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アルゴンは化学元素であり、記号はAr、原子番号は18です。周期表の18族に属し、希ガスです。[ 11 ]アルゴンは地球の大気中で3番目に多く存在するガスで、0.934%（9340 ppmv ）です。水蒸気（平均約4000 ppmvですが、大きく変動します）の2倍以上、二酸化炭素（400 ppmv）の23倍、ネオン（18 ppmv）の500倍以上存在します。アルゴンは地殻で最も多く存在する希ガスで、地殻の0.00015%を占めています。
地球の大気中のアルゴンのほぼすべては、地殻中のカリウム40の崩壊によって生成された放射性アルゴン40である。宇宙においては、アルゴン36が圧倒的に最も一般的なアルゴン同位体であり、これは超新星爆発における恒星核合成によって最も容易に生成されるためである。
「アルゴン」という名前は、古代ギリシャ語のἀργόν （ ἀργόςの中性単数形）に由来し、「怠惰な」または「不活性な」という意味で、この元素がほとんど化学反応を起こさないという事実を表しています。最外殻に完全なオクテット（8個の電子）があるため、アルゴンは安定しており、他の元素との結合が起こりにくい性質を持っています。その三重点温度である83.8058 Kは、 1990年国際温度目盛における定義点となっています。
アルゴンは、液体空気の分留によって工業的に抽出されます。主に溶接などの高温工業プロセスにおいて、通常は反応しない物質が反応するようになる場合に、不活性シールドガスとして使用されます。例えば、黒鉛電気炉では、黒鉛の燃焼を防ぐためにアルゴン雰囲気が使用されます。また、白熱灯や蛍光灯、その他の放電管にも使用されます。特徴的な青緑色のガスレーザーを生成します。さらに、蛍光灯のグロースターターにも使用されます。
アルゴンは酸素とほぼ同じ水への溶解度を持ち、窒素よりも2.5倍水に溶けやすい。アルゴンは固体、液体、気体のいずれの状態でも無色、無臭、不燃性、無毒である。[ 12 ]アルゴンはほとんどの条件下で化学的に不活性であり、室温で安定な化合物を形成することは確認されていない。
アルゴンは希ガスですが、様々な極限条件下でいくつかの化合物を形成することがあります。アルゴンとフッ素、水素の化合物であるアルゴンフッ化水素化物（HArF）は、 17 K（-256.1 °C、-429.1 °F）以下で安定であることが実証されています。[ 13 ] [ 14 ]現在、アルゴンの基底状態における中性化合物はHArFに限られていますが、アルゴン原子が水分子の格子に閉じ込められると、アルゴンは水とクラスレートを形成することができます。 [ 15 ] ArH +などのイオン また、ArFなどの励起状態錯体も実証されている。理論計算では、安定であるはずのアルゴン化合物がさらにいくつか予測されているが[ 16 ]、まだ合成されていない。
アルゴン（古代ギリシャ語ἀργόν 、 ἀργόςの中性単数形、「怠惰な」または「不活性な」を意味する）は、その化学的不活性にちなんで名付けられました。最初に発見されたこの希ガスのこの化学的性質は、命名者たちに感銘を与えました。 [ 17 ] [ 18 ] 1785 年、ヘンリー・キャベンディッシュは、空気の成分として不活性ガスを疑っていました。[ 19 ]
アルゴンは、1894 年にロンドン大学ユニバーシティ・カレッジのレイリー卿とウィリアム・ラムゼー卿によって、清浄な空気のサンプルから酸素、二酸化炭素、水、窒素を除去することによって初めて空気から分離されました。 [ 20 ]彼らはまず、ヘンリー・キャベンディッシュの実験を再現することによってこれを実現しました。彼らは、大量の希薄アルカリ溶液 (B ) の上に逆さまにした試験管 (A) に、追加の酸素を加えた大気の混合物を閉じ込めました。キャベンディッシュの元の実験では、このアルカリ溶液は水酸化カリウムでした。 [ 19 ]そして、白金線電極の周囲を密閉する U 字型のガラス管 (CC) で絶縁されたワイヤーに電流を流し、ワイヤーの端 (DD) はガスに露出したままアルカリ溶液から絶縁されました。アークは、5 つのグローブセルと中サイズのルムコルフコイルのバッテリーによって駆動されました。アルカリは、アークによって生成された窒素酸化物と二酸化炭素を吸収しました。彼らは、ガスの体積減少が少なくとも1～2時間見られなくなり、ガスを調べた際に窒素のスペクトル線が消失するまでアーク放電を続けた。残った酸素はアルカリ性ピロガレートと反応し、一見反応性のないガスが残った。彼らはこれをアルゴンと呼んだ。
ガスを分離する前に、化学化合物から生成された窒素は、大気中の窒素よりも 0.5% 軽いことが判明した。その差はわずかであったが、何ヶ月にもわたって彼らの注意を引くほど重要なものであった。彼らは、空気中に窒素と混ざった別のガスが存在すると結論付けた。[ 21 ]アルゴンも 1882 年に HF ニューオールと WN ハートレーの独立した研究によって発見された。[ 22 ]それぞれが、既知の元素と一致しない空気の発光スペクトルの新しい線を観測した。
1957年以前は、アルゴンの記号は「A」でした。1957年に国際純正・応用化学連合が『無機化学の命名法』を出版した後、これはArに変更されました。 [ 23 ]
アルゴンは地球の大気の体積の0.934%、質量の1.288%を占めています。[ 24 ]空気は精製アルゴン製品の主要な工業的供給源です。アルゴンは分留によって空気から分離され、最も一般的な方法は極低温分留です。このプロセスでは、精製された窒素、酸素、ネオン、クリプトン、キセノンも生成されます。[ 25 ]地殻と海水には、それぞれ1.2 ppmと0.45 ppmのアルゴンが含まれています。[ 26 ]
地球上で見られるアルゴンの主な同位体は40である。Ar (99.6%)、36Ar（0.34％）、および38Ar (0.06%)。天然に存在する40K、半減期は1.25 × 109年間で、 40で安定する電子捕獲または陽電子放出によるAr (11.2%)および安定な40Ca (88.8%) はベータ崩壊によって失われます。これらの特性と比率は、K-Ar 年代測定法によって岩石の年代を決定するために使用されます。[ 26 ] [ 27 ]
地球の大気中では、39アルゴンは宇宙線活動によって生成され、主に40の原子核の中性子捕獲によって生成される。Arに続いて 2 個の中性子が放出される。地下環境では、39による中性子捕獲によっても生成される。K、続いて陽子放出が起こる。37Arは40による中性子捕獲によって生成される。地下核爆発の結果としてアルファ粒子放出に続いてCaが放出される。半減期は35日である。[ 27 ]
太陽系内の場所によって、アルゴンの同位体組成は大きく異なります。アルゴンの主な供給源が40の崩壊である場所では、岩石中のK 、 40地球上と同様に、アルゴンも主要な同位体となる。恒星核合成によって直接生成されるアルゴンは、アルファ過程核種であるアルゴン36が主成分である。Ar。同様に、太陽アルゴンには84.6%の36が含まれています。Ar （太陽風測定による）[ 28 ] 、外惑星の大気中の3つの同位体36Ar ：38Ar ：40Arの比率は8400 ：1600：1である[ 29 ]。これは、原始36Arの存在量が少ないこととは対照的である。 地球の大気中のアルゴン濃度はわずか31.5 ppmv（= 9340 ppmv × 0.337%）で、地球上のネオン濃度（18.18 ppmv）や惑星間ガス濃度と同程度であり、探査機によって測定されている。
火星、水星、タイタン（土星最大の衛星）の大気にはアルゴンが含まれており、そのほとんどが40%の酸素原子として存在している。Ar . [ 30 ]
放射性40の優勢アルゴン（Ar）は、地球上のアルゴンの標準原子量が次の元素であるカリウムの原子量よりも大きい理由であり、アルゴンが発見された当時はこれが謎でした。メンデレーエフは周期表に元素を原子量の順に並べましたが、アルゴンの不活性性から、反応性の高いアルカリ金属よりも前に配置すべきだと考えられました。ヘンリー・モーズリーは後に、周期表は実際には原子番号の順に並んでいることを示すことでこの問題を解決しました（周期表の歴史を参照）。
アルゴンの完全なオクテット電子は、s および p サブシェルが満たされていることを示しています。この完全な価電子殻により、アルゴンは非常に安定しており、他の元素との結合に対して極めて抵抗力があります。1962 年以前は、アルゴンと他の希ガスは化学的に不活性で化合物を形成できないと考えられていましたが、その後、より重い希ガスの化合物が合成されました。タングステンペンタカルボニルとの最初のアルゴン化合物、W(CO) 5 Ar は 1975 年に単離されました。しかし、当時は広く認識されていませんでした。[ 31 ] 2000 年 8 月、ヘルシンキ大学の研究者によって、少量のフッ化水素とヨウ化セシウムを含む凍結アルゴンに紫外線を照射することにより、別のアルゴン化合物であるアルゴンフルオロヒドリド(HArF) が形成されました。この発見により、アルゴンが弱い結合化合物を形成できることが認識されましたが、これが最初の発見ではありませんでした。[ 14 ] [ 32 ] 17ケルビン (-256 °C)まで安定です。カルボニル フッ化物およびホスゲンと価電子的に等価な準安定 ArCF 2+ 2 ジカチオンは2010年に観測されました。[ 33 ]アルゴン 36 は、アルゴン水素化物 (アルゴニウム) イオンの形で、かに星雲超新星に関連する星間物質で検出されました。これは、宇宙空間で検出された最初の希ガス分子でした。[ 34 ]
固体アルゴン水素化物（Ar(H 2 ) 2 ）は、MgZn 2ラーベス相と同じ結晶構造を持つ。これは 4.3 ～ 220 GPa の圧力で形成されるが、ラマン測定によると、Ar(H 2 ) 2中のH 2分子は175 GPa 以上で解離することが示唆されている。[ 35 ]
アルゴンは、極低温空気分離装置で液体空気を分留することによって工業的に抽出されます。このプロセスでは、 77.3 Kで沸騰する液体窒素を、87.3 Kで沸騰するアルゴンと90.2 Kで沸騰する液体酸素から分離します。世界中で毎年約70万トンのアルゴンが生産されています。 [ 26 ] [ 36 ]
アルゴンにはいくつかの望ましい特性があります。
他の希ガスもこれらの用途のほとんどに同様に適していますが、アルゴンは群を抜いて安価です。アルゴンは空気中に自然に存在し、液体酸素や液体窒素の製造における極低温空気分離の副産物として容易に得られるため、安価です。空気の主要成分は大規模な工業生産に利用されています。他の希ガス（ヘリウムを除く）も同様の方法で生産されますが、アルゴンは圧倒的に豊富です。アルゴンの用途の大部分は、単に不活性で比較的安価であるという理由によるものです。
アルゴンは、通常は反応しない物質が反応するようになる高温の工業プロセスにおいて使用されます。例えば、黒鉛電気炉では、黒鉛の燃焼を防ぐためにアルゴン雰囲気が使用されます。
これらのプロセスの中には、窒素ガスや酸素ガスの存在によって材料に欠陥が生じる場合がある。アルゴンは、ガス金属アーク溶接やガスタングステンアーク溶接などのアーク溶接、およびチタンやその他の反応性元素の加工に使用される。また、シリコンやゲルマニウムの結晶成長にもアルゴン雰囲気が用いられる。
アルゴンは、家禽産業において、疾病発生後の大量殺処分や、電気ショックによる気絶よりも人道的な屠殺方法として、鳥を窒息死させるために使用される。アルゴンは空気よりも密度が高く、不活性ガスによる窒息死の際に地面付近の酸素を押し出す。[ 37 ]アルゴンは反応性が低いため食品に適しており、死んだ鳥の体内の酸素を置き換えるため、保存期間も延びる。[ 38 ]
アルゴンは、貴重な機器が水や泡によって損傷を受ける可能性がある火災の消火に使用されることがある。 [ 39 ]
液体アルゴンは、ニュートリノ実験や暗黒物質の直接探索の標的として使用されます。仮説上のWIMPとアルゴン原子核との相互作用により、光電子増倍管で検出されるシンチレーション光が生成されます。アルゴンガスを含む二相検出器は、WIMPと原子核の散乱中に生成される電離電子を検出するために使用されます。他のほとんどの液化希ガスと同様に、アルゴンは高いシンチレーション光収量（約51光子/keV [ 40 ]）を持ち、自身のシンチレーション光に対して透明であり、比較的容易に精製できます。キセノンと比較すると、アルゴンは安価であり、独特のシンチレーション時間プロファイルを持つため、電子反跳と原子核反跳を分離できます。一方、アルゴンの固有のベータ線バックグラウンドは、39地下源からのアルゴンを使用しない限り、アルゴン汚染ははるかに少ない。39アルゴン汚染。地球の大気中のアルゴンの大部分は、長寿命の40の電子捕獲によって生成された。K（40）K + e − → 40地球内部の天然カリウム中に存在するAr + ν) 39大気中のアルゴン活性は、ノックアウト反応による宇宙線生成によって維持される。40Ar (n,2n) 39Arおよび類似の反応。39の半減期Arの寿命はわずか269 年です。その結果、岩や水に遮られた地下のArは、39年よりもはるかに短いのです。アルゴン汚染。[ 41 ]現在液体アルゴンを使用して動作している暗黒物質検出器には、DarkSide、WArP、ArDM、microCLEAN、DEAPなどがあります。ニュートリノ実験には、ICARUSとMicroBooNEがあり、どちらも高純度液体アルゴンを時間投影チャンバーで使用して、ニュートリノ相互作用の微細な3次元イメージングを行っています。
スウェーデンのリンシェーピング大学では、不活性ガスが真空チャンバー内で利用され、プラズマが導入されて金属膜をイオン化している。[ 42 ]このプロセスにより、コンピュータプロセッサの製造に使用できる膜が得られる。この新しいプロセスにより、化学浴や高価で危険な希少材料の使用が不要になる。
アルゴンは、包装材内の酸素や水分を含む空気を置換して内容物の保存期間を延ばすために使用されます（アルゴンは欧州食品添加物コードE938です）。空気酸化、加水分解、および製品を劣化させるその他の化学反応は遅延または完全に防止されます。高純度の化学物質や医薬品は、アルゴンで包装および密封されることがあります。[ 43 ]
ワイン醸造において、アルゴンは様々な工程で使用され、液面における酸素の侵入を防ぐバリアとして機能します。酸素は、酢酸菌などの微生物の代謝や一般的な酸化還元反応を促進することで、ワインを劣化させる可能性があるからです。
アルゴンは、エアゾール缶の噴射剤として使用されることがある。
アルゴンは、容器内の空気を置換して保管準備を行うことで、ニス、ポリウレタン、塗料などの製品の防腐剤としても使用されます。 [ 44 ]
2002年以来、アメリカ国立公文書館は、独立宣言や憲法などの重要な国家文書を、劣化を防ぐためにアルゴンガスを充填したケースに保管している。アルゴンは、それまでの50年間使用されていたヘリウムよりも好ましい。なぜなら、ヘリウムガスはほとんどの容器の分子間孔から漏れ出し、定期的に交換する必要があるからである。[ 45 ]
アルゴンは、シュレンクラインやグローブボックス内の不活性ガスとして使用できます。窒素が試薬や装置と反応する可能性がある場合、より安価な窒素よりもアルゴンの方が好ましいです。
アルゴンは、ガスクロマトグラフィーやエレクトロスプレーイオン化質量分析法におけるキャリアガスとして使用されるほか、 ICP分光法で使用されるプラズマのガスとしても最適です。走査型電子顕微鏡用の試料のスパッタコーティングにもアルゴンが好んで用いられます。また、マイクロエレクトロニクスにおける薄膜のスパッタ成膜や、マイクロファブリケーションにおけるウェーハ洗浄にもアルゴンガスは広く使用されています。
凍結療法などの凍結手術では、液体アルゴンを使用して癌細胞などの組織を破壊します。これは、「アルゴン強化凝固」と呼ばれるアルゴンプラズマビーム電気手術の一種で使用されます。この処置にはガス塞栓症を引き起こすリスクがあり、少なくとも1人の患者の死亡につながっています。[ 46 ]
青色アルゴンレーザーは、手術において動脈の溶接、腫瘍の破壊、眼の欠陥の矯正などに使用されます。[ 26 ]
アルゴンは、血液から溶解した窒素の除去を促進するために、アルゴックスとして知られる呼吸または減圧混合ガス中の窒素を置き換える実験にも使用されている。 [ 47 ]
白熱灯には、高温下でフィラメントが酸化するのを防ぐためにアルゴンガスが充填されています。アルゴンは、その特有のイオン化と発光特性を利用して、実験的な素粒子物理学におけるプラズマ球や熱量測定などに用いられています。純粋なアルゴンガスを充填した放電ランプは薄紫色の光を発し、アルゴンと少量の水銀を混合したものは青色の光を発します。アルゴンは、青色および緑色のアルゴンイオンレーザーにも使用されています。
アルゴンは、エネルギー効率の高い窓の断熱材として使用されています。[ 48 ]また、アルゴンは不活性で熱伝導率が低いため、テクニカルスキューバダイビングでドライスーツを膨らませるためにも使用されています。[ 49 ]
アルゴンは、可変比推力マグネトプラズマロケット（VASIMR）の開発において推進剤として使用されています。圧縮されたアルゴンガスは膨張し、 AIM-9サイドワインダーミサイルの一部のバージョンや、冷却式熱シーカーヘッドを使用する他のミサイルのシーカーヘッドを冷却します。ガスは高圧で貯蔵されます。[ 50 ]
半減期が269年のアルゴン39は、主に氷床コアや地下水の年代測定など、多くの用途に使用されています。また、カリウム-アルゴン年代測定法や関連するアルゴン-アルゴン年代測定法は、堆積岩、変成岩、火成岩の年代測定に使用されています。[ 26 ]
アルゴンは、低酸素状態をシミュレートするドーピング剤としてアスリートによって使用されてきました。2014年、世界アンチ・ドーピング機構（WADA）は、アルゴンとキセノンを禁止物質および禁止方法のリストに追加しましたが、現時点では乱用を確実に検出できる検査はありません。[ 51 ]
アルゴンは無毒ですが、空気より38%密度が高いため、密閉空間では危険な窒息性物質とみなされます。無色、無臭、無味であるため、検出が困難です。1994年にアラスカで建設中の石油パイプのアルゴン充填区間に入った男性が窒息死した事故は、密閉空間でのアルゴンタンクの漏洩の危険性を浮き彫りにし、適切な使用、保管、取り扱いの必要性を強調しています。[ 52 ]
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