Argon

Gdybyśmy wrócili pamięcią do wcześniejszych rozdziałów tej książki, a konkretnie do doświadczeń jakie przeprowadzał Henry Cavendish z gazami to można by wysnuć wniosek, że w roku 1785 odkrył on argon. Brzmi to paradoksalnie, ale jest prawdziwe. To właśnie Cavendish jako pierwszy zaobserwował podczas przepuszczania iskier elektrycznych przez gaz składający się z azotu i tlenu, że w zbiorniku pozostaje około 1/135 początkowej objętości gazu. Oczywiście nie był w stanie określić czym jest pozostały gaz, co stawia pod znakiem zapytania stwierdzenie „odkrył”. Podobne rozważania możemy przeprowadzić w stosunku do doświadczeń Boyla i Łomonosowa z lat 1660 i 1745, którzy „odkryli” wodór. Wracając do obserwacji Cavendisha, obecnie wiemy, że tym co pozostawało w naczyniach reakcyjnych była mieszanina gazów szlachetnych.

W latach osiemdziesiątych dziewiętnastego wieku W. Ramsay prowadził badania reakcji mieszanin gazów: azotu i wodoru oraz azotu i tlenu w obecności katalizatora platynowego. Nie znamy rezultatów tych badań, jako że Ramsay nigdzie ich nie opublikował, natomiast wspominał później, że w tym czasie w jego ręce wpadła biografia Henry Cavendisha napisana przez H. Wilsona. Uwagę Ramsaya zwrócił fragment dotyczący wspomnianego powyżej doświadczenia jakie przeprowadzał Cavendish. Ramsay poprosił o wykonanie takich doświadczeń swojego asystenta C. Williamsa. Doświadczenia prawdopodobnie zostały wykonane, ale ich wyniki nie zachowały się w pamięci Ramsaya. Prawdopodobnie nic z nich nie wyniknęło, albo też Sir Ramsay był zbyt zajęty innymi badaniami, aby zwrócić na nie baczniejszą uwagę.

W historii odkrycia argonu szczególną rolę odegrał angielski fizyk John William Strutt bardziej znany jako Lord Rayleigh, laureat nagrody Nobla z roku 1904, którą otrzymał za badania nad gęstością gazów i odkrycie argonu. Badania Lorda Rayleigha dotyczyły nie tylko gęstości gazów, ale wśród bardzo szerokiej tematyki zajmował się również wyznaczaniem mas atomowych pierwiastków. W tamtym czasie obowiązywała teoria stworzona przez Williama Prouta w roku 1815 głosząca, że atomy wszystkich pierwiastków są zbudowane z atomów wodoru. Ponieważ masę atomu wodoru uznawano za równą jedności, to masy atomów innych pierwiastków powinny być liczbami całkowitymi. Jednak wyniki pokazywały, że masy atomowe nie są całkowite, więc albo teoria Prouta była błędna albo są one wyznaczane błędnie. Lord Rayleigh chcąc rozwiązać ten problem skupił się na dokładnym wyznaczaniu gęstości gazów atmosferycznych, azotu i tlenu. Znając dokładnie gęstość gazów można w łatwy sposób wyznaczyć masę atomową pierwiastka, z którego gaz jest złożony. 29 września 1892 roku Rayleigh opublikował artykuł we wpływowym czasopiśmie angielskim Nature, w którym to artykule wskazał na drobną nieścisłość jaką zaobserwował wyznaczając gęstość gazowego azotu. Otóż azot atmosferyczny ma gęstość nieco większą, o około 0,001, od azotu otrzymanego laboratoryjnie w wyniku przepuszczania amoniaku nad rozżarzoną do czerwoności miedzią. Różnica w gęstościach, choć tak niewielka, nie znajdowała uzasadnienia w błędach pomiarowych. Po prostu azot atmosferyczny był cięższy od otrzymywanego laboratoryjnie przez rozkład amoniaku. Zresztą powtórzenie badań z wykorzystaniem innych źródeł azotu otrzymanego na drodze laboratoryjnej za każdym razem dawało ten sam wynik. Azot atmosferyczny był cięższy i zawsze o tę samą wartość.

Problemem zainteresował się Ramsay, a 19 kwietnia 1894 roku podczas spotkania z Lordem Rayleighem obydwoje uczeni przedyskutowali problem większego ciężaru azotu atmosferycznego. Przy czym obydwoje stanęli na dwóch odmiennych stanowiskach. Ramsay twierdził, że azot atmosferyczny zawiera domieszkę cięższego pierwiastka, a Lord Rayleigh, że chemiczne otrzymywany azot zawiera domieszki lżejszego gazu. Przypuszczenie Rayleigha było bardziej zrozumiałe, jako że powietrze badano od ponad stu lat i twierdzenie, że przez tak długi czas znajduje się w nim jakiś składnik, który nie został odkryty było mało prawdopodobne. Tutaj nasuwa się doświadczenie Cavendisha. Ramsay 29 kwietnia napisał w liście do żony, że azot prawdopodobnie zawiera domieszkę gazu obojętnego, którego obecność umykała jak dotąd jego uwagi; Williams usuwa azot za pomocą magnezu i próbuje określić co pozostaje w naczyniu reakcyjnym. List kończy stwierdzenie, „może odkryjemy nowy pierwiastek”. W trakcie badań Ramsay brał pod uwagę i taką możliwość, że ten nowy gaz nie jest kolejnym nieznanym pierwiastkiem a jedynie jakąś odmianą alotropową azotu, podobnie jak ozon jest odmianą tlenu. Podczas reakcji dwuatomowej cząsteczki azotu z magnezem tworzyłby się azot atomowy, a to indywiduum reagując z cząsteczką azotu prowadziłoby do powstawania azotu trójatomowego. Sprawdzenie tej koncepcji zajęło dwa miesiące badań, których wynik jednoznacznie wskazywał na to że azot trójatomowy, analog ozonu, nie istnieje. Z drugiej strony 3 sierpnia Ramsay dysponował 100 cm³ nowego gazu o czym poinformował Crookesa i Rayleigha. Do pierwszego z tych uczonych wysłał próbkę wyizolowanego gazu w celu przeprowadzenia badań spektroskopowych, a Rayleigh sam wyizolował niewielką jego ilość. W połowie sierpnia Ramsay i Rayleigh spotkali się na seminarium naukowym i wspólnie przedstawili raport ze swoich badań opisując jego właściwości spektroskopowe oraz chemiczną bierność. Przedstawiony raport wzbudził duże zainteresowanie, a wielu naukowców było zaskoczonych faktem, że powietrze zawiera jeszcze inny oprócz dobrze znanych składnik. Na seminarium, na którym obydwaj badacze przedstawili doniesienie na temat swojego odkrycia, znany fizyk brytyjski Sir Oliver Joseph Lodge zadał pytanie „Panowie, a czy odkryliście również nazwę dla tego nowego gazu?”

Trudności z nazwą nowego pierwiastka zostały rozwiązane na początku listopada gdy Ramsay zasugerował Rayleighowi nazwę – argon – pochodzącą od greckiego słowa αργόν (argon), będącego formą liczby pojedynczej rodzaju nijakiego słowa αργός (argos) czyli nieaktywny. Początkowo symbolem pierwiastka była litera A, który następnie został zmieniony na Ar. 30 listopada Lord Kelvin ogłosił oficjalnie odkrycie nowego składnika powietrza. Nowy pierwiastek sprawiał jednak dalsze problemy natury chemicznej. Jego całkowita bierność chemiczna utrudniała określenie jego właściwości. Mendelejew i szkocki fizyk James Dewar skłaniali się ku twierdzeniu, że odkryty gaz jest trójatomową formą azotu. 14 marca 1895 roku Mendelejew stwierdził, że masa atomowa argonu wynosząca 40 nie pasuje do układu okresowego, co wskazuje że gaz ten musi być odmianą alotropową azotu. Z drugiej strony badania wskazywały, że gaz ten występuje w formie atomowej, a nie cząsteczkowej. Dopiero odkrycie helu wyjaśniło sytuację wskazując na istnienie grupy gazów szlachetnych, dla których w układzie okresowym znaleziono osobne miejsce.