Argon Ar

Il contesto scientifico dell'epoca

Prima di raccontare come lo si è trovato conviene stabilire quanto ce ne sia, perché è la cifra che rende la storia quasi incredibile. L'argon è il terzo gas più abbondante dell'atmosfera terrestre: lo 0,934 per cento in volume, l'1,288 per cento in massa. Messo a confronto con ciò che di solito consideriamo componente dell'aria, è più del doppio del vapore acqueo — che in media sta intorno alle quattromila parti per milione, pur variando moltissimo — ed è ventitré volte più abbondante dell'anidride carbonica. Rispetto al neon, l'altro gas nobile dell'aria, è più di cinquecento volte più comune. In ogni respiro che facciamo c'è circa un per cento di un elemento che per tutto l'Ottocento nessun chimico ha mai visto.

C'è però una particolarità che distingue l'argon da ogni altro gas nobile, e riguarda la sua provenienza. Quasi tutto l'argon dell'atmosfera terrestre è argon-40 radiogenico, derivato dal decadimento del potassio-40 nella crosta: il 99,6 per cento di quello che respiriamo è, letteralmente, cenere radioattiva risalita dal sottosuolo. Nell'universo, invece, l'isotopo di gran lunga più comune è l'argon-36, perché è il più facilmente prodotto dalla nucleosintesi stellare nelle supernove. La conseguenza è vertiginosa: l'argon che c'è sulla Terra non è lo stesso argon che c'è nel cosmo. Confrontare le proporzioni fra gli isotopi di un corpo celeste significa quindi leggere quanto potassio abbia avuto e per quanto tempo — una firma geologica scritta in un gas che non reagisce con niente.

Le sue proprietà fisiche compongono un ritratto coerente. È incolore, inodore, non infiammabile e non tossico, allo stato solido come liquido come gassoso; è chimicamente inerte nella maggior parte delle condizioni e a temperatura ambiente non forma alcun composto stabile confermato. Per strappargli un elettrone servono 1520,6 chilojoule per mole — meno che all'elio, di cui questo vault ha appena raccontato la storia, ma pur sempre una cifra che lo colloca fra gli atomi più restii a cedere qualcosa. Un dettaglio meno prevedibile riguarda l'acqua: l'argon vi si scioglie all'incirca quanto l'ossigeno, ed è due volte e mezzo più solubile dell'azoto. Anche l'acqua che beviamo, insomma, contiene un po' di questo gas che non fa nulla.

La ragione di tanta indifferenza si legge in una riga di configurazione elettronica. L'argon ha il guscio esterno occupato da otto elettroni — l'ottetto completo, 3s² 3p⁶ sopra il nocciolo del neon — e questo lo rende stabile e resistente a legarsi con altri elementi. È la stessa spiegazione che vale per tutta la famiglia: l'inerzia dei gas nobili, cioè la loro tendenza a non reagire con altre sostanze chimiche, deriva dal fatto che il loro guscio di valenza è pieno, e un guscio pieno toglie ogni ragione di partecipare a una reazione. Di composti dei gas nobili se ne conoscono in tutto poche centinaia. E la fonte formula in modo cristallino il principio che regge quasi tutti gli usi industriali di questo elemento: l'inerzia dei gas nobili li rende utili ogni volta che le reazioni chimiche sono indesiderate.

La colonna che l'argon ha costretto ad aprire conta oggi sei membri certi e un settimo discusso: elio, neon, argon, cripton, xenon, radon e, in certi casi, oganesson. I primi sei sono in condizioni standard gas monoatomici incolori e inodori, con reattività chimica bassissima e punti di ebollizione criogenici — tutti sotto i 165 kelvin, perché la forza intermolecolare fra atomi di gas nobile è la debolissima dispersione di London: atomi che non hanno nulla da offrirsi fanno fatica persino a restare liquidi. Il caso dell'oganesson è il più curioso e chiude il cerchio in modo beffardo: per effetti relativistici si prevede che sia solido in condizioni standard e abbastanza reattivo da non qualificarsi funzionalmente come «nobile». La colonna nata per accogliere ciò che non reagisce finisce, in fondo, con un elemento che forse reagisce.

Anche il nome della famiglia ha una storia, e l'argon ne ha fatto scartare uno. L'espressione «gas nobile» traduce il sostantivo tedesco Edelgas, usato per la prima volta nel 1900 da Hugo Erdmann per indicarne l'estrema scarsa reattività, in analogia con i metalli nobili, che altrettanto poco reagiscono. Si è detto a lungo anche «gas inerti», ma l'etichetta è ormai sconsigliata, perché di composti dei gas nobili oggi se ne conoscono parecchi. Si è provato pure con «gas rari», e qui entra in scena il nostro: quel termine è inesatto proprio perché l'argon costituisce una parte tutt'altro che trascurabile dell'atmosfera terrestre, lo 0,94 per cento in volume e l'1,3 in massa. Il gas che nessuno vedeva è troppo abbondante per lasciarsi chiamare raro.

Per sessantotto anni i gas nobili furono considerati incapaci di formare composti, e la fine di quel dogma si deve a una coincidenza numerica notata da un uomo solo. Nel 1962 Neil Bartlett, insieme al dottorando Derek Lohmann, scoprì che una miscela di esafluoruro di platino gassoso e ossigeno formava un solido rosso, che si rivelò essere esafluoroplatinato di diossigenile. Bartlett si accorse che l'energia di ionizzazione dell'ossigeno molecolare, 1175 chilojoule per mole, era molto vicina a quella dello xenon, 1170. Le sue parole, riportate dalla fonte, hanno la brevità delle intuizioni vere: «Immediatamente mi resi conto che i gas nobili più pesanti avevano potenziali di ionizzazione simili a quello dell'O₂». Se l'esafluoruro di platino strappava un elettrone all'ossigeno, doveva poterlo strappare anche allo xenon.

L'argon resistette altri trentotto anni. Il suo unico composto noto è il fluoroidruro di argon, HArF, e la scoperta è attribuita a un gruppo di scienziati finlandesi guidati da Markku Räsänen, che ne diedero annuncio il 24 agosto 2000 — sulle pagine di Nature, ancora una volta la rivista fondata da Lockyer. Quella scoperta fece riconoscere che anche l'argon può formare composti debolmente legati, pur non essendo il primo composto ottenuto con un gas nobile. La misura della sua fragilità sta in un solo numero: è stabile fino a diciassette kelvin, e sopra i meno duecentocinquantasei gradi si decompone. Esiste, ma soltanto in un mondo che noi non abitiamo.

C'è un compito che l'argon svolge e che nessun altro elemento potrebbe svolgere altrettanto bene, e discende proprio dalla sua indifferenza. La temperatura del suo punto triplo — 83,8058 kelvin, alla pressione di 68,89 kilopascal — è un punto fisso di definizione nella Scala Internazionale di Temperatura del 1990. Un punto triplo è la condizione in cui solido, liquido e vapore coesistono in equilibrio, e si verifica a una temperatura e a una pressione uniche per ogni sostanza: è quindi un riferimento naturale, riproducibile in qualunque laboratorio del mondo senza doverlo confrontare con un campione. Perché funzioni, però, la sostanza deve essere ottenibile pura e non deve reagire con il contenitore né alterarsi nel tempo. L'elemento che per un secolo era rimasto invisibile perché non fa nulla è oggi uno dei chiodi a cui l'umanità appende la propria scala delle temperature.

La vicenda umana

La storia comincia centonove anni prima della scoperta, e comincia con un dato giusto che nessuno seppe dove mettere. Nel 1785 Henry Cavendish fece scoccare scintille elettriche nell'aria per far combinare i suoi componenti, e una volta determinate le quantità di aria flogisticata — cioè azoto — e di aria deflogisticata — cioè ossigeno — gli restava un volume di gas che non aveva reagito, pari a un centoventesimo del volume originario di azoto. Non lo nascose e non lo arrotondò: lo registrò. Le sue misure accurate lo portarono alla conclusione che «l'aria comune consiste di una parte di aria deflogisticata mescolata a quattro di flogisticata». Negli anni Novanta dell'Ottocento, circa un secolo dopo, Ramsay e Rayleigh capirono che di quel residuo problematico era responsabile il gas inerte che avevano appena scoperto. La fonte chiude la questione con cinque parole che sono una riabilitazione postuma: non aveva commesso un errore.

L'approfondimento dell'idrogeno aveva presentato Henry Cavendish come l'uomo che scoprì moltissimo e non pubblicò quasi nulla; il residuo del 1785 è il caso più clamoroso di quella reticenza, e vale la pena completare il ritratto. Aveva ereditato due fortune tanto grandi che Jean Baptiste Biot lo definì «il più ricco di tutti i sapienti e il più sapiente dei ricchi», e alla morte risultava il maggiore depositante della Banca d'Inghilterra. Era però profondamente timido: a disagio in società, la evitava quando poteva, riusciva a parlare con una persona sola alla volta e soltanto se la conosceva ed era un uomo. Con le domestiche comunicava unicamente tramite biglietti, e secondo un racconto fece aggiungere alla propria casa una scala sul retro per non incontrare la governante. Il suo unico sbocco sociale era il club della Royal Society, e agli ospiti che volessero rivolgergli la parola si consigliava di avvicinarglisi e poi parlare «come nel vuoto». Un uomo così non corre a proclamare di aver trovato un centoventesimo di gas inspiegabile.

E Cavendish non fu l'unico ad arrivarci vicino. L'argon fu incontrato anche nel 1882, per opera di ricerche indipendenti di H. F. Newall e W. N. Hartley: ciascuno dei due osservò righe nuove nello spettro di emissione dell'aria. Dodici anni prima della scoperta ufficiale, dunque, due persone avevano davanti agli occhi la firma spettrale di un elemento sconosciuto e non ne fecero nulla. Sono già due occasioni mancate, e la terza — quella buona — stava per cominciare con una bilancia.

Tutto comincia da una differenza che quasi chiunque altro avrebbe archiviato come errore sperimentale. Prima ancora di isolare il gas, Rayleigh e Ramsay avevano stabilito che l'azoto prodotto a partire da composti chimici era dello 0,5 per cento più leggero di quello ricavato dall'atmosfera. La fonte lo dice con una sobrietà che vale la pena riportare: la differenza era lieve, ma abbastanza importante da attrarre la loro attenzione per molti mesi. Molti mesi su mezzo punto percentuale. La conclusione a cui arrivarono è quella che nessuno aveva tratto prima: che nell'aria ci fosse un altro gas mescolato all'azoto.

Conviene sapere chi fosse l'uomo che si intestardì su quel mezzo punto percentuale, perché aiuta a capire perché non lasciò perdere. John William Strutt, terzo barone Rayleigh, era un fisico britannico e un pari ereditario; aveva studiato sotto James Clerk Maxwell, George Stokes ed Edward Routh, e fra i suoi allievi ci sarebbe stato J. J. Thomson. Nel 1871 aveva pubblicato il primo trattamento teorico della diffusione elastica della luce da parte di particelle molto più piccole della lunghezza d'onda: il fenomeno che oggi porta il suo nome e che spiega perché il cielo è azzurro. Era, insomma, uno che di proprietà dell'aria si intendeva già parecchio. Nel 1904 avrebbe ricevuto il Nobel per la fisica proprio per la scoperta dell'argon.

Il modo in cui cercarono quel gas è insieme moderno e antiquario: rifecero l'esperimento di centonove anni prima. L'argon fu isolato dall'aria per la prima volta nel 1894, allo University College di Londra, rimuovendo da un campione di aria pulita l'ossigeno, l'anidride carbonica, l'acqua e l'azoto; e il primo modo in cui ci riuscirono fu replicare proprio l'esperimento di Cavendish. Intrappolarono una miscela di aria atmosferica e ossigeno aggiuntivo in una provetta capovolta sopra una grande quantità di soluzione alcalina diluita — nell'esperimento originale era idrossido di potassio — e vi fecero passare una corrente elettrica attraverso fili isolati da tubi di vetro a U.

La scintilla faceva combinare l'azoto con l'ossigeno, e i prodotti venivano assorbiti dalla soluzione alcalina: il volume del gas diminuiva, e si continuava per ore. A un certo punto il volume smetteva di calare e restava visibile per almeno un'ora o due, mentre le righe spettrali dell'azoto sparivano dall'analisi. L'ossigeno rimasto veniva fatto reagire con pirogallato alcalino, e quel che restava era un gas apparentemente non reattivo che chiamarono argon. Si noti il metodo: esattamente come per l'azoto di Rutherford, raccontato altrove in questo vault, l'elemento non fu ottenuto aggiungendo qualcosa ma togliendo tutto il resto — con la differenza che stavolta il residuo non era una sostanza sola.

Su come esattamente si sia proceduto le fonti non dicono tutte la stessa cosa, e la divergenza merita di essere segnalata anziché appianata. La nota base di questo vault racconta che i due lavorarono per due strade distinte: Rayleigh con le scintille elettriche in presenza di ossigeno e di una soluzione alcalina, e Ramsay facendo passare ripetutamente l'azoto atmosferico su magnesio incandescente, che lo assorbe formando nitruro. È una ricostruzione diffusa e coerente con la chimica dell'epoca. La voce enciclopedica dedicata all'elemento, però, descrive un solo procedimento, quello per replica dell'esperimento di Cavendish, e non nomina mai il magnesio. Questo approfondimento si attiene a ciò che la fonte consultata afferma, e registra che sul secondo metodo le due ricostruzioni non coincidono: non perché una sia falsa, ma perché quanto si legge qui dev'essere sostenuto dalla fonte che si cita.

Il nome è una presa d'atto, e quasi un'ammissione di sconfitta. Argon viene dal greco antico ἀργόν, forma del neutro singolare di ἀργός, che significa «pigro» o «inattivo», in riferimento al fatto che l'elemento non subisce quasi alcuna reazione chimica. La fonte aggiunge un dettaglio che dice molto sull'effetto che fece: questa proprietà del primo gas nobile a essere scoperto impressionò chi lo battezzò. Val la pena confrontarlo con l'elio, raccontato in queste pagine poco fa: quello prese il nome dal Sole, dal luogo grandioso in cui era stato trovato; questo prende il nome da ciò che si rifiuta di fare. Due gas nobili, due battesimi opposti — l'uno celebra dove sta, l'altro constata che non combina nulla.

Il problema che l'argon pose non era dove metterlo: era che mancava il posto. Con quella scoperta si capì che dalla tavola periodica mancava una classe intera di gas. La conferma arrivò dall'autorità più alta possibile: nel 1902 Dmitrij Mendeleev, avendo accettato le prove relative all'elio e all'argon, incluse questi gas nobili come gruppo zero nella propria disposizione degli elementi. Non un ripensamento marginale: l'uomo che aveva costruito la tavola sulla capacità degli elementi di combinarsi le aggiunse una colonna di elementi che non si combinano. Ramsay intanto proseguiva la ricerca per distillazione frazionata dell'aria liquida e nel 1898 scopriva cripton, neon e xenon, battezzandoli con le parole greche per «nascosto», «nuovo» e «straniero».

Il problema più profondo che l'argon pose non fu trovargli una colonna, ma che il suo peso non tornava. La predominanza dell'argon-40 radiogenico fa sì che il peso atomico standard dell'argon terrestre sia maggiore di quello dell'elemento che lo segue, il potassio — un fatto che al momento della scoperta risultava sconcertante. Mendeleev aveva disposto gli elementi in ordine di peso atomico, ma l'inerzia dell'argon imponeva di collocarlo prima del reattivissimo metallo alcalino: le due regole davano risposte opposte. A sciogliere il nodo fu più tardi Henry Moseley, dimostrando che la tavola periodica è in realtà ordinata per numero atomico e non per peso. È forse il lascito più grande di questo elemento: un gas che non reagisce con nulla ha contribuito a far capire su che cosa sia davvero costruita la tavola periodica.

Il riconoscimento arrivò nel 1904 e fu doppio, in un modo che descrive con precisione come la scoperta era stata fatta. A Ramsay andò il Nobel per la chimica, con la motivazione «in riconoscimento dei suoi servizi nella scoperta degli elementi gassosi inerti dell'aria»; allo stesso Rayleigh, suo collaboratore, andò nello stesso anno il Nobel per la fisica, per la scoperta dell'argon. Due premi diversi, due discipline diverse, un solo gas. La divisione non è burocratica: rispecchia il fatto che l'anomalia fu trovata pesando — mestiere da fisico — e che il gas fu separato e identificato per via chimica. Nell'approfondimento dell'elio questa coppia di premi era comparsa di sfuggita; qui è il punto di arrivo, perché l'argon è l'elemento per cui furono assegnati.

Le due carriere si chiusero in modo molto diverso, e il contrasto dice qualcosa sui due mestieri. Rayleigh, nato a Maldon nel 1842, divenne trentanovesimo presidente della Royal Society dal 1905 al 1908 e cancelliere dell'Università di Cambridge dal 1908 fino alla morte, avvenuta a Witham nel 1919 a settantasei anni: onorificenze, cariche accademiche, l'Ordine al Merito, un'intera famiglia di fenomeni fisici che porta il suo nome. Ramsay, nato a Glasgow nel 1852, insegnò a Glasgow, a Bristol e infine allo University College di Londra dal 1887 al 1913, e morì a High Wycombe nel 1916, a soli sessantatré anni. La voce enciclopedica lo ricorda anzitutto per aver scoperto i gas nobili, e subito dopo per il grasso Ramsay, che porta il suo nome come la scuola intitolatagli a Hazlemere e come il dipartimento di ingegneria chimica che lo University College London gli dedicò nel 1923. Morì di tumore nasale, e gli fu eretto un monumento nell'abbazia di Westminster. Il chimico che ha aggiunto una colonna alla tavola periodica è ricordato anche per un grasso da laboratorio, ed è un accostamento che gli somiglia.

L'impatto industriale e sociale

L'approfondimento dell'azoto si era chiuso promettendo di tornare nell'impianto di separazione dell'aria da un'altra porta, ed eccola. L'argon si estrae industrialmente per distillazione frazionata dell'aria liquida in un'unità criogenica, e il principio è di una semplicità meccanica: l'azoto liquido bolle a 77,3 kelvin, l'argon a 87,3 e l'ossigeno liquido a 90,2. Dieci gradi separano un prodotto dall'altro, e l'argon esce esattamente in mezzo ai due gas di cui questo vault ha già raccontato la storia. La produzione mondiale si aggira sulle settecentomila tonnellate l'anno. Nessuno lo estrae da un giacimento e nessuno lo compra da un paese: lo si prende dall'aria, dovunque si trovi un impianto.

Le ragioni per cui lo si usa sono quattro, e la fonte le elenca con una franchezza che vale la pena riportare intera. L'argon è un gas chimicamente inerte. È l'alternativa più economica quando l'azoto non è sufficientemente inerte. Ha una bassa conducibilità termica. E ha proprietà elettroniche — ionizzazione, spettro di emissione — desiderabili per certe applicazioni. Poi arriva l'ammissione che ridimensiona tutto: anche gli altri gas nobili andrebbero ugualmente bene per la maggior parte di questi impieghi. Il primato dell'argon non è chimico ma economico: è l'unico gas nobile che l'atmosfera contenga in quantità tale da renderlo a buon mercato. Chi lavora con l'argon ha scelto il gas che costa meno, fra quelli che non fanno nulla.

Che l'argon fosse indispensabile lo si capisce meglio guardando quarant'anni di tentativi falliti. L'idea di saldare in atmosfera inerte venne a C. L. Coffin nel 1890 — quattro anni prima che l'argon fosse scoperto — ma ancora ai primi del Novecento saldare materiali non ferrosi come l'alluminio e il magnesio restava difficile, perché questi metalli reagiscono rapidamente con l'aria e il risultato erano cordoni porosi e pieni di scorie. I procedimenti con elettrodi rivestiti di flusso non proteggevano a sufficienza la zona di saldatura dalla contaminazione. La soluzione arrivò all'inizio degli anni Trenta con l'impiego di gas inerti in bombola, e pochi anni dopo un processo a corrente continua con schermatura gassosa comparve nell'industria aeronautica per saldare il magnesio. Un'idea rimasta impraticabile per una generazione aspettava, senza saperlo, che qualcuno trovasse il gas giusto e imparasse a imbottigliarlo.

Il procedimento che ne nacque porta il gas nel nome: saldatura TIG, cioè tungsten inert gas — e si chiama heliarc quando al posto dell'argon si usa l'elio. È un processo ad arco con elettrodo di tungsteno non consumabile, in cui la zona di saldatura e l'elettrodo sono protetti dall'ossidazione e da ogni contaminazione atmosferica da un gas di schermatura inerte. Dà all'operatore un controllo maggiore rispetto alle tecniche concorrenti e permette saldature più resistenti e di qualità più alta. Negli anni Cinquanta alcuni provarono a sostituire l'atmosfera costosa di argon ed elio con l'anidride carbonica: si rivelò inaccettabile per alluminio e magnesio perché peggiorava la qualità del cordone, e qualunque gas contenente un composto dell'ossigeno contamina rapidamente l'elettrodo di tungsteno. Sotto l'arco, l'unica cosa che si può permettere di stare attorno al metallo fuso è qualcosa che non abbia nulla da offrirgli. È anche l'impiego che assorbe la quota maggiore di quelle settecentomila tonnellate l'anno.

C'è una frase nella voce enciclopedica che spiega, meglio di qualunque elenco, perché l'argon serva: lo si usa nei processi industriali ad alta temperatura «dove sostanze ordinariamente non reattive diventano reattive». È il punto cruciale. A temperatura ambiente moltissimi materiali convivono tranquillamente con l'aria; a mille gradi non più. L'esempio che la fonte porta è illuminante: nei forni elettrici a grafite si crea un'atmosfera di argon per impedire alla grafite di bruciare — cioè per impedire al carbonio di fare la cosa più naturale del mondo in presenza di ossigeno. Lo stesso principio vale per lo spegnimento degli incendi dove l'acqua o la schiuma danneggerebbero apparecchiature di valore: nelle sale server si spegne con bombole di argon, che soffoca la fiamma senza bagnare nulla.

L'idea del doppio vetro è più vecchia dell'argon, e nacque dove serviva davvero. Il primo uso documentato risale forse alla Siberia, dove Henry Seebohm lo osservò nel 1877 come una necessità ormai consolidata nella zona di Enisejsk, dove le temperature invernali scendono regolarmente sotto i cinquanta gradi sottozero. Diciassette anni prima che l'argon venisse scoperto, dei contadini siberiani avevano già capito che il segreto dell'isolamento non è il vetro ma lo spazio fra i due vetri, perché è l'intercapedine a fornire la maggior parte dell'effetto isolante. Quello spazio può essere riempito d'aria, ma si usa spesso l'argon perché isola assai meglio. La tecnologia esisteva e aspettava: mancava solo il gas giusto da metterci dentro, e quel gas stava tutto intorno, nell'aria che passava dalle fessure.

Il motivo per cui proprio l'argon isola meglio dell'aria non ha nulla a che vedere con l'inerzia, ed è una delle poche volte in cui questo elemento conta per quello che è e non per quello che non fa. Il trasferimento convettivo del calore in un gas dipende dalla viscosità e dal calore specifico, e i gas monoatomici come argon, cripton e xenon hanno un vantaggio strutturale: alle temperature ordinarie non trasportano calore nei modi rotazionali, perché un atomo singolo non ha nulla da far ruotare. Ne risulta una capacità termica inferiore a quella dei gas poliatomici. In cifre: l'argon ha una conducibilità termica pari al sessantasette per cento di quella dell'aria, e il cripton circa la metà di quella dell'argon. Il cripton isolerebbe meglio, ma è un elemento in tracce e costa estrarlo; l'argon è quasi l'uno per cento dell'atmosfera e si isola industrialmente a costo moderato. Ancora una volta vince l'abbondanza, non la prestazione.

Nelle lampadine a incandescenza l'argon ha il compito di non far bruciare il filamento, preservandolo dall'ossidazione alle alte temperature: è presente per impedire una reazione, come quasi sempre. Ma c'è un secondo gruppo di impieghi in cui viene usato «per il modo specifico in cui ionizza ed emette luce», e qui smette di essere trasparente e diventa protagonista. Le lampade a scarica riempite di argon puro danno una luce lilla-violetta; con argon e un po' di mercurio, luce blu. Gli stessi principi reggono le sfere al plasma, i laser a ioni argon blu e verdi e la calorimetria nella fisica sperimentale delle particelle. E nell'industria dei semiconduttori l'argon serve alla deposizione di film sottili per polverizzazione catodica e alla pulizia dei wafer. Quel che ci sta intorno, nella fabbricazione dei circuiti integrati, è spesso un'atmosfera di argon.

In laboratorio l'argon è il gas con cui si fabbrica il nulla. Le linee di Schlenk e le glovebox lo usano come atmosfera inerte: nelle seconde ricircola su appositi filtri per mantenere un ambiente privo di ossigeno, di azoto e di umidità, dentro il quale si manipolano sostanze che all'aria non sopravviverebbero. Ed è qui che si misura la differenza fra i due gas inerti economici: l'argon è preferito all'azoto, che costa meno, nei casi in cui l'azoto potrebbe reagire con i reagenti o con l'apparecchiatura. L'azoto, come questo vault ha raccontato, è inerte solo finché nessuno lo costringe; l'argon non lo è mai. Lo stesso gas fa poi da vettore nella gascromatografia e nella spettrometria di massa con ionizzazione electrospray, è la scelta obbligata per il plasma della spettroscopia ICP, ed è preferito per il rivestimento dei campioni destinati al microscopio elettronico a scansione.

L'applicazione più spettacolare è quella in cui l'argon smette di essere pigro perché lo si costringe. Nel plasma accoppiato induttivamente l'argon viene ionizzato in una torcia che raggiunge temperature tipicamente fra i 5.500 e i 6.500 kelvin: valori paragonabili a quelli della superficie del Sole, la cui fotosfera sta fra i 4.500 e i 6.000. La temperatura elevata permette di atomizzare le molecole e quindi di determinare molti elementi; per una sessantina di essi il grado di ionizzazione nella torcia supera il novanta per cento. È lo strumento standard per misurare gli elementi in tracce, e il ruolo dell'argon vi è perfettamente coerente con tutto il resto della sua storia: serve a rendere misurabili gli altri senza comparire nel risultato. Chi ha letto l'approfondimento dell'elio ricorderà che la spettroscopia nacque leggendo la luce del Sole; qui un pezzetto di Sole viene acceso in laboratorio per leggere la materia.

Vale la pena dire che cosa si riesca a fare, concretamente, con quella torcia. Gli strumenti più avanzati consentono di scandire ogni elemento dal litio-6 all'ossido di uranio-256 in meno di un quarto di secondo: in un battito di ciglia la macchina passa in rassegna quasi tutta la tavola periodica. La rapidità di scansione, l'ampio intervallo dinamico e l'ampio intervallo di masse la rendono ideale per misurare concentrazioni ignote e rapporti isotopici in campioni che hanno subito una preparazione minima — acqua di mare, urine, rocce digerite. Gli usi di maggior volume stanno però nel campo medico e forense, in particolare la tossicologia: un medico può richiedere un dosaggio dei metalli sospettando un avvelenamento da metalli pesanti, e chi lavora in stabilimenti dove l'esposizione ai metalli è inevitabile — una fabbrica di batterie, per dire — è tenuto dal datore di lavoro a farsi analizzare periodicamente sangue o urine.

In medicina l'argon compare in tre vesti diverse, e in una di esse ha ucciso. La criochirurgia, e in particolare la crioablazione, usa argon liquido per distruggere tessuti come le cellule tumorali; i laser blu ad argon si impiegano in chirurgia per saldare arterie, distruggere tumori e correggere difetti oculari. Esiste poi una procedura detta coagulazione potenziata ad argon, una forma di elettrochirurgia a fascio di plasma: comporta il rischio di produrre un'embolia gassosa, e la fonte registra che ha causato la morte di almeno un paziente. Un uso sperimentale, infine, lega l'argon alle due storie che questo vault ha già raccontato: nella miscela respiratoria o di decompressione chiamata Argox si è provato a sostituire con esso l'azoto, per accelerare l'eliminazione dell'azoto disciolto nel sangue.

Le controversie

Che l'annuncio non fosse accolto come una buona notizia lo si legge in un titolo di giornale. Rayleigh e Ramsay presentarono il lavoro alla Royal Society fra il 1894 e il 1895 con un titolo asciutto e impegnativo — «Argon, a New Constituent of the Atmosphere», argon, un nuovo componente dell'atmosfera — e la versione estesa occupò cinquantaquattro pagine delle Philosophical Transactions. Il 3 marzo 1895 il New York Times ne diede notizia con una formula che vale più di molte ricostruzioni: «About Argon, the Inert; The New Element Supposedly Found in the Atmosphere». Quel «supposedly», presumibilmente, è il termometro dell'accoglienza: sostenere che nell'aria — la sostanza più studiata del secolo — si nascondesse un intero elemento che nessuno aveva notato sembrava, a molti, semplicemente troppo.

Resta da rispondere alla domanda che questa storia pone a ogni pagina: com'è possibile che per un secolo nessuno si sia accorto di un gas che costituisce quasi l'uno per cento dell'aria. La risposta sta nel metodo della chimica pneumatica, ed è quasi una lezione di epistemologia. Quella chimica identificava i gas facendoli reagire: si assorbiva l'ossigeno con una sostanza, l'anidride carbonica con un'altra, e ciò che restava veniva chiamato con il nome della cosa che ci si aspettava di trovare. Un gas che non reagisce con niente non lascia tracce in un'analisi condotta a forza di reazioni: viene semplicemente incorporato nel residuo e battezzato azoto. Cavendish lo vide perché misurava volumi, Rayleigh perché misurava pesi, Newall e Hartley perché guardavano uno spettro. Tutte e tre le volte a rivelarlo non fu la chimica ma la fisica — cioè l'unico approccio che non chiede a una sostanza di fare qualcosa per ammettere che esiste.

Un dettaglio minuscolo di storia della nomenclatura dice quanto a lungo l'argon sia rimasto una faccenda irrisolta. Fino al 1957 il suo simbolo chimico non era Ar ma semplicemente «A», e il cambiamento arrivò con la pubblicazione, da parte della IUPAC, dell'opera Nomenclature of Inorganic Chemistry. Sessantatré anni dopo la scoperta, dunque, l'elemento aveva ancora il simbolo provvisorio che gli era stato assegnato quando non si sapeva bene che cosa fosse. Chi consulta letteratura chimica anteriore a quella data trova una A solitaria dove oggi ci aspettiamo Ar, ed è uno dei pochi casi in cui il simbolo di un elemento è cambiato in epoca moderna.

Prima di fidarsi ciecamente di una data geologica conviene sapere su che cosa poggia, perché la catena di assunzioni è più lunga di quanto il risultato lasci intendere. La quantità di potassio-40 non viene quasi mai misurata direttamente: si misura il più comune potassio-39 e si moltiplica per il rapporto accettato fra i due isotopi. Si misura poi quanto argon-40 sia presente, per valutare quale parte dell'argon totale sia di origine atmosferica anziché prodotta dal decadimento — perché l'aria, che contiene quasi un per cento di argon, contamina qualunque campione. E tutto il metodo riposa su un'assunzione di fondo che la fonte definisce ben fondata e comune a ogni datazione radiometrica: che il nuclide padre decada a un ritmo indipendente dal proprio stato fisico, senza risentire di differenze di pressione o temperatura. Una data geologica non è una lettura: è il risultato di un ragionamento a più passaggi, ciascuno dei quali si può discutere.

Il punto più delicato ha un nome tecnico ed è la temperatura di chiusura, detta anche temperatura di blocco: rappresenta la temperatura sotto la quale il minerale diventa un sistema chiuso per gli isotopi che si studiano. Sopra quella soglia il reticolo cristallino lascia scappare per diffusione il nuclide figlio accumulato nel tempo, e l'orologio isotopico torna a zero; man mano che il minerale si raffredda la struttura cristallina si forma e la diffusione diventa più difficile. La conseguenza pratica è che una datazione potassio-argon non misura quando la roccia si è formata, ma quando si è raffreddata sotto quella soglia. Una roccia riscaldata da un evento successivo — un'intrusione magmatica, un metamorfismo — può quindi restituire una data più giovane della propria, e non perché lo strumento sbagli: perché ha misurato esattamente quello che doveva misurare, cioè l'ultima volta che quel minerale ha chiuso la porta all'argon.

Il pericolo dell'argon è esattamente la sua virtù, vista dal lato sbagliato. Non è tossico, ma è il trentotto per cento più denso dell'aria, e per questo è considerato un asfissiante pericoloso negli ambienti chiusi: si accumula in basso e sposta l'ossigeno. È difficile da rilevare perché incolore, inodore e insapore — le tre qualità che un secolo prima lo avevano reso invisibile ai chimici. Un incidente del 1994, in cui un uomo morì asfissiato dopo essere entrato in un tratto di tubatura petrolifera in costruzione riempito di argon, in Alaska, mostra quanto siano concreti i rischi delle perdite dalle bombole negli spazi confinati. Il rischio è lo stesso già incontrato con l'azoto liquido: l'organismo non ha alcun allarme per la mancanza di ossigeno, perché il riflesso di soffocamento risponde all'anidride carbonica.

C'è un impiego dell'argon che mette a disagio e che vale la pena riportare come lo riporta la fonte, senza attenuarlo. L'industria avicola lo usa per asfissiare i volatili, sia negli abbattimenti di massa dopo un'epidemia sia come metodo di macellazione presentato come più umano dello stordimento elettrico. Il meccanismo sfrutta una proprietà fisica: l'argon è più denso dell'aria e sposta l'ossigeno vicino al suolo. La stessa inerzia che lo rende adatto al contatto con gli alimenti fa poi da seconda funzione, perché sostituendo l'ossigeno all'interno dell'animale morto ne prolunga la conservabilità. Lo stesso gas uccide e conserva, e lo fa con un unico gesto: togliere l'ossigeno senza reagire con nulla.

Un gas nobile che finisce nella lista antidoping sembra una contraddizione in termini, e invece è successo. Alcuni atleti hanno usato l'argon come agente dopante per simulare condizioni ipossiche: respirando una miscela povera di ossigeno l'organismo reagisce come farebbe in quota, e aumenta la produzione di globuli rossi. Nel 2014 l'Agenzia mondiale antidoping ha aggiunto argon e xenon all'elenco delle sostanze e dei metodi proibiti. La fonte però aggiunge una precisazione che rende la norma quasi paradossale: al momento non esiste un test affidabile per rilevarne l'abuso. È proibito qualcosa che non si sa come cercare — ed è, in fondo, l'ennesima forma dello stesso problema: come si dimostra la presenza di una sostanza che non lascia tracce chimiche di sé.

Vale la pena tirare una somma che nessuna delle voci consultate formula esplicitamente ma che tutte lasciano intendere riga dopo riga: il successo industriale dell'argon non dipende da una sua superiorità. Le fonti sono esplicite nel dire che altri gas nobili andrebbero ugualmente bene per la maggior parte delle applicazioni, ma che l'argon è di gran lunga il più economico perché si trova naturalmente nell'aria; e che nelle finestre isolanti il cripton isolerebbe meglio, essendo però un elemento in tracce, costoso da estrarre. Si arriva così a una conclusione che ha qualcosa di istruttivo sul modo in cui le tecnologie scelgono i propri materiali. L'argon domina non perché sia il migliore, ma perché è l'unico membro abbastanza comune della sua famiglia. La stessa abbondanza che lo aveva reso invisibile — un per cento uniforme dovunque, che non spicca da nessuna parte — è ciò che oggi lo rende l'unico gas nobile che l'industria possa permettersi in quantità.

L'eredità contemporanea

Conviene collocare la datazione potassio-argon dentro la storia più ampia a cui appartiene, perché il protagonista è ancora una volta uno che abbiamo già incontrato. La datazione radiometrica di minerali e rocce fu inaugurata da Ernest Rutherford nel 1906 e da Bertram Boltwood nel 1907; Rutherford l'aveva concepita nel 1905 proprio come un metodo per determinare l'età della Terra. È lo stesso uomo che, come racconta l'approfondimento dell'elio, aveva stabilito che la particella alfa è un atomo di elio: prima capisce che cosa il decadimento produce, poi che quel prodotto è un orologio. Da allora le tecniche sono migliorate enormemente — lo spettrometro di massa, inventato negli anni Quaranta, entrò nella datazione radiometrica negli anni Cinquanta, e oggi si può datare un campione grande quanto un nanogrammo. La datazione radiometrica è ormai la fonte principale di informazione sull'età assoluta delle rocce, delle forme di vita fossili e della Terra stessa.

L'inerzia dell'argon, che per un secolo lo aveva reso invisibile, è diventata la base di uno degli strumenti più potenti delle scienze della Terra. La datazione potassio-argon si fonda sulla misura del prodotto di decadimento radioattivo di un isotopo del potassio in argon. Il potassio è comune in molti materiali — feldspati, miche, minerali argillosi, tefriti, evaporiti — e il potassio-40, con un'emivita di 1,248 miliardi di anni, ne costituisce circa centodiciassette parti per milione, il che rende ogni roccia contenente potassio debolmente radioattiva. Il meccanismo che fa da orologio è di una eleganza quasi meccanica: l'argon-40 prodotto dal decadimento può sfuggire dalla roccia fusa, ma comincia ad accumularsi quando la roccia solidifica e ricristallizza. L'orologio si azzera al raffreddamento e da quel momento conta.

Le conseguenze si vedono meglio guardando che cosa ha datato. Il metodo trova la massima utilità nelle applicazioni geologiche — è stato determinante per costruire la scala temporale delle inversioni di polarità geomagnetica — ma ha un ruolo importante anche in archeologia. Un'applicazione archeologica è stata delimitare l'età dei depositi della gola di Olduvai datando le colate laviche sopra e sotto di essi: non si data il reperto, si datano i due strati che lo racchiudono, e l'età resta incastrata in mezzo. Lo stesso metodo è risultato indispensabile in altri siti dell'Africa orientale con una storia di attività vulcanica, come Hadar in Etiopia. Sono i luoghi dove si è ricostruita l'origine della nostra specie, e le date che leggiamo sui cartellini dei musei vengono da lì: da un gas inerte rimasto intrappolato in una roccia che si raffreddava.

Il metodo ha poi avuto un erede più raffinato, che porta nel nome due volte lo stesso elemento. La geocronologia argon-argon confronta due isotopi dell'argon anziché argon e potassio, e ha il vantaggio di non richiedere la determinazione del potassio: un'analisi in meno, e un errore in meno. Permette inoltre di verificare gli errori insiti nella datazione potassio-argon. Il presupposto resta lo stesso — che la roccia trattenga tutto il proprio argon-40 dopo essersi raffreddata sotto la temperatura di chiusura — ma i metodi moderni di analisi consentono di indagare singole regioni dei cristalli, e questo permette di distinguere cristalli formatisi e raffreddatisi durante eventi diversi. Dentro una sola roccia si leggono più orologi, ciascuno fermatosi a un'ora diversa.

Che questi orologi vadano tarati, e che tararli abbia conseguenze vistose, lo dimostra una vicenda recente. La datazione argon-argon mostrava una lieve discrepanza rispetto ad altri metodi; il lavoro di Kuiper e colleghi ha stabilito che occorre una correzione dello 0,65 per cento. Sembra poco, ed è esattamente lo stesso ordine di grandezza della discrepanza dello 0,5 per cento da cui questa intera storia è cominciata. Applicata alle scale dei tempi geologici, però, quella frazione sposta l'estinzione del Cretaceo-Paleogene — quella in cui si estinsero i dinosauri — da 65,0 o 65,5 milioni di anni fa a 66,0-66,1 milioni. Un milione di anni in più, comparso per una correzione alla seconda cifra decimale. L'argon ha il vizio di nascondere cose grandi dentro numeri piccoli.

Vale la pena guardare l'intero corredo isotopico, perché racconta in cifre la storia già raccontata a parole. Gli isotopi stabili sono tre: l'argon-40 con il 99,6 per cento, l'argon-36 con lo 0,334 e l'argon-38 con lo 0,063. Tutto il resto esiste in tracce e decade: l'argon-37 in trentacinque giorni, l'argon-39 in poco più di trecento anni, l'argon-41 in centonove minuti, e l'argon-42, che è sintetico, in trentatré anni. Quel 99,6 per cento è il numero da tenere a mente: significa che l'argon terrestre è quasi interamente il prodotto di un decadimento avvenuto sottoterra, e che la composizione isotopica dell'aria che respiriamo è una misura indiretta di quanto potassio radioattivo contenga il pianeta sotto i nostri piedi.

Il confronto con gli altri corpi del sistema solare rende l'anomalia terrestre visibile in modo quasi brutale. L'argon prodotto direttamente dalla nucleosintesi stellare è dominato dall'argon-36, e infatti l'argon solare, misurato nel vento solare, ne contiene l'84,6 per cento; nelle atmosfere dei pianeti esterni il rapporto fra i tre isotopi 36, 38 e 40 è di 8400 a 1600 a 1. Sulla Terra le proporzioni sono rovesciate: l'argon-36 primordiale è appena 31,5 parti per milione in volume dell'atmosfera, paragonabile al neon. E le atmosfere di Marte, di Mercurio e di Titano, la maggiore luna di Saturno, contengono argon prevalentemente come argon-40, cioè radiogenico come il nostro. Leggere la firma isotopica dell'argon di un pianeta significa sapere se quel mondo ha avuto una crosta con potassio e il tempo per degassarla.

Nel 2013 l'argon ha aggiunto alla propria storia un primato che sembra fatto apposta per chiuderla in bellezza. L'argon-36, sotto forma di ioni idruro di argon — l'argonio, ArH⁺ — è stato rilevato nel mezzo interstellare associato alla supernova della Nebulosa del Granchio, e si è trattato della prima molecola di un gas nobile mai individuata nello spazio. Vale la pena notare l'isotopo: non il 40 radiogenico che domina l'aria terrestre, ma il 36, quello prodotto dalla nucleosintesi stellare. L'elemento che sulla Terra è cenere di potassio, là fuori è ciò che resta di una supernova. Lo stesso elemento, i due isotopi, due storie che non si incontrano mai: una comincia in una stella che esplode, l'altra in un atomo di potassio che decade dentro una roccia.

Esiste poi un modo in cui l'argon si lega a qualcosa senza formare un vero composto chimico: si fa intrappolare. Con il ghiaccio forma un idrato di clatrato, cioè una struttura in cui le molecole d'acqua costruiscono gabbie che ospitano gli atomi di argon senza condividere elettroni con essi. La forma cristallina di quelle gabbie cambia con la pressione — cubica fino a 0,6 gigapascal, tetragonale fra 0,7 e 1,1, ortorombica a corpo centrato fra 1,1 e 6,0 — e oltre i 6,1 gigapascal il clatrato si converte in argon solido e in una fase esotica del ghiaccio. A pressione atmosferica resta stabile sotto i 147 kelvin. C'è anche un effetto minore ma curioso: l'argon disciolto in acqua ne fa salire il pH a 8,0, apparentemente riducendo il numero di atomi di ossigeno disponibili a legare protoni. Non reagisce, ma occupa spazio — e occupare spazio, in chimica, è già fare qualcosa.

L'ultimo mestiere che l'argon ha imparato è il più ambizioso di tutti: fare da bersaglio a ciò che forse non esiste. L'argon liquido si usa come bersaglio negli esperimenti sui neutrini e nelle ricerche dirette di materia oscura. L'idea è che l'interazione fra le ipotetiche WIMP e un nucleo di argon produca luce di scintillazione, rilevata da tubi fotomoltiplicatori; rivelatori a due fasi, con argon anche gassoso, servono a captare gli elettroni ionizzati prodotti nell'urto. Le proprietà che lo rendono adatto sono tre, e la terza è la solita: ha una resa di luce di scintillazione elevata, circa cinquantuno fotoni per kiloelettronvolt; è trasparente alla propria luce di scintillazione; ed è relativamente facile da purificare. Un gas che non reagisce con nulla è anche un gas che non sporca la misura.

C'è un episodio che chiude un conto aperto nell'approfondimento precedente, e lo chiude a favore dell'argon. Dal 2002 gli Archivi Nazionali statunitensi conservano documenti come la Dichiarazione d'Indipendenza e la Costituzione dentro teche riempite di argon, per inibirne il degrado. La ragione per cui è preferibile all'elio, usato nei cinquant'anni precedenti, è precisamente quella raccontata a proposito dell'elio: quel gas sfugge attraverso i pori intermolecolari della maggior parte dei contenitori e va rabboccato regolarmente. L'atomo più piccolo dopo l'idrogeno non sa stare in una scatola; quello più pigro sì. Per custodire i documenti fondativi di una repubblica serviva un gas che non reagisse con la carta e che, soprattutto, non se ne andasse.

Lo stesso principio vale, con dignità minore ma diffusione assai maggiore, per un gran numero di cose che compriamo. L'argon ha un codice europeo da additivo alimentare, E938, e serve ad allungare la vita dei contenuti: l'ossidazione all'aria, l'idrolisi e le altre reazioni chimiche che degradano i prodotti vengono rallentate o del tutto impedite. Prodotti chimici e farmaceutici ad alta purezza sono talvolta confezionati e sigillati sotto argon. In enologia si usa per creare una barriera contro l'ossigeno alla superficie del liquido, dato che l'ossigeno guasta il vino alimentando sia il metabolismo microbico — per esempio dei batteri acetici — sia la normale chimica di ossidoriduzione. E ancora: propellente nelle bombolette spray, conservante per vernici, poliuretano e pitture, spostando l'aria per preparare un contenitore allo stoccaggio. Un elemento che non fa nulla si è ritagliato un mestiere preciso: impedire agli altri di fare qualcosa.

La storia dell'argon si regge tutta su una simmetria che vale la pena enunciare per intero. Fu trovato perché qualcuno si rifiutò di arrotondare uno 0,5 per cento; fu ignorato per un secolo perché non fa nulla, e proprio perché non fa nulla è diventato indispensabile — protegge il metallo fuso sotto l'arco, isola le finestre, conserva la Costituzione di una repubblica, fabbrica il vuoto nei laboratori, definisce un punto fisso della scala delle temperature e fa da bersaglio a una materia che forse non esiste. Il suo nome significa «pigro» ed è l'unico elemento battezzato per un difetto. Eppure quel difetto ha prodotto due Nobel, una colonna nuova nella tavola periodica e, attraverso l'anomalia del suo peso, la scoperta che la tavola non era ordinata come Mendeleev credeva. E poi l'orologio: l'argon intrappolato in una roccia che si raffredda ci dice quando sono morti i dinosauri e quando vivevano i nostri antenati in Africa orientale. Un gas che rifiuta di partecipare a qualunque cosa accada è finito a fare da testimone di tutto ciò che è accaduto.