Como se descobre um elemento por uma diferença de 0,5 %?
Em 1892, Lord Rayleigh publicou na Nature uma nota a pedir ajuda. Andava havia anos a medir com extrema precisão a densidade dos gases e tinha encontrado algo que não sabia explicar.
O azoto obtido do ar — removendo oxigénio, vapor de água e dióxido de carbono — pesava 1,2572 gramas por litro. O azoto obtido decompondo amoníaco pesava 1,2508. A diferença era de 0,5 %, cerca de mil vezes maior do que o seu erro experimental.
Quase qualquer investigador teria atribuído a discrepância a uma impureza e seguido em frente. Rayleigh considerou que um resultado reprodutível exigia explicação.
William Ramsay propôs a hipótese correta: o azoto atmosférico continha algo mais pesado misturado. Para o isolar, fez passar o azoto do ar repetidamente sobre magnésio ao rubro, que reage com o azoto formando nitreto sólido. Ao fim de muitos ciclos restou uma fração que não reagia.
O seu espetro não coincidia com o de nenhum elemento conhecido. Chamaram-lhe árgon, do grego argos, inativo.
O achado, anunciado em 1894, levantou um problema maior: o árgon não encaixava em nenhuma coluna da tabela de Mendeleev. Foi preciso acrescentar um grupo inteiro. Nos quatro anos seguintes Ramsay preencheu-o com néon, crípton e xénon.
Por que é que o árgon terrestre não é como o cósmico?
O árgon tem três isótopos estáveis: 36, 38 e 40. No universo domina o árgon 36, produzido na fusão estelar do oxigénio e do silício.
Na Terra ocorre o contrário. O árgon 40 representa 99,6 % do total, e o árgon 36 apenas 0,33 %.
A razão é que o árgon terrestre não é primordial mas radiogénico. O potássio 40, um isótopo naturalmente presente em rochas e nos seres vivos, desintegra-se com um período de 1 250 milhões de anos. Em cerca de 89 % dos casos emite uma partícula beta e converte-se em cálcio 40; nos restantes 11 % captura um eletrão do próprio átomo e converte-se em árgon 40.
O potássio é abundante na crosta terrestre, e ao longo de 4 500 milhões de anos essa fração minoritária produziu uma quantidade enorme de árgon. O gás escapa dos minerais e acumula-se na atmosfera, onde a sua massa de 40 impede que se perca no espaço.
Isso explica por que há mil vezes mais árgon do que néon no ar, quando no universo o néon é muito mais abundante: o néon perdeu-se e o árgon continua a ser fabricado.
Como se datam as rochas com potássio e árgon?
Aproveitando exatamente esse processo. O método é um dos pilares da geocronologia.
Quando um mineral cristaliza a partir de magma, o árgon presente escapa: é um gás e não se incorpora na rede cristalina. O relógio é posto a zero. A partir desse momento, o potássio 40 do mineral começa a produzir árgon 40 que fica retido.
Medindo a quantidade de potássio 40 restante e a de árgon 40 acumulado, e conhecendo o período de semidesintegração, calcula-se o tempo decorrido desde a cristalização.
O intervalo útil vai de cerca de cem mil anos até milhares de milhões. É o método que estabeleceu a idade dos estratos de Olduvai onde se encontraram restos de hominídeos, e o que fixa a escala temporal das inversões do campo magnético terrestre.
A variante moderna, árgon-árgon, irradia a amostra com neutrões para converter parte do potássio 39 em árgon 39 e mede depois ambos os isótopos de árgon na mesma análise. Elimina o erro de medir potássio e árgon separadamente.
⚠️ O método falha se o mineral tiver sido reaquecido, porque o árgon acumulado escapa e o relógio reinicia parcialmente. Esse inconveniente tornou-se uma vantagem: permite datar episódios térmicos posteriores à formação.
Para que se usa industrialmente?
Como atmosfera inerte, quase sempre.
Na soldadura desloca o ar do banho fundido. O titânio soldado ao ar absorve azoto e oxigénio e torna-se frágil; sob árgon conserva as suas propriedades. Os processos TIG e MIG dependem disso.
Na metalurgia é insuflado em aço fundido para o homogeneizar e arrastar inclusões. O processo AOD, de descarburação com árgon e oxigénio, é a via principal de fabrico de aço inoxidável.
Em janelas de vidro duplo enche a câmara entre os vidros. A sua condutividade térmica é um terço menor do que a do ar, o que melhora apreciavelmente o isolamento a baixo custo.
Na produção de semicondutores e de cristais proporciona uma atmosfera sob a qual o silício fundido pode crescer sem se contaminar.
Na iluminação enchia as lâmpadas incandescentes para travar a evaporação do filamento de tungsténio, e continua a ser usado em tubos de descarga, onde produz uma cor azul-violeta.
É mesmo inerte por completo?
Quase. Durante um século considerou-se que não formava nenhum composto.
No ano 2000, uma equipa da Universidade de Helsínquia dirigida por Markku Räsänen obteve o fluoro-hidreto de árgon, HArF, condensando árgon com fluoreto de hidrogénio sobre uma superfície a 8 K e irradiando com ultravioleta. O composto foi detetado por espetroscopia de infravermelho e decompõe-se acima de cerca de 27 K.
É o único composto neutro de árgon conhecido, e a sua existência é mais uma curiosidade da química de matrizes a baixa temperatura do que um facto da química ordinária.
A razão de tanta inércia é a configuração 3s² 3p⁶: um octeto completo, uma energia de ionização de 1 521 kJ/mol e nenhuma orbital acessível a energia razoável. O xénon, com os seus eletrões externos muito mais afastados do núcleo, cede bastante mais facilmente e forma uma química razoavelmente rica.