アルゴン (Ar, Z = 18)：私たちが呼吸する空気中に隠れた貴ガス

アルゴンの発見の歴史

アルゴンは、一見取るに足らない異常現象の詳細な調査によって発見されました。 1892年、イギリスの物理学者レイリー卿（ジョン・ウィリアム・ストラット、1842–1919）は、空気から抽出した窒素が、化学分解によって得られた窒素化合物よりもわずかに密度が高い（約0.5%）ことを観察しました。 この違いに興味を持ち、彼は化学者のウィリアム・ラムゼー（1852–1916）と協力しました。 1894年、空気から酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気を徹底的に除去した後、彼らは未知の残留ガスを単離しました。このガスは他の元素と反応しませんでした。 彼らはこのガスをアルゴン（ギリシャ語のargos = 不活性、怠惰）と名付けました。これは、その絶対的な化学的不活性に由来します。 この発見は、予想外の元素群である貴ガスの存在を明らかにし、化学に革命をもたらしました。 レイリーとラムゼーは、この発見により、それぞれ1904年にノーベル物理学賞とノーベル化学賞を受賞しました。

構造と基本的な性質

アルゴン（記号Ar、原子番号18）は、周期表の18族（かつてはVIII族または0族）に属する貴ガスです。 その原子は、18個の陽子、18個の電子、および最も豊富な同位体（\(\,^{40}\mathrm{Ar}\)）では通常22個の中性子を持ちます。 3つの安定同位体が存在します：アルゴン-36（\(\,^{36}\mathrm{Ar}\)）、アルゴン-38（\(\,^{38}\mathrm{Ar}\)）、およびアルゴン-40（\(\,^{40}\mathrm{Ar}\)）。
室温では、アルゴンは単原子ガス（Ar）で、無色、無臭、無味であり、通常の条件下では完全に化学的に不活性です。 アルゴンは空気より約1.4倍密度が高く（0 °Cでの密度≈1.784 g/L）、 融点：83.81 K（−189.34 °C）、沸点：87.302 K（−185.848 °C）。 アルゴンは完全な外殻電子構造（3s² 3p⁶）を持ち、例外的な化学的安定性を示します。 通常の条件下では、ほとんど安定した化合物を形成しませんが、非常に低温の実験室環境では、いくつかの一時的な化合物が観察されています。

アルゴンの同位体表

アルゴンの電子配置と電子殻

N.B.:
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ （新しいウィンドウ）.

アルゴンは18個の電子を持ち、これらは3つの電子殻に分布しています。アルゴンの完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶、 または簡略化すると[Ne] 3s² 3p⁶です。この配置はK(2) L(8) M(8)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶として8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s² 3p⁶として8個の電子が分布しています。3s軌道と3p軌道は完全に満たされており、最大の安定性を与えます。3d軌道は空のままです。

価電子と酸化状態

外殻（3s² 3p⁶）の8個の電子はアルゴンの飽和電子配置を形成します。この配置はアルゴンの例外的な化学的性質を説明します：
通常の条件下で電子を失ったり獲得したりしないため、安定した酸化状態が存在しません。
完全な価電子殻はアルゴンにほぼ完全な化学的不活性を与え、貴ガス（または希ガス）に分類されます。
極端な条件下の実験室でアルゴン化合物が合成されたことがありますが、通常の条件下ではアルゴンは実質的に安定した化学化合物を形成しません。

アルゴンの電子配置は、すべての電子殻が完全であるため、貴ガスの基準となります。この構造は、アルゴンに特徴的な性質を与えます：例外的な化学的安定性（アルゴンは最も不活性な元素の一つ）、非常に高いイオン化エネルギー（電子を奪うことは極めて困難）、および通常の条件下での反応性の完全な欠如。アルゴンは、飽和した価電子殻が最適なエネルギー状態を表すため、化学結合を形成しません。この化学的不活性は、アルゴンを冶金、溶接、および電球での保護雰囲気を作るための理想的なガスにします。アルゴンの配置[Ar]は、周期表の以降の元素の電子配置を記述するための基準として使用されます。

化学的反応性

アルゴンはほとんどすべての条件下で化学的に不活性です。 その飽和した外殻電子は、アルゴンを非常に安定で反応性のないものにしています。 隣接する元素である塩素やカリウムとは異なり、アルゴンは通常の条件下では化学反応に参加しません。 この絶対的な不活性が、アルゴンを多くの産業プロセスにとって理想的な保護ガスにしています。 実験室では、非常に低温かつ強いUV照射下で、アルゴンフッ化水素（HArF）などの不安定な化合物が合成されています。この化合物は40 K以上で急速に分解します。 これらのエキゾチックな化合物は実用的な応用はありませんが、化学結合の限界を理解するための理論的な興味があります。

アルゴンの産業および技術的応用

• アーク溶接（TIG、MIG）の保護ガスとして、金属の酸化を防ぐ；
• 金属工業で、反応性の高い合金（チタン、ジルコニウム）の製造時に不活性雰囲気を作る；
• 白熱電球を満たし、フィラメントの寿命を延ばす；
• 蛍光管や放電ランプで青紫色の光を生成する；
• 二重または三重ガラスの充填ガスとして、断熱性能を向上させる；
• ガスクロマトグラフィーで不活性キャリアガスとして使用；
• 医療用（眼科手術、皮膚科）に使用されるアルゴンレーザー；
• 酸化に敏感な歴史的文書や美術品を保存する；
• 低温科学や研究（液体アルゴン）に使用；
• 半導体結晶の成長時の保護雰囲気として使用；
• 空気に敏感な材料の製造と保管に使用；
• ワインや食品の酸化を防ぐ（不活性ガス覆い）；
• テクニカルダイビングで呼吸混合ガス（トライミックス）の成分として使用；
• 核物理学の粒子検出器に使用；
• 一部の実験用原子炉の熱伝達流体として使用；
• 科学研究で冷たいプラズマを生成する；
• 電子工業でプラズマクリーニングやエッチングに使用；
• 一部の航空宇宙応用で推進剤として使用。

存在量と生産

アルゴンは驚くほど豊富に存在します：地球の大気中の体積比で約0.934%を占め、窒素（78%）と酸素（21%）に次ぐ3番目に豊富な大気ガスです。 この割合は、地球の大気中に約66兆トンのアルゴンが存在することを意味します。 パラドックスですが、この豊富さにもかかわらず、アルゴンはその完全な不活性のため1894年まで検出されませんでした。 ほとんどの大気中のアルゴンはアルゴン-40で、これは地殻中のカリウム-40（⁴⁰K）の放射性崩壊によって数十億年にわたって生成されたものです。 工業用アルゴンは、液体空気の分留によって生産され、このプロセスでは窒素と酸素も分離されます。 世界のアルゴン生産量は年間100万トンを超えています。 アルゴンは大気中の豊富さと分離プロセスの効率性により、比較的安価です。

地質学と放射年代測定における重要性

カリウム-40の崩壊によるアルゴン-40の蓄積は、地質年代学で最も重要な方法の一つであるカリウム-アルゴン（K-Ar）年代測定法の基礎です。 この方法により、数千年から数十億年前の火山岩や変成岩の年代測定が可能です。 カリウム-40は12.5億年の半減期で、アルゴン-40（電子捕獲）とカルシウム-40（β⁻崩壊）に崩壊します。 生成されたガス状のアルゴンは、高温では鉱物から逃げることがありますが、冷却と結晶化の際に閉じ込められます。 鉱物中の⁴⁰Ar/⁴⁰K比を測定することで、最後の融解または変成以来の経過時間を決定できます。 より精密なアルゴン-アルゴン（⁴⁰Ar/³⁹Ar）法は、主要な地質学的イベントや地球の進化の年代測定に広く使用されています。

天体物理学と宇宙論における役割

初期の宇宙では、アルゴンはほとんど存在しませんでした。 アルゴン-36とアルゴン-38は、大質量星での酸素とケイ素の融合によって核合成され、その後超新星によって宇宙空間に散布されました。 アルゴンは、一部の惑星状星雲や超新星残骸で検出されています。 地球上では、アルゴン-40（99.6%）の圧倒的な優位性が、太陽や隕石のアルゴンの同位体組成（アルゴン-36が優勢）と強く対照的です。 この違いは、地球のアルゴンが主に放射起源（地殻中の放射性崩壊によって生成）であり、原始的ではないことを示しています。 隕石や惑星試料中のアルゴンの同位体比の分析は、太陽系の形成と進化についての重要な手がかりを提供します。 火星の大気には約1.6%のアルゴンが含まれており、主にアルゴン-40で、これは過去の惑星の地質活動の証拠です。

注記：
私たちが呼吸するアルゴンは、実際には地球の深部から来ています。 私たちが吸い込む空気1リットルには、約9ミリリットルのアルゴン（0.934%）が含まれており、これは二酸化炭素（0.04%）よりも多いです。 このアルゴンはほとんどがアルゴン-40で、数十億年にわたり地殻とマントルの岩石中のカリウム-40の放射性崩壊によって継続的に生成されています。 アルゴンはゆっくりと岩石から逃げ出し、大気中に蓄積し、化学的に不活性であるため、生物学的または地球化学的なプロセスによって消費されることはありません。 したがって、私たちが吸う息には、かつて地球の深部に閉じ込められていたアルゴン原子が含まれており、それは地球の放射性時計の静かな証人です。