Argon (Ar) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Argon ist ein unsichtbarer, aber keineswegs unbedeutender Bestandteil unserer Atmosphäre. Das chemische Element mit dem Symbol Ar und der Ordnungszahl 18 gehört zu den Edelgasen. Es ist farb-, geruch- und geschmacklos und reagiert unter gewöhnlichen Bedingungen praktisch nicht mit anderen Stoffen. Gerade diese chemische Zurückhaltung macht Argon für zahlreiche technische Anwendungen wertvoll: Es schützt Metalle beim Schweißen, ermöglicht spezielle Lichtquellen und schafft kontrollierte Atmosphären für empfindliche Produktionsprozesse. Obwohl wir Argon mit jedem Atemzug aufnehmen, wissen nur wenige Menschen, dass es nach Stickstoff und Sauerstoff das dritthäufigste Gas der trockenen Erdatmosphäre ist.

Argon im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Im blume Online-Periodensystem steht Argon am rechten Rand der dritten Periode. Es folgt unmittelbar auf Chlor (Cl) und gehört wie Helium (He) und Neon (Ne) zur 18. Gruppe.

Was ist Argon?

Argon ist ein chemisches Element aus der Gruppe der Edelgase. Diese Elemente zeichnen sich durch eine besonders stabile Elektronenkonfiguration aus. Beim Argon ist die äußerste Elektronenschale mit acht Elektronen vollständig besetzt. Deshalb besitzt das Atom unter normalen Bedingungen nur eine geringe Neigung, Elektronen aufzunehmen, abzugeben oder mit anderen Atomen zu teilen.

Der Name Argon stammt vom griechischen Wort argós, das sich mit „träge“ oder „untätig“ übersetzen lässt. Diese Bezeichnung verweist unmittelbar auf die geringe chemische Reaktivität des Elements. Anders als das benachbarte Chlor, das leicht chemische Verbindungen eingeht, bleibt Argon bei alltäglichen Temperaturen und Drücken weitgehend unverändert.

Argon liegt unter normalen Bedingungen als einatomiges Gas vor. Seine Teilchen bestehen also aus einzelnen Atomen und nicht aus Molekülen wie beim Sauerstoff (O₂) oder Stickstoff (N₂).

Welche Eigenschaften hat Argon?

Warum ist Argon so reaktionsträge?

Die Ursache liegt im Aufbau seiner Elektronenhülle. Ein Argonatom besitzt 18 Elektronen, die sich auf drei Schalen verteilen: zwei Elektronen in der ersten, acht in der zweiten und acht in der dritten Schale. Die äußere Schale ist damit vollständig besetzt.

Diese stabile Elektronenanordnung erklärt, weshalb Argon kaum chemische Bindungen eingeht. Im Gegensatz zu vielen anderen Elementen muss es keine Elektronen aufnehmen oder abgeben, um eine energetisch günstige Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Die Aussage, Argon bilde überhaupt keine Verbindungen, wäre allerdings zu weitgehend. Unter extremen Bedingungen lassen sich ungewöhnliche argonhaltige Spezies erzeugen. Ein bekanntes Beispiel ist Argonfluorhydrid (HArF), das in einer festen Edelgasmatrix bei sehr niedrigen Temperaturen nachgewiesen wurde. Für die alltägliche Chemie und industrielle Praxis bleibt Argon dennoch nahezu vollständig inert.

Ist Argon schwerer als Luft?

Ja. Argon besitzt eine molare Masse von ungefähr 39,95 g/mol. Die mittlere molare Masse trockener Luft liegt dagegen bei etwa 28,97 g/mol. Unter gleichen Temperatur- und Druckbedingungen ist Argon daher rund 38 Prozent dichter als Luft.

Diese Eigenschaft ist bei technischen Anwendungen und beim Arbeitsschutz wichtig. Freigesetztes Argon kann sich insbesondere in schlecht belüfteten, tiefer gelegenen Bereichen ansammeln und dort den Sauerstoff verdrängen. Eine solche Atmosphäre kann lebensgefährlich sein, obwohl Argon selbst nicht giftig ist.

Wann wird Argon flüssig?

Argon siedet bei Normaldruck bereits bei ungefähr −185,85 °C. Unterhalb dieser Temperatur kann es als Flüssigkeit vorliegen. Sein Schmelzpunkt beträgt etwa −189,34 °C. Zwischen beiden Temperaturen existiert bei Normaldruck nur ein schmaler Bereich, in dem Argon flüssig ist.

Flüssiges Argon wird unter anderem in der Tieftemperaturtechnik und in wissenschaftlichen Detektoren eingesetzt. Dabei ist zu beachten, dass es schwere Kälteverletzungen verursachen kann und beim Verdampfen große Mengen Gas freisetzt.

Wie wurde Argon entdeckt?

Die Entdeckung des Argons gehört zu den bemerkenswerten Geschichten der Chemiegeschichte. Das Element wurde nicht durch die Untersuchung eines Minerals gefunden, sondern durch eine ungewöhnlich genaue Messung der Dichte von Gasen.

Ende des 19. Jahrhunderts untersuchte der britische Physiker John William Strutt, 3. Baron Rayleigh, die Eigenschaften des Stickstoffs. Dabei bemerkte er, dass Stickstoff, der aus der Luft gewonnen wurde, eine geringfügig höhere Dichte besaß als chemisch hergestellter Stickstoff. Diese kleine, aber reproduzierbare Abweichung ließ sich zunächst nicht erklären.

Gemeinsam mit dem Chemiker William Ramsay untersuchte Rayleigh die Ursache. Die beiden Forscher entfernten die bekannten Bestandteile der Luft und isolierten schließlich ein Gas, das sich durch seine außergewöhnliche Reaktionsträgheit auszeichnete.

1894 veröffentlichten Rayleigh und Ramsay die Entdeckung des Argons. Damit war ein neues chemisches Element nachgewiesen, das sich zunächst nur schwer in die damalige Ordnung des Periodensystems einfügen ließ.

Die Entdeckung trug entscheidend dazu bei, dass die Edelgase als eigene Elementgruppe erkannt wurden. Rayleigh erhielt 1904 den Nobelpreis für Physik, Ramsay im selben Jahr den Nobelpreis für Chemie.

Wo kommt Argon vor?

Argon in der Erdatmosphäre

Argon ist nach Stickstoff und Sauerstoff das dritthäufigste Gas der trockenen Erdatmosphäre. Sein Volumenanteil beträgt ungefähr 0,934 Prozent. Das entspricht etwa 9,34 Litern Argon in 1.000 Litern trockener Luft, sofern alle Gasvolumina unter denselben Bedingungen betrachtet werden.

Zum Vergleich: Stickstoff macht etwa 78 Prozent und Sauerstoff rund 21 Prozent der trockenen Luft aus. Obwohl Argon deutlich seltener vorkommt, enthält unsere Atmosphäre insgesamt gewaltige Mengen dieses Edelgases.

Anders als Sauerstoff oder Kohlendioxid ist Argon kaum an chemischen Stoffkreisläufen beteiligt. Seine Konzentration in der Atmosphäre bleibt deshalb vergleichsweise konstant.

Warum gibt es so viel Argon auf der Erde?

Das häufigste natürliche Argonisotop auf der Erde ist Argon-40 (⁴⁰Ar). Ein großer Teil davon entstand über Milliarden Jahre durch den radioaktiven Zerfall von Kalium-40 (⁴⁰K) in Gesteinen und Mineralen.

Kalium-40 kann auf unterschiedlichen Zerfallswegen umgewandelt werden. Ein Teil zerfällt zu Argon-40, das aus dem Gestein entweichen und schließlich in die Atmosphäre gelangen kann. Dieser Prozess trägt wesentlich zur besonderen Isotopenzusammensetzung des atmosphärischen Argons bei.

Das Argon der Erdatmosphäre unterscheidet sich deshalb deutlich von der Argon-Isotopenverteilung in manchen außerirdischen Materialien.

Argon im Weltall

Argon kommt auch außerhalb der Erde vor, beispielsweise in der Sonnenatmosphäre, in Sternen und in interstellarem Gas. Seine Isotope entstehen unter anderem bei Kernreaktionen in Sternen und bei explosiven stellaren Ereignissen.

In der Astronomie lassen sich Argon und seine Ionen anhand charakteristischer Spektrallinien nachweisen. Solche Beobachtungen liefern Informationen über die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Bedingungen kosmischer Gaswolken.

Wie wird Argon gewonnen?

Industriell wird Argon überwiegend durch die Tieftemperaturzerlegung von Luft hergestellt. Dieses Verfahren nutzt die unterschiedlichen Siedepunkte der wichtigsten Luftbestandteile.

Zunächst wird Luft gereinigt, stark verdichtet, abgekühlt und schließlich verflüssigt. Anschließend werden ihre Bestandteile in Destillationskolonnen getrennt. Dabei verdampft Stickstoff bei niedrigeren Temperaturen als Argon, während Sauerstoff einen höheren Siedepunkt besitzt.

Weil die Siedepunkte von Argon und Sauerstoff relativ nahe beieinanderliegen, erfordert die Herstellung hochreinen Argons zusätzliche Trenn- und Reinigungsschritte.

Die industrielle Argongewinnung ist eng mit der Produktion von Sauerstoff und Stickstoff verbunden. Argon fällt deshalb häufig als Nebenprodukt großer Luftzerlegungsanlagen an.

Wofür wird Argon verwendet?

Argon als Schutzgas beim Schweißen

Eine der wichtigsten Anwendungen ist das Schweißen unter Schutzgas. Bei hohen Temperaturen reagieren viele Metalle mit Sauerstoff, Stickstoff oder Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft. Dadurch können Oxide, unerwünschte Einschlüsse oder andere Fehler in einer Schweißnaht entstehen.

Argon bildet eine weitgehend reaktionsträge Atmosphäre um die Schweißstelle. Es verhindert, dass die heiße Metalloberfläche unmittelbar mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt.

Besonders verbreitet ist Argon beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) und bei bestimmten Varianten des Metall-Inertgasschweißens (MIG). Es wird unter anderem bei der Verarbeitung von Aluminium, Edelstahl und weiteren empfindlichen Werkstoffen eingesetzt. Je nach Verfahren und Werkstoff kommen auch Argonmischungen mit anderen Gasen zum Einsatz.

Argon in Glühlampen und Gasentladungsröhren

Argon wurde lange Zeit häufig als Füllgas in Glühlampen verwendet. Es vermindert die Verdampfung des heißen Wolframfadens und trägt dadurch zur Lebensdauer der Lampe bei.

Auch in Gasentladungsröhren wird Argon eingesetzt. Wird ein elektrisches Feld angelegt, können Argonatome angeregt oder ionisiert werden. Beim Übergang in energieärmere Zustände senden sie Licht mit charakteristischen Wellenlängen aus.

Das sichtbare Leuchten einer Gasentladung hängt allerdings nicht nur vom enthaltenen Gas, sondern auch von Druck, Stromstärke, Entladungsbedingungen und gegebenenfalls eingesetzten Leuchtstoffen ab.

Argonlaser in Forschung und Technik

Argon-Ionenlaser waren besonders in der Forschung, Messtechnik und Medizintechnik von Bedeutung. Sie können intensive Strahlung unter anderem im blauen und grünen Spektralbereich erzeugen.

Bekannte Laserlinien liegen beispielsweise bei ungefähr 488 nm und 514,5 nm. Diese Wellenlängen wurden unter anderem für optische Messverfahren, Fluoreszenzanregung und medizinische Anwendungen genutzt.

In vielen Einsatzgebieten wurden Argon-Ionenlaser inzwischen durch energieeffizientere Festkörper- oder Halbleiterlaser ersetzt. Für die Entwicklung moderner Lasertechnik besitzen sie dennoch eine wichtige historische Bedeutung.

Argon in der Metallurgie und Halbleitertechnik

Bei der Herstellung und Verarbeitung empfindlicher Werkstoffe werden häufig sauerstoff- und feuchtigkeitsarme Atmosphären benötigt. Argon eignet sich dafür besonders gut, weil es unter normalen Prozessbedingungen kaum mit den Materialien reagiert.

Es wird beispielsweise beim Schmelzen und Gießen bestimmter Metalle, bei Wärmebehandlungen sowie bei ausgewählten Herstellungsprozessen in der Elektronik eingesetzt.

Auch beim Sputtern, einem Verfahren zur Herstellung dünner Schichten, spielt Argon eine wichtige Rolle. In einer Plasmaentladung werden Argonionen beschleunigt und auf ein sogenanntes Target gelenkt. Dabei lösen sie Atome aus dessen Oberfläche, die sich anschließend auf einem anderen Material als dünne Schicht abscheiden können.

Argon in Isolierglas

Argon wird außerdem als Füllgas zwischen den Scheiben moderner Wärmeschutzverglasungen verwendet. Im Vergleich zu gewöhnlicher Luft besitzt es eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Bei geeigneter Konstruktion trägt es deshalb dazu bei, den Wärmetransport durch die Verglasung zu verringern.

Argon ist für diese Anwendung attraktiv, weil es vergleichsweise gut verfügbar, farblos und chemisch reaktionsträge ist.

Flüssiges Argon in der Teilchenphysik

Eine besonders faszinierende Anwendung findet sich in großen wissenschaftlichen Detektoren. Flüssiges Argon kann als Nachweismedium für energiereiche Teilchen dienen.

Wenn geladene Teilchen durch flüssiges Argon fliegen, ionisieren sie Atome und erzeugen unter anderem Anregungen, die zu Lichtemission führen können. Die entstehenden elektrischen Ladungen und Lichtsignale lassen sich mit empfindlichen Messsystemen erfassen.

Solche Verfahren werden beispielsweise in der Neutrinoforschung eingesetzt. Argon ist damit nicht nur ein industrielles Schutzgas, sondern auch ein wichtiges Material für die Erforschung grundlegender physikalischer Vorgänge.

Welche Isotope besitzt Argon?

Natürlich vorkommendes Argon besteht hauptsächlich aus drei stabilen Isotopen:

• Argon-36 (³⁶Ar): ein stabiles Isotop mit 18 Protonen und 18 Neutronen.

• Argon-38 (³⁸Ar): ein stabiles Isotop mit 18 Protonen und 20 Neutronen.

• Argon-40 (⁴⁰Ar): ein stabiles Isotop mit 18 Protonen und 22 Neutronen; es dominiert das Argon der Erdatmosphäre.

Darüber hinaus gibt es radioaktive Argonisotope. Besonders wichtig ist Argon-39 (³⁹Ar), das unter anderem in der Umweltforschung und bei bestimmten Altersbestimmungen verwendet wird.

Wie funktioniert die Kalium-Argon-Datierung?

Die Kalium-Argon-Methode nutzt den radioaktiven Zerfall von Kalium-40. Ein Teil dieses Isotops wandelt sich mit der Zeit in Argon-40 um.

Wenn ein geeignetes Mineral bei seiner Entstehung oder Abkühlung zunächst kein radiogenes Argon-40 enthält beziehungsweise dieses entweichen kann, beginnt nach dem Schließen des Mineralsystems die Anreicherung des Zerfallsprodukts. Aus den gemessenen Isotopenverhältnissen lässt sich unter geeigneten Voraussetzungen das Alter bestimmen.

Die Methode ist besonders für die Datierung vulkanischer Gesteine und bestimmter Minerale von Bedeutung. Eine Weiterentwicklung ist die Argon-Argon-Datierung (⁴⁰Ar/³⁹Ar).

Ist Argon giftig oder gefährlich?

Argon ist nicht giftig, nicht brennbar und unterstützt selbst keine Verbrennung. Trotzdem ist der Umgang mit größeren Gasmengen nicht ungefährlich.

Die wichtigste Gefahr besteht darin, dass Argon den lebensnotwendigen Sauerstoff aus der Atemluft verdrängen kann. Besonders in geschlossenen Räumen, Behältern, Schächten oder schlecht belüfteten Arbeitsbereichen kann dadurch eine sauerstoffarme Atmosphäre entstehen.

Weil Argon weder riecht noch sichtbar ist, lässt sich diese Gefahr ohne geeignete Messgeräte nicht zuverlässig erkennen. In Arbeitsbereichen mit größeren Argonmengen sind deshalb ausreichende Belüftung, geeignete Sicherheitsmaßnahmen und gegebenenfalls Sauerstoffmessgeräte erforderlich.

Flüssiges Argon birgt zusätzlich die Gefahr schwerer Kälteverletzungen.

Welche Bedeutung hat Argon für den Menschen und die Umwelt?

Für den menschlichen Stoffwechsel besitzt Argon nach heutigem Kenntnisstand keine nachgewiesene essenzielle biologische Funktion. Anders als Sauerstoff wird es nicht für die Zellatmung benötigt und anders als Phosphor oder Magnesium ist es kein notwendiger Baustein biologischer Strukturen.

Beim Atmen gelangt Argon zusammen mit den übrigen Luftgasen in die Lunge und wird wieder abgegeben. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen ist es für den Menschen unproblematisch.

Ökologisch gilt Argon als weitgehend unreaktives Gas. Es ist weder ein bedeutendes Treibhausgas noch beteiligt es sich in nennenswertem Umfang an den üblichen chemischen Reaktionen der Atmosphäre.

Argon, Neon und Helium – was unterscheidet die Edelgase?

Alle drei Elemente gehören zur 18. Gruppe des Periodensystems und sind unter gewöhnlichen Bedingungen chemisch äußerst reaktionsträge. Dennoch unterscheiden sie sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften und Anwendungen.

Während Helium durch seinen extrem niedrigen Siedepunkt besonders für die Tieftemperaturtechnik geeignet ist, wurde Neon vor allem durch seine charakteristischen Gasentladungen bekannt. Argon wiederum besitzt eine große industrielle Bedeutung als Schutz- und Prozessgas.

Die unterschiedlichen Eigenschaften zeigen, dass Elemente einer gemeinsamen Gruppe zwar ähnliche chemische Merkmale aufweisen können, ihre physikalischen Eigenschaften aber keineswegs identisch sind.

Fünf interessante Fakten über Argon

1. Argon wurde durch eine winzige Messabweichung entdeckt. Der Unterschied zwischen der Dichte von Luftstickstoff und chemisch hergestelltem Stickstoff führte zur Entdeckung eines neuen Elements.

2. Argon ist häufiger als Kohlendioxid. In trockener Luft liegt der Argonanteil bei ungefähr 0,934 Prozent und damit deutlich über dem heutigen Kohlendioxidanteil.

3. Das meiste atmosphärische Argon ist radiogenen Ursprungs. Ein wesentlicher Teil des Argon-40 entstand über geologische Zeiträume aus Kalium-40.

4. Argon schützt glühende Metalle. Seine geringe Reaktivität macht es zu einem wichtigen Schutzgas bei Schweiß- und Metallverarbeitungsverfahren.

5. Argon hilft bei der Erforschung von Neutrinos. Große Detektoren mit flüssigem Argon ermöglichen die Untersuchung von Teilchen, die nur äußerst selten mit Materie wechselwirken.

Argon im Periodensystem verstehen

Argon ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie die Stellung eines Elements im Periodensystem seine chemischen Eigenschaften erklärt. Mit 18 Elektronen besitzt es eine vollständig besetzte äußere Elektronenschale und gehört deshalb zu den besonders reaktionsträgen Edelgasen.

Seine geringe Reaktivität macht Argon jedoch keineswegs nutzlos. Im Gegenteil: Als Schutzgas, Füllgas, Prozessgas und Detektormaterial ist es für zahlreiche technische und wissenschaftliche Anwendungen unverzichtbar.

Weitere Informationen zur Stellung von Argon, zur Elektronenverteilung und zu den benachbarten Elementen finden Sie im interaktiven Online-Periodensystem von blume.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9.

Wissenschaftliche Referenzen

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements. https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Argon – Standard Atomic Weights and Isotopic Compositions. https://ciaaw.org/

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database und Chemistry WebBook. https://www.nist.gov/

• Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Argon. https://www.rsc.org/periodic-table/element/18/argon

• Nobel Prize: The Nobel Prizes in Physics and Chemistry 1904. https://www.nobelprize.org/