KRYPTON: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, ERHALT, RISIKEN, VERWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Das Krypton ist ein Edelgas, das durch das Symbol Kr dargestellt wird und sich in Gruppe 18 des Periodensystems befindet. Es ist das Gas, das Argon folgt, und seine Häufigkeit ist so gering, dass es als verborgen angesehen wurde; daher kommt sein Name. Es kommt nicht fast in Mineralsteinen vor, sondern in Massen von Erdgasen und ist in den Meeren und Ozeanen kaum gelöst.

Allein sein Name erinnert an Superman, seinen Planeten Krypton und den berühmten Kryptonit, einen Stein, der den Superhelden schwächt und ihn seiner Superkräfte beraubt. Sie können auch an Kryptowährungen oder Krypto denken, wenn Sie davon hören, sowie an andere Begriffe, die in ihrem Wesen weit von diesem Gas entfernt sind.

Fläschchen mit Krypton, angeregt durch eine elektrische Entladung und leuchtend mit weißem Licht. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Dieses Edelgas ist jedoch weniger extravagant und "versteckt" im Vergleich zu den oben genannten Zahlen; Obwohl seine mangelnde Reaktivität nicht das gesamte potenzielle Interesse weckt, das in der Forschung auf verschiedenen Gebieten, insbesondere dem physikalischen, entstehen kann.

Im Gegensatz zu den anderen Edelgasen ist das von Krypton bei Anregung in einem elektrischen Feld emittierte Licht weiß (oberes Bild). Aus diesem Grund wird es für verschiedene Anwendungen in der Beleuchtungsindustrie verwendet. Es kann praktisch jedes Neonlicht ersetzen und sein eigenes emittieren, das sich durch gelbliches Grün auszeichnet.

Es kommt in der Natur als Mischung aus sechs stabilen Isotopen vor, ganz zu schweigen von einigen für die Nuklearmedizin bestimmten Radioisotopen. Um dieses Gas zu erhalten, muss die Luft, die wir atmen, verflüssigt und die resultierende Flüssigkeit einer fraktionierten Destillation unterzogen werden, wobei das Krypton dann gereinigt und in seine Isotopenbestandteile getrennt wird.

Dank Krypton war es möglich, Studien zur Kernfusion sowie zur Anwendung von Lasern für chirurgische Zwecke voranzutreiben.

Geschichte

- Entdeckung des versteckten Elements

1785 entdeckte der englische Chemiker und Physiker Henry Cavendish, dass Luft einen geringen Anteil einer Substanz enthält, die noch weniger aktiv ist als Stickstoff.

Ein Jahrhundert später isolierte der englische Physiker Lord Rayleigh aus der Luft ein Gas, das er für reinen Stickstoff hielt; aber dann entdeckte er, dass es schwerer war.

1894 arbeitete der schottische Chemiker Sir William Ramsey zusammen, um dieses Gas zu isolieren, das sich als neues Element herausstellte: Argon. Ein Jahr später isolierte er das Heliumgas durch Erhitzen des Minerals Cleveit.

Sir William Ramsey selbst entdeckte zusammen mit seinem Assistenten, dem englischen Chemiker Morris Travers, am 30. Mai 1898 in London Krypton.

Ramsey und Travers glaubten, dass es im Periodensystem einen Raum zwischen den Elementen Argon und Helium gab, und ein neues Element musste diesen Raum füllen. Ramsey entdeckte einen Monat nach der Entdeckung von Krypton im Juni 1898 Neon; Element, das den Raum zwischen Helium und Argon füllte.

Methodik

Ramsey vermutete die Existenz eines neuen Elements, das in seiner früheren Entdeckung verborgen war, nämlich Argon. Um ihre Idee zu testen, beschlossen Ramsey und Travers, eine große Menge Argon aus der Luft zu holen. Dafür mussten sie die Verflüssigung der Luft erzeugen.

Dann destillierten sie die flüssige Luft, um sie in Fraktionen zu trennen, und untersuchten in den leichteren Fraktionen das Vorhandensein des gewünschten gasförmigen Elements. Aber sie haben einen Fehler gemacht, anscheinend haben sie die verflüssigte Luft überhitzt und einen Großteil der Probe verdampft.

Am Ende hatten sie nur 100 ml der Probe und Ramsey war überzeugt, dass das Vorhandensein des Elements, das in diesem Volumen leichter als Argon ist, unwahrscheinlich war; Er beschloss jedoch, die Möglichkeit eines Elements zu untersuchen, das schwerer als Argon im verbleibenden Probenvolumen ist.

Seinem Gedanken folgend entfernte er Sauerstoff und Stickstoff mit glühendem Kupfer und Magnesium aus dem Gas. Dann legte er eine Probe des verbleibenden Gases in eine Vakuumröhre und legte eine Hochspannung an, um das Spektrum des Gases zu erhalten.

Wie erwartet war Argon vorhanden, aber sie bemerkten das Auftreten von zwei neuen hellen Linien im Spektrum; ein gelbes und das andere grün, die beide nie beobachtet worden waren.

- Entstehung des Namens

Ramsey und Travers berechneten die Beziehung zwischen der spezifischen Wärme von Gas bei konstantem Druck und seiner spezifischen Wärme bei konstantem Volumen und fanden einen Wert von 1,66 für diese Beziehung. Dieser Wert entsprach einem von einzelnen Atomen gebildeten Gas, was zeigt, dass es sich nicht um eine Verbindung handelte.

Daher befanden sie sich in Gegenwart eines neuen Gases und Krypton war entdeckt worden. Ramsey beschloss, es Krypton zu nennen, ein Wort, das vom griechischen Wort "krypto" abgeleitet ist und "versteckt" bedeutet. William Ramsey erhielt 1904 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung dieser Edelgase.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Aussehen

Es ist ein farbloses Gas, das in einem elektrischen Feld eine weißglühende Farbe aufweist.

Standardatomgewicht

83.798 u

Ordnungszahl (Z)

36

Schmelzpunkt

-157,37 ºC

Siedepunkt

153.415 ºC

Dichte

Unter Standardbedingungen: 3.949 g / l

Flüssiger Zustand (Siedepunkt): 2,413 g / cm ³

Relative Gasdichte

2,9 in Bezug auf Luft mit Wert = 1. Das heißt, Krypton ist dreimal so dicht wie Luft.

Wasserlöslichkeit

59,4 cm ³ / 1.000 g bei 20 ºC

Dreifacher Punkt

115,775 K und 73,53 kPa

Kritischer Punkt

209,48 K und 5,525 MPa

Schmelzwärme

1,64 kJ / mol

Verdampfungswärme

9,08 kJ / mol

Molare Kalorienkapazität

20,95 J / (mol K)

Dampfdruck

Bei einer Temperatur von 84 K hat es einen Druck von 1 kPa.

Elektronegativität

3.0 auf der Pauling-Skala

Ionisationsenergie

Erstens: 1.350,8 kJ / mol.

Zweitens: 2.350,4 kJ / mol.

Drittens: 3.565 kJ / mol.

Schallgeschwindigkeit

Gas (23 ºC): 220 m / s

Flüssigkeit: 1.120 m / s

Wärmeleitfähigkeit

9,43 · 10 & supmin; ^³ W / (m · K)

Auftrag

Diamagnetisch

Oxidationszahl

Krypton ist als Edelgas nicht sehr reaktiv und verliert oder gewinnt keine Elektronen. Wenn es gelingt, einen Feststoff mit einer definierten Zusammensetzung zu bilden, wie dies beim Clathrat Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ oder seinem Hydrid Kr (H ₂ ) _{4 der} Fall ist, wird von einer Anzahl oder Oxidationsstufe von 0 (Kr ⁰ ) gesprochen. ;; das heißt, seine neutralen Atome interagieren mit einer Matrix von Molekülen.

Krypton kann jedoch formal Elektronen verlieren, wenn es Bindungen mit dem elektronegativsten Element von allen bildet: Fluor. In KrF ₂ beträgt seine Oxidationszahl +2, so dass die Existenz des zweiwertigen Kations Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^- ) angenommen wird .

Reaktivität

1962 wurde über die Synthese von Krypton-Difluorid (KrF ₂ ) berichtet. Diese Verbindung ist ein leicht flüchtiger, farbloser, kristalliner Feststoff und zersetzt sich bei Raumtemperatur langsam. aber es ist stabil bei -30 ºC. Kryptonfluorid ist ein starkes Oxidations- und Fluorierungsmittel.

Krypton reagiert mit Fluor, wenn es in einem elektrischen Entladungsrohr bei -183 ° C kombiniert wird, und bildet KrF ₂ . Die Reaktion tritt auch auf, wenn Krypton und Fluor mit ultraviolettem Licht bei -196ºC bestrahlt werden.

KrF ⁺ und Kr ₂ F ₃ ⁺ sind Verbindungen, die durch die Reaktion von KrF ₂ mit starken Fluoridakzeptoren gebildet werden. Krypton ist Teil einer instabilen Verbindung: K (OTeF ₅ ) ₂ , die eine Bindung zwischen Krypton und einem Sauerstoff (Kr-O) aufweist.

Im HCryN-Kr-F-Kation findet sich eine Krypton-Stickstoff-Bindung. Kryptonhydride, KrH ₂ , können bei Drücken von mehr als 5 GPa gezüchtet werden.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden alle diese Verbindungen angesichts der Nullreaktivität, die für dieses Edelgas vorgesehen war, als unmöglich angesehen.

Struktur und elektronische Konfiguration

Kryptonatom

Krypton ist ein Edelgas und hat sein gesamtes Valenzoktett. Das heißt, seine s- und p-Orbitale sind vollständig mit Elektronen gefüllt, die in ihrer elektronischen Konfiguration überprüft werden können:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

Es ist ein einatomiges Gas, unabhängig (bisher) von den Druck- oder Temperaturbedingungen, die darauf wirken. Daher werden seine drei Zustände durch die interatomaren Wechselwirkungen seiner Kr-Atome definiert, die man sich als Murmeln vorstellen kann.

Diese Kr-Atome sind wie ihre Kongenere (He, Ne, Ar usw.) nicht leicht zu polarisieren, da sie relativ klein sind und auch eine hohe Elektronendichte aufweisen; Das heißt, die Oberfläche dieser Murmeln wird nicht merklich verformt, um einen augenblicklichen Dipol zu erzeugen, der einen anderen in einem benachbarten Marmor induziert.

Interaktionsinteraktionen

Aus diesem Grund ist die einzige Kraft, die die Kr-Atome zusammenhält, die Londoner Streukraft; Im Fall von Krypton sind sie jedoch sehr schwach, so dass niedrige Temperaturen erforderlich sind, damit seine Atome eine Flüssigkeit oder einen Kristall definieren.

Diese Temperaturen (Siede- bzw. Schmelzpunkte) sind jedoch höher als bei Argon, Neon und Helium. Dies ist auf die größere Atommasse von Krypton zurückzuführen, die einem größeren Atomradius entspricht und daher polarisierbarer ist.

Beispielsweise liegt der Siedepunkt von Krypton bei etwa -153 ºC, während die der Edelgase Argon (-186 ºC), Neon (-246 ºC) und Helium (-269 ºC) niedriger sind; Das heißt, seine Gase benötigen kältere Temperaturen (näher an -273,15 ºC oder 0 K), um in der flüssigen Phase kondensieren zu können.

Hier sehen wir, wie die Größe ihrer Atomradien direkt mit ihren Wechselwirkungen zusammenhängt. Gleiches gilt für ihre jeweiligen Schmelzpunkte, die Temperatur, bei der Krypton schließlich bei -157 ºC kristallisiert.

Krypton-Kristall

Wenn die Temperatur auf -157 ° C abfällt, nähern sich die Kr-Atome langsam genug, um sich weiter zu vereinigen und einen weißen Kristall mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur (fcc) zu definieren. Somit gibt es jetzt eine strukturelle Ordnung, die von ihren Ausbreitungskräften bestimmt wird.

Obwohl es nicht viele Informationen darüber gibt, kann ein Krypton-fcc-Kristall kristalline Übergänge zu dichteren Phasen eingehen, wenn er enormen Drücken ausgesetzt wird; wie das kompakte hexagonale (hcp), in dem die Kr-Atome stärker gruppiert werden.

Ohne diesen Punkt außer Acht zu lassen, können Kr-Atome auch in Eiskäfigen eingeschlossen werden, die als Clathrate bezeichnet werden. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, können möglicherweise gemischte Krypton-Wasser-Kristalle vorhanden sein, wobei die Kr-Atome angeordnet und von Wassermolekülen umgeben sind.

Wo zu finden und zu erhalten

Atmosphäre

Krypton ist in der gesamten Atmosphäre verbreitet und kann im Gegensatz zu Helium dem Gravitationsfeld der Erde nicht entkommen. In der Luft, die wir atmen, liegt ihre Konzentration bei etwa 1 ppm, obwohl dies abhängig von den Gasemissionen variieren kann; sei es Vulkanausbrüche, Geysire, heiße Quellen oder vielleicht Erdgasvorkommen.

Da es in Wasser schwer löslich ist, ist seine Konzentration in der Hydrosphäre wahrscheinlich vernachlässigbar. Das gleiche passiert mit Mineralien; In ihnen können nur wenige Kryptonatome eingeschlossen sein. Daher ist die einzige Quelle dieses Edelgases Luft.

Verflüssigung und fraktionierte Destillation

Um es zu erhalten, muss die Luft einen Verflüssigungsprozess durchlaufen, damit alle ihre Bestandteile kondensieren und eine Flüssigkeit bilden. Diese Flüssigkeit wird dann durch fraktionierte Destillation bei niedrigen Temperaturen erhitzt.

Sobald Sauerstoff, Argon und Stickstoff abdestilliert wurden, verbleiben Krypton und Xenon in der verbleibenden Flüssigkeit, die an Aktivkohle oder Kieselgel adsorbiert wird. Diese Flüssigkeit wird auf -153 ºC erhitzt, um das Krypton zu destillieren.

Schließlich wird das gesammelte Krypton durch Passieren von heißem metallischem Titan gereinigt, wodurch gasförmige Verunreinigungen entfernt werden.

Wenn die Trennung seiner Isotope gewünscht wird, wird das Gas durch eine Glassäule aufsteigen gelassen, wo es eine thermische Diffusion erfährt; Die leichteren Isotope steigen nach oben, während die schwereren dazu neigen, unten zu bleiben. So sammeln sich beispielsweise die ⁸⁴ Kr- und ⁸⁶ Kr- Isotope am Boden getrennt.

Krypton kann in Pyrex-Glaskolben bei Umgebungsdruck oder in luftdichten Stahltanks gelagert werden. Vor dem Verpacken wird es einer spektroskopischen Qualitätskontrolle unterzogen, um zu bestätigen, dass sein Spektrum einzigartig ist und keine Linien anderer Elemente enthält.

Kernspaltung

Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Krypton liegt in der Kernspaltung von Uran und Plutonium, aus der auch eine Mischung ihrer radioaktiven Isotope hergestellt wird.

Isotope

Krypton kommt in der Natur als sechs stabile Isotope vor. Diese mit ihren entsprechenden Häufigkeiten auf der Erde sind: ⁷⁸ Kr (0,36%), ⁸⁰ Kr (2,29%), ⁸² Kr (11,59%), ⁸³ Kr (11,50%), ⁸⁴ Kr (56,99%) und ⁸⁶ Kr (17,28%). Das ⁷⁸ Kr ist ein radioaktives Isotop; aber seine Halbwertszeit (t _1/2 ) ist so lang (9,2 · 10 ²¹ Jahre), dass es praktisch als stabil angesehen wird.

Aus diesem Grund beträgt seine Standardatommasse (Atomgewicht) 83,798 u, näher an den 84 u des ⁸⁴ Kr- Isotops .

In Spurenmengen findet sich auch das Radioisotop ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2,3 · 10 ⁵ ), das entsteht, wenn ⁸⁰ Kr kosmische Strahlung empfängt. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Isotopen gibt es zwei synthetische Radioisotope: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 Stunden) und ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 Jahre); Letzteres entsteht als Produkt der Kernspaltung von Uran und Plutonium.

Risiken

Krypton ist ein ungiftiges Element, da es unter normalen Bedingungen nicht reagiert und auch keine Brandgefahr darstellt, wenn es mit starken Oxidationsmitteln gemischt wird. Ein Austreten dieses Gases stellt keine Gefahr dar; es sei denn, Sie atmen direkt, verdrängen Sauerstoff und verursachen Erstickung.

Kr-Atome treten ein und werden aus dem Körper ausgestoßen, ohne an einer Stoffwechselreaktion teilzunehmen. Sie können jedoch den Sauerstoff verdrängen, der in die Lunge gelangen und durch das Blut transportiert werden soll, sodass das Individuum unter Narkose oder Hypoxie sowie unter anderen Bedingungen leiden kann.

Ansonsten atmen wir ständig Krypton in jedem Atemzug. In Bezug auf seine Verbindungen ist die Geschichte anders. Zum Beispiel ist KrF ₂ ein starkes Fluorierungsmittel; und deshalb "gibt" es Anionen F ^- zu jedem Molekül der biologischen Matrix, auf das es trifft, was potentiell gefährlich ist.

Möglicherweise ist ein Krypton-Clathrat (in einem Eiskäfig eingeschlossen) nicht wesentlich gefährlich, es sei denn, es gibt bestimmte Verunreinigungen, die die Toxizität erhöhen.

Anwendungen

Die Blitze von Hochgeschwindigkeitskameras sind teilweise auf die Erregung von Krypton zurückzuführen. Quelle: Mhoistion

Krypton ist in verschiedenen Anwendungen rund um Artefakte oder Geräte für die Beleuchtung vorhanden. Zum Beispiel ist es Teil der "Neonlichter" von gelblich grünen Farben. Kryptons "legale" Lichter sind weiß, da ihr Emissionsspektrum alle Farben im sichtbaren Spektrum umfasst.

Das weiße Licht von Krypton wurde in der Tat für Fotos verwendet, da sie sehr intensiv und schnell sind und sich perfekt für Hochgeschwindigkeits-Kamerablitze oder für Sofortblitze auf Landebahnen von Flughäfen eignen.

Ebenso können die elektrischen Entladungsröhren, die dieses weiße Licht ausstrahlen, mit farbigem Papier bedeckt werden, wodurch Lichter vieler Farben angezeigt werden, ohne dass andere Gase angeregt werden müssen.

Es wird Wolfram-Glühlampen zugesetzt, um ihre Lebensdauer zu verlängern, und Argon-Leuchtstofflampen für den gleichen Zweck, wodurch auch ihre Intensität verringert und ihre Kosten erhöht werden (da es teurer als Argon ist).

Wenn Krypton die gasförmige Füllung in Glühbirnen bildet, erhöht es seine Helligkeit und macht es bläulicher.

Laser

Die in Lichtshows gezeigten roten Laser basieren eher auf den Spektrallinien von Krypton als auf der Helium-Neon-Mischung.

Andererseits können mit Krypton leistungsstarke Ultraviolettstrahlungslaser hergestellt werden: solche aus Kryptonfluorid (KrF). Dieser Laser wird für die Fotolithografie, medizinische Operationen, Forschung auf dem Gebiet der Kernfusion und die Mikrobearbeitung von festen Materialien und Verbindungen (Modifizierung ihrer Oberfläche durch die Wirkung des Lasers) verwendet.

Definition des Zählers

Zwischen 1960 und 1983 wurde die Wellenlänge der rot-orangefarbenen Spektrallinie des ^86- Kr- Isotops (multipliziert mit 1.650.763,73) verwendet, um die genaue Länge eines Meters zu definieren.

Erkennung von Atomwaffen

Da das Radioisotop ⁸⁵ Kr eines der Produkte der nuklearen Aktivität ist, ist es ein Hinweis darauf, dass eine Atomwaffe zur Detonation gebracht wurde oder dass illegale oder geheime Aktivitäten dieser Energie durchgeführt werden.

Medizin

Krypton wurde in der Medizin als Anästhetikum, Röntgenabsorber, Detektor für Herzanomalien und zum präzisen und kontrollierten Schneiden der Netzhaut der Augen mit seinen Lasern eingesetzt.

Seine Radioisotope finden auch Anwendung in der Nuklearmedizin, um den Luft- und Blutfluss in der Lunge zu untersuchen und zu scannen und Kernspinresonanzbilder der Atemwege des Patienten zu erhalten.

Verweise

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