor que su error experimental.
Casi cualquier investigador habría atribuido la discrepancia a una impureza y seguido adelante. Rayleigh consideró que un resultado reproducible exigía explicación.
William Ramsay propuso la hipótesis correcta: el nitrógeno atmosférico contenía algo más pesado mezclado. Para aislarlo, hizo pasar el nitrógeno del aire repetidamente sobre magnesio al rojo, que reacciona con el nitrógeno formando nitruro sólido. Al cabo de muchos ciclos quedó una fracción que no reaccionaba.
Su espectro no coincidía con el de ningún elemento conocido. Lo llamaron argón, del griego argos, inactivo.
El hallazgo, anunciado en 1894, planteó un problema mayor: el argón no encajaba en ninguna columna de la tabla de Mendeléyev. Hizo falta añadir un grupo entero. Los cuatro años siguientes Ramsay lo llenó con neón, criptón y xenón.
¿Por qué el argón terrestre no es como el cósmico?
El argón tiene tres isótopos estables: 36, 38 y 40. En el universo domina el argón 36, producido en la fusión estelar del oxígeno y del silicio.
En la Tierra ocurre lo contrario. El argón 40 representa el 99,6 % del total, y el argón 36 apenas el 0,33 %.
La razón es que el argón terrestre no es primordial sino radiogénico. El potasio 40, un isótopo naturalmente presente en rocas y en los seres vivos, se desintegra con un periodo de 1 250 millones de años. En cerca del 89 % de los casos emite una partícula beta y se convierte en calcio 40; en el 11 % restante captura un electrón del propio átomo y se convierte en argón 40.
El potasio es abundante en la corteza terrestre, y a lo largo de 4 500 millones de años esa fracción minoritaria ha producido una cantidad enorme de argón. El gas escapa de los minerales y se acumula en la atmósfera, donde su masa de 40 impide que se pierda al espacio.
Eso explica por qué hay mil veces más argón que neón en el aire, cuando en el universo el neón es mucho más abundante: el neón se perdió y el argón se sigue fabricando.
¿Cómo se datan las rocas con potasio y argón?
Aprovechando exactamente ese proceso. El método es uno de los pilares de la geocronología.
Cuando un mineral cristaliza a partir de magma, el argón presente se escapa: es un gas y no se incorpora a la red cristalina. El reloj se pone a cero. A partir de ese momento, el potasio 40 del mineral empieza a producir argón 40 que sí queda atrapado.
Midiendo la cantidad de potasio 40 restante y la de argón 40 acumulado, y conociendo el periodo de semidesintegración, se calcula el tiempo transcurrido desde la cristalización.
El intervalo útil va desde unos cien mil años hasta miles de millones. Es el método que estableció la edad de los estratos de Olduvai en los que se hallaron restos de homínidos, y el que fija la escala temporal de las inversiones del campo magnético terrestre.
La variante moderna, argón-argón, irradia la muestra con neutrones para convertir parte del potasio 39 en argón 39 y mide después ambos isótopos de argón en el mismo análisis. Elimina el error de medir potasio y argón por separado.
⚠️ El método falla si el mineral fue recalentado, porque el argón acumulado escapa y el reloj se reinicia parcialmente. Ese inconveniente se ha convertido en una ventaja: permite datar episodios térmicos posteriores a la formación.
¿Para qué se usa industrialmente?
Como atmósfera inerte, casi siempre.
En soldadura desplaza el aire del baño fundido. El titanio soldado en aire absorbe nitrógeno y oxígeno y se vuelve frágil; bajo argón conserva sus propiedades. Los procesos TIG y MIG dependen de ello.
En metalurgia se insufla en acero fundido para homogeneizarlo y arrastrar inclusiones. El proceso AOD, de descarburación con argón y oxígeno, es la vía principal de fabricación de acero inoxidable.
En ventanas de doble acristalamiento rellena la cámara entre los vidrios. Su conductividad térmica es un tercio menor que la del aire, lo que mejora apreciablemente el aislamiento a un coste bajo.
En producción de semiconductores y de cristales proporciona una atmósfera bajo la cual el silicio fundido puede crecer sin contaminarse.
En iluminación llenaba las bombillas incandescentes para frenar la evaporación del filamento de tungsteno, y sigue usándose en tubos de descarga, donde produce un color azul violáceo.
¿Es realmente inerte del todo?
Casi. Durante un siglo se consideró que no formaba ningún compuesto.
En el año 2000, un equipo de la Universidad de Helsinki dirigido por Markku Räsänen obtuvo el fluorohidruro de argón, HArF, condensando argón con fluoruro de hidrógeno sobre una superficie a 8 K e irradiando con ultravioleta. El compuesto se detectó por espectroscopia infrarroja y se descompone por encima de unos 27 K.
Es el único compuesto neutro de argón conocido, y su existencia es más una curiosidad de la química de matrices a baja temperatura que un hecho de la química ordinaria.
La razón de tanta inercia es la configuración 3s² 3p⁶: un octeto completo, una energía de ionización de 1 521 kJ/mol y ningún orbital accesible a energía razonable. El xenón, con sus electrones externos mucho más alejados del núcleo, cede bastante más fácilmente y forma una química razonablemente rica.