Agon: khí trơ được tìm ra nhờ một chênh lệch nửa phần trăm

Rayleigh và Ramsay tìm ra agon như thế nào

Lord Rayleigh đo khối lượng riêng của nitơ theo hai cách. Nitơ tách ra từ hợp chất hoá học cho một con số. Nitơ tách ra từ không khí cho một con số nặng hơn khoảng 0,5%. Chênh lệch đó nhỏ tới mức dễ đổ cho sai số phép đo.

Rayleigh không cho đó là sai số, và cùng William Ramsay đi tìm lời giải suốt nhiều tháng. Giả thuyết cuối cùng của họ là trong không khí còn một chất khí khác, nặng hơn nitơ, lẫn vào và kéo con số lên.

Cách chứng minh là lặp lại một thí nghiệm từ năm 1785 của Henry Cavendish. Họ nhốt không khí trong ống úp ngược trên dung dịch kiềm, rồi phóng tia lửa điện qua liên tục hàng giờ. Tia lửa biến nitơ thành oxit, dung dịch hút hết oxit đó.

Mỗi chất khí khi phát sáng có một bộ vạch màu riêng, gọi là vạch quang phổ. Khi vạch của nitơ tắt hẳn, họ biết nitơ đã sạch. Loại nốt oxy dư thì còn lại một chút khí không chịu phản ứng với gì.

Họ đặt tên agon theo tiếng Hy Lạp argós, nghĩa là lười biếng. Ký hiệu ban đầu chỉ là chữ "A" trơ trọi, mãi tới năm 1957 mới thành "Ar". Năm 1904, cả hai cùng nhận Nobel cho việc này, Rayleigh giải Vật lý và Ramsay giải Hoá học.

Agon buộc bảng tuần hoàn phải thêm một nhóm mới

Nguyên tử agon có tám electron ở lớp ngoài cùng, nghĩa là lớp đó đã đầy. Không thiếu chỗ nào để nhận thêm, cũng không có electron nào lỏng lẻo để cho đi, nên agon chẳng có lý do gì để dính vào nguyên tử khác.

Bảng tuần hoàn thời đó không có chỗ cho một nguyên tố như vậy. Mọi cột đều dành cho các nguyên tố biết phản ứng. Agon và các khí hiếm tìm được sau đó buộc người ta phải mở thêm hẳn một nhóm mới ở rìa phải bảng.

Agon còn đặt ra một chuyện khó xử nữa. Mendeleev xếp bảng theo khối lượng nguyên tử tăng dần, mà agon nặng 39,9 lại phải đứng trước kali nhẹ hơn. Nghịch lý này chỉ được gỡ khi Henry Moseley chứng minh bảng thật ra xếp theo số proton chứ không phải khối lượng.

Agon dùng để làm gì trong hàn, bóng đèn và kính hộp

Chỗ dùng agon nhiều nhất là hàn hồ quang. Vì không phản ứng với gì, agon chen được vào giữa không khí và những vật dễ hỏng. Kim loại nóng chảy gặp oxy hay nitơ trong không khí sẽ rỗ và giòn, nên thợ hàn xả agon quanh mũi hàn để đẩy không khí ra. Ở ta nghề này quen gọi là hàn TIG hoặc hàn argon.

Bóng đèn sợi đốt kiểu cũ cũng bơm agon để dây tóc khỏi cháy đứt khi gặp oxy, dù loại đèn ấy giờ gần như đã nhường chỗ cho LED. Ống phóng điện nạp agon tinh khiết thì cho đúng ánh tím nhạt như ảnh đầu bài.

Cửa kính hai lớp, ở ta quen gọi là kính hộp, thì bơm agon vào khoảng trống giữa hai tấm kính. Agon dẫn nhiệt kém, chỉ bằng 67% so với không khí.

Chỗ dùng agon trang trọng nhất là ở Washington. Từ năm 2002, bản gốc Tuyên ngôn Độc lập và Hiến pháp Mỹ nằm trong những hộp kính bơm đầy agon. Trước đó suốt 50 năm người ta dùng heli. Nguyên tử heli nhỏ tới mức lọt được qua những lỗ li ti của hộp, nên cứ phải nạp lại.

Agon trong không khí sinh ra từ kali phóng xạ trong đá

Agon chiếm 0,934% khí quyển theo thể tích, gấp hơn 500 lần neon, khí hiếm đứng thứ hai. Phần lớn số agon ấy không có sẵn từ khi Trái Đất hình thành.

Trong đá có kali-40, một dạng kali phóng xạ (cùng nguyên tố, chỉ nặng hơn kali thường). Khoảng một phần mười số nguyên tử kali-40 khi phân rã sẽ biến thành agon-40, phần còn lại thành canxi-40. Quá trình này chạy liên tục từ khi Trái Đất hình thành. Agon sinh ra thoát dần khỏi đá và tích lại trong khí quyển.

Cơ chế đó cho các nhà địa chất một cái đồng hồ. Kali-40 cứ 1,25 tỉ năm thì một nửa phân rã hết, và agon-40 sinh ra bị nhốt lại trong đá khi dung nham đông cứng. Đo tỉ lệ giữa kali-40 còn lại và agon-40 sinh ra là biết đá đông cứng bao lâu rồi. Cách này chỉ dùng được với đá đủ già, từ khoảng 100.000 năm trở lên.

Đây là cách người ta định tuổi các lớp dung nham ở hẻm núi Olduvai bên Đông Phi. Hoá thạch người vượn nằm kẹp giữa hai lớp dung nham, và tuổi của hai lớp đá ấy khoanh luôn tuổi của hoá thạch.

Agon không độc nhưng gây ngạt trong hầm kín

Agon không độc. Nhưng agon nặng hơn không khí 38%. Khi rò ra trong không gian kín, agon chìm xuống và đẩy không khí lên trên, để lại chỗ trũng không còn oxy.

Không màu, không mùi, không vị, nên người bước vào chỗ đó không nhận ra gì cho tới lúc đã muộn. Năm 1994 ở Alaska, một thợ phụ hàn tử vong vì ngạt sau khi chui vào một đoạn ống dẫn dầu đang thi công. Bên trong ống bơm đầy agon để bảo vệ mối hàn. Nguyên tắc cũng như khi xuống hầm kín ở ta, phải thông gió trước khi vào.

Tên gọi agon có nghĩa là lười, mà đúng nhờ tính lười đó agon mới có ích. Chỗ nào cần một chất khí đứng yên không phản ứng, từ mối hàn trong xưởng tới tờ Tuyên ngôn Độc lập trong tủ kính, chỗ đó dùng agon.

5 điều cần nhớ về agon

1. 1 Agon lộ ra vì nitơ tách từ không khí nặng hơn nitơ tách từ hợp chất 0,5%.
2. 2 Đây là khí hiếm đầu tiên tìm được, buộc bảng tuần hoàn phải mở thêm một nhóm.
3. 3 Agon chiếm 0,934% khí quyển, nhiều hơn hẳn mọi khí hiếm khác.
4. 4 Gần như toàn bộ agon trong khí quyển sinh ra từ kali phóng xạ trong đá.
5. 5 Agon không độc nhưng nặng hơn không khí, nên đọng lại trong hầm kín và gây ngạt.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Tỉ lệ agon trong khí quyển và cách tách agon từ không khí lỏng theo Royal Society of Chemistry. Chuyện Rayleigh và Ramsay, thí nghiệm tia lửa điện, nguồn gốc agon-40 từ kali-40, ứng dụng bảo quản tài liệu và vụ tai nạn ở Alaska theo các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc; riêng mức chênh 0,5% giữa hai mẫu nitơ được sử liệu hoá học nhắc lại rộng rãi nhưng chỉ lần được về một nguồn. Độ dẫn nhiệt của agon so với không khí theo bảng số liệu Kaye and Laby của phòng thí nghiệm quốc gia Anh. Phương pháp định tuổi kali-agon và mốc 100.000 năm cũng theo nguồn tổng hợp; tỉ lệ phân nhánh phân rã của kali-40 có hai con số hơi khác nhau giữa các nguồn nên bài chỉ nói "khoảng một phần mười". Đối chiếu lại lần cuối 10/09/2026.