Bagaimana sebuah unsur ditemukan lewat selisih 0,5 %?
Pada 1892, Lord Rayleigh menerbitkan catatan di Nature meminta bantuan. Ia telah bertahun-tahun mengukur kerapatan gas dengan ketelitian tinggi dan menemukan sesuatu yang tak dapat dijelaskannya.
Nitrogen dari udara — setelah oksigen, uap air, dan karbon dioksida dibuang — berbobot 1,2572 gram per liter. Nitrogen dari penguraian amonia berbobot 1,2508. Selisihnya 0,5 %, sekitar seribu kali lebih besar daripada galat percobaannya.
Hampir semua peneliti akan menghubungkan selisih itu dengan pengotor lalu melanjutkan. Rayleigh menilai bahwa hasil yang dapat diulang menuntut penjelasan.
William Ramsay mengajukan hipotesis yang benar: nitrogen atmosfer memuat sesuatu yang lebih berat. Untuk mengisolasinya, ia mengalirkan nitrogen udara berulang kali di atas magnesium membara, yang bereaksi dengan nitrogen membentuk nitrida padat. Setelah banyak putaran tersisalah fraksi yang tak bereaksi.
Spektrumnya tidak cocok dengan unsur mana pun yang dikenal. Mereka menamainya argon, dari bahasa Yunani argos, tak aktif.
Temuan itu, yang diumumkan pada 1894, menimbulkan persoalan yang lebih besar: argon tidak muat dalam kolom mana pun dalam tabel Mendeleev. Satu golongan penuh harus ditambahkan. Empat tahun berikutnya Ramsay mengisinya dengan neon, kripton, dan xenon.
Mengapa argon Bumi tidak seperti argon kosmik?
Argon memiliki tiga isotop stabil: 36, 38, dan 40. Di alam semesta argon 36 yang dominan, dihasilkan dalam peleburan bintang atas oksigen dan silikon.
Di Bumi terjadi sebaliknya. Argon 40 mewakili 99,6 % dari seluruhnya, dan argon 36 hanya 0,33 %.
Sebabnya adalah argon Bumi bukan purba melainkan radiogenik. Kalium 40, isotop yang secara alami ada dalam batuan dan dalam makhluk hidup, meluruh dengan waktu paruh 1 250 juta tahun. Pada sekitar 89 % kasusnya ia memancarkan partikel beta dan berubah menjadi kalsium 40; pada 11 % sisanya ia menangkap satu elektron dari atomnya sendiri dan berubah menjadi argon 40.
Kalium melimpah di kerak bumi, dan sepanjang 4 500 juta tahun bagian kecil itu menghasilkan argon dalam jumlah sangat besar. Gasnya lolos dari mineral dan menumpuk di atmosfer, tempat massanya sebesar 40 mencegahnya hilang ke angkasa.
Itu menjelaskan mengapa argon seribu kali lebih banyak daripada neon di udara, padahal di alam semesta neon jauh lebih melimpah: neon hilang dan argon terus dibuat.
Bagaimana batuan ditanggali dengan kalium dan argon?
Dengan memanfaatkan persis proses itu. Metodenya adalah salah satu pilar geokronologi.
Ketika sebuah mineral mengkristal dari magma, argon yang ada lolos: ia gas dan tidak masuk ke kisi kristal. Jam disetel ke nol. Sejak saat itu, kalium 40 dalam mineral mulai menghasilkan argon 40 yang terperangkap.
Dengan mengukur jumlah kalium 40 yang tersisa dan argon 40 yang tertimbun, serta mengetahui waktu paruhnya, dihitunglah waktu sejak kristalisasi.
Rentang bergunanya terbentang dari sekitar seratus ribu tahun sampai miliaran. Inilah metode yang menetapkan umur lapisan Olduvai tempat sisa hominid ditemukan, dan yang menetapkan skala waktu pembalikan medan magnet Bumi.
Varian modernnya, argon-argon, menyinari sampel dengan neutron untuk mengubah sebagian kalium 39 menjadi argon 39 lalu mengukur kedua isotop argon dalam satu analisis. Ia menghapus galat karena mengukur kalium dan argon secara terpisah.
⚠️ Metodenya gagal jika mineralnya pernah dipanaskan kembali, karena argon yang tertimbun lolos dan jamnya sebagian tersetel ulang. Kelemahan itu telah berubah menjadi keunggulan: ia memungkinkan penanggalan peristiwa termal setelah pembentukan.
Untuk apa ia dipakai dalam industri?
Sebagai atmosfer lembam, hampir selalu.
Dalam pengelasan ia menyingkirkan udara dari kolam cair. Titanium yang dilas di udara menyerap nitrogen dan oksigen lalu menjadi rapuh; di bawah argon ia mempertahankan sifatnya. Proses TIG dan MIG bergantung padanya.
Dalam metalurgi ia dihembuskan ke baja cair untuk menyeragamkannya dan menyeret inklusi. Proses AOD, dekarburisasi dengan argon dan oksigen, adalah jalur utama pembuatan baja tahan karat.
Pada jendela kaca ganda ia mengisi rongga di antara kacanya. Daya hantar kalornya sepertiga lebih rendah daripada udara, yang memperbaiki penyekatan secara nyata dengan biaya rendah.
Dalam produksi semikonduktor dan kristal ia menyediakan atmosfer tempat silikon cair dapat tumbuh tanpa tercemar.
Dalam penerangan ia mengisi bola lampu pijar untuk memperlambat penguapan filamen wolfram, dan masih dipakai dalam tabung lucutan, tempat ia menghasilkan warna biru keunguan.
Apakah ia benar-benar lembam sepenuhnya?
Hampir. Selama satu abad orang menganggap ia tidak membentuk senyawa apa pun.
Pada tahun 2000, tim Universitas Helsinki yang dipimpin Markku Räsänen memperoleh argon fluorohidrida, HArF, dengan mengembunkan argon bersama hidrogen fluorida pada permukaan bersuhu 8 K lalu menyinarinya dengan ultraungu. Senyawanya terdeteksi lewat spektroskopi inframerah dan terurai di atas sekitar 27 K.
Itu satu-satunya senyawa netral argon yang dikenal, dan keberadaannya lebih merupakan keingintahuan kimia matriks suhu rendah daripada fakta kimia sehari-hari.
Sebab kelembaman sebesar itu adalah konfigurasi 3s² 3p⁶: oktet lengkap, energi ionisasi 1 521 kJ/mol, dan tidak ada orbital yang terjangkau pada energi wajar. Xenon, yang elektron terluarnya jauh lebih jauh dari inti, melepasnya jauh lebih mudah dan membentuk kimia yang cukup kaya.