L'argon (simbolo A, o Ar) è un elemento chimico con numero atomico 18 e peso atomico 39,994. Il suo nome deriva dal greco argós che significa "inattivo", denominazione attribuita da W. Ramsay, che lo scoprì nell'aria nel 1894.
Storia e Scoperta
La storia della scoperta dell'argo si ricollega a un esperimento condotto nel 1785 da Cavendish, il quale cercava di determinare se l'azoto atmosferico fosse una sostanza unica e se potesse essere trasformato completamente in acido nitroso mediante scariche elettriche in presenza di ossigeno.
Questa osservazione venne apprezzata al suo giusto valore soltanto nel 1892, quando lord Rayleigh osservò che l'azoto ottenuto dall'aria ha una densità diversa da quello preparato per via chimica: nel primo caso trovò per il peso di un litro gr. 1,2572 (a temperatura e pressione normali), nel secondo gr. 1,2505. Questa osservazione fondamentale portò lord Rayleigh e sir W. Ramsay alla scoperta dell'argo.
Essi giunsero così ad isolare il nuovo gas, che possedeva effettivamente una densità assai maggiore dell'azoto, e che era contraddistinto da completa inattività chimica; per questa sua peculiarità venne chiamato argo (dal gr. argós, "inattivo").
Però venne osservato che l'argo possiede un punto di ebollizione, una temperatura critica e una pressione critica ben definite, e che comprimendo il gas in parte liquefatto, la pressione rimane costante fino a che tutto il gas è liquefatto; era quindi lecito dedurre che si trattasse di una sostanza unica (e non di un miscuglio).
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Stato Naturale e Preparazione
L'argon è presente nell'aria nella percentuale di circa 0,93 %, ma si riscontra anche in molte sorgenti gassose e in alcune acque minerali. Per preparare piccole quantità di argo in laboratorio si adoperano i due metodi indicati più sopra: eliminazione dell'azoto e dell'ossigeno facendoli combinare mediante la scintilla elettrica o facendoli assorbire da metalli.
Per assorbire l'azoto si è impiegato il magnesio, il quale reagisce secondo lo schema: 3Mg + N2 = Mg3N2.
Anche con carburo di calcio, specialmente se mescolato col 10% di cloruro di calcio (miscela Polzenius), in tubi di ferro, si ha a temperatura elevata un assorbimento rapido di azoto: CaC2 + N2 = CaCN2 + CL; l'ossigeno viene in precedenza eliminato con rame rovente.
Praticamente questa separazione è complicata dalla presenza dell'argo, il quale non giunge in basso insieme all'ossigeno liquido perché questo ha una temperatura troppo alta, e non può salire insieme all'azoto perché ne è impedito dall'azoto liquido che scende dall'alto e che liquefà l'argo.
Naturalmente con l'accumularsi dell'argo questo va a poco a poco a inquinare tanto l'ossigeno quanto l'azoto, e quindi per ovviare a tale inconveniente, e per ottenere poi separato l'argo, il liquido che si raccoglie nella zona della torre dove si accumula l'argo viene condotto, per mezzo della tubazione t, nella parte mediana di una colonna ausiliaria C′.
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Proprietà Fisiche
L'argo ha numero atomico 18, cioè il numero di cariche del nucleo è + 18, e il bombardamento con particelle α ha portato alla distruzione del nucleo con formazione di nuclei d'idrogeno. Corrispondentemente al numero delle cariche del nucleo, si debbono avere nell'atomo dell'argo 18 elettroni esterni, e questi elettroni, come avviene generaltnente per gli altri gas rari, debbono formare una configurazione specialmente stabile.
Il calore di vaporizzazione per 1 gr. è 39 cal. dove K è espresso in cal.
Interessante è l'emissione spettrale, trattandosi di un gas che non dà reazioni chimiche, giacché a seconda della pressione e dell'intensità della scarica attraverso l'argo si ha uno spettro rosso e uno spettro azzurro; quest'ultimo in generale si produce con la scintilla condensata ed è più ricco del primo di righe nella regione azzurra. Secondo Eder e Valenta, con forti scariche e pressione relativamente forte (15-20 mm. Hg) si ha lo spettro bianco.
Nel sistema periodico l'argo viene a trovarsi nel gruppo zero, insieme all'elio, neo, cripto, xeno.
Appartiene al gruppo zero, 1° periodo (grande), quello dei gas nobili, del Sistema periodico degli elementi ed è quindi chimicamente inattivo.
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- Struttura cristallina (4.2 K) cub. fac. centr. (par.
- Suscett. magn. mol.
Calore Specifico e Applicazioni nella Criogenia Alimentare
È possibile ottenere facilmente informazioni sulla quantità di freddo necessaria per raffreddare o surgelare un prodotto. Il raffreddamento o surgelazione criogenica può essere riassunto come un trasferimento di calorie tra l'azoto liquido e l'alimento.
I fabbisogni di raffreddamento sono legati alla composizione del prodotto. I componenti che compongono un prodotto non hanno tutti le stesse caratteristiche termiche. Nell'industria alimentare, queste sono ovviamente note ai produttori e sono riportate sull'etichetta della confezione per informare il consumatore. Per semplificare le cose, la composizione degli alimenti può essere ridotta a tre elementi fondamentali:
- Acqua, che è l'elemento predominante nei prodotti alimentari, spesso a livelli compresi tra il 60 e il 90%.
- Materia grassa, che varia tra lo 0 e il 40%.
- Il resto, che è considerato “materia secca”.
Nella criogenia alimentare, una formula termodinamica viene utilizzata per calcolare l'energia necessaria per surgelare un alimento. Viene indicata in kJ/kg (o comunemente in kcal/kg). Nel caso della surgelazione, si calcola la differenza di entalpia (quantità di energia) del prodotto tra il suo stato iniziale (quando è fresco) e lo stato finale (il prodotto surgelato), tenendo conto del cambiamento di stato di una parte del prodotto durante la fase di surgelazione (trasformazione dell'acqua in ghiaccio).
Q = ( Cs x ∆T 1 ) + L + ( Cg x ∆T 2 )
con:
Cs, il calore specifico (o calore di massa) al di sopra del punto di surgelazione (kj/kg.°C o kcal/kg.°C).
Ognuno dei tre componenti che compongono l'alimento ha un calore specifico noto o approssimativo:
- Acqua Cs = 1,00 kcal/kg°C
- Materia grassa Cs = 0,50 kcal/kg°C
- Materia secca Cs = 0,35 kcal/kg°C
Per determinare il valore complessivo di Cs+ dell’alimento, è sufficiente sommare i calori specifici di ciascun componente del prodotto
Cs+ = (1,00 x % Acqua) + (0,50 x % Materia grassa) + (0,35 x % Materia secca )
L,il calore latente di solidificazione in termini di massa (kcal/kg)
Cg, calore specifico sotto il punto di surgelazione (kcal/kg. °C)
∆T1 differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura iniziale e la temperatura di surgelazione del prodotto.
∆T2 differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura di surgelazione e la temperatura finale del prodotto.
Esempio pratico: Calcolo per la surgelazione di una bistecca di manzo macinata
Consideriamo una bistecca di manzo macinata con un contenuto di materia grassa del 15%. Il contenuto di acqua è di circa il 66%, e la materia secca rappresenta il 19%. Ipotizziamo una temperatura iniziale del prodotto di 20°C e una temperatura finale di -20°C, con una temperatura di surgelazione di 0°C.
- Cs = (1,00 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x0,19) = 0,80 kcal/kg°C
- L = (80 x 0,66) = 52,8 kcal/kg
- Cg = (0,50 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x 0,19) = 0,47 kcal/kg°C
- ∆T1 = (20 - 0) = 20°C
- ∆T2= (0 - (-20°)) = 20°C
Q = ( 0,80 x 20 ) + 52,8 + ( 0,47 x 20 ) = 78,2 kcal/kg
La formula impiegata ci dice che occorrono 78,2 kcal/kg per surgelare bistecche macinate con materia grassa al 15%.
Confronto con Dati Reali
A 20°C, l'entalpia misurata è pari a 17,03 kcal/kg. A -20°C, l'entalpia misurata è pari a -56,53 kcal/kg. Questo significa un fabbisogno di raffreddamento di 73,56 kcal/kg per passare da 20°C a -20°C. La differenza tra il fabbisogno effettivo e il calcolo teorico ottenuto dalla formula impiegata è dell'ordine del 5%, un valore accettabile per un approccio iniziale alla soluzione di surgelazione.
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