KRYPTON: STORIA, PROPRIETÀ, STRUTTURA, ACQUISIZIONE, RISCHI, USI - CHIMICA - 2024

Il kripton è un gas nobile che è rappresentato dal simbolo Kr e si trova nel gruppo 18 della tavola periodica. È il gas che segue l'argon e la sua abbondanza è così bassa da essere considerato nascosto; ecco da dove viene il suo nome. Non si trova quasi nelle pietre minerali, ma in masse di gas naturali e difficilmente disciolto nei mari e negli oceani.

Il suo nome da solo evoca l'immagine di Superman, del suo pianeta Krypton e della famosa kryptonite, una pietra che indebolisce il supereroe e lo priva dei suoi superpoteri. Puoi anche pensare a criptovalute o criptovalute quando ne senti parlare, così come altri termini che sono lontani da questo gas nella loro essenza.

Fiala con krypton eccitato da una scarica elettrica e risplendente di luce bianca. Fonte: immagini ad alta risoluzione di elementi chimici

Tuttavia, questo gas nobile è meno stravagante e "nascosto" rispetto a quelle cifre sopra menzionate; anche se la sua mancanza di reattività non toglie tutto il potenziale interesse che può suscitare in ricerche focalizzate su ambiti diversi, soprattutto quello fisico.

A differenza degli altri gas nobili, la luce emessa dal krypton quando eccitata in un campo elettrico è bianca (immagine in alto). Per questo motivo, viene utilizzato per vari usi nel settore dell'illuminazione. Può sostituire praticamente qualsiasi luce al neon ed emetterne una propria, che si distingue per essere verde giallastra.

Si presenta in natura come una miscela di sei isotopi stabili, per non parlare di alcuni radioisotopi destinati alla medicina nucleare. Per ottenere questo gas, l'aria che respiriamo deve essere liquefatta e il suo liquido risultante viene sottoposto a una distillazione frazionata, dove il kripton viene quindi purificato e separato nei suoi isotopi costituenti.

Grazie al krypton è stato possibile avanzare negli studi sulla fusione nucleare, oltre che nelle applicazioni dei laser per scopi chirurgici.

Storia

- Scoperta dell'elemento nascosto

Nel 1785 il chimico e fisico inglese Henry Cavendish scoprì che l'aria conteneva una piccola percentuale di una sostanza anche meno attiva dell'azoto.

Un secolo dopo il fisico inglese Lord Rayleigh, isolò dall'aria un gas che pensava fosse azoto puro; ma poi ha scoperto che era più pesante.

Nel 1894 il chimico scozzese Sir William Ramsey collaborò per isolare questo gas, che si rivelò essere un nuovo elemento: l'argon. Un anno dopo, ha isolato il gas elio riscaldando il minerale cleveite.

Lo stesso Sir William Ramsey, insieme al suo assistente, il chimico inglese Morris Travers, scoprì il krypton il 30 maggio 1898 a Londra.

Ramsey e Travers credevano che ci fosse uno spazio nella tavola periodica tra gli elementi argon ed elio, e un nuovo elemento doveva riempire questo spazio. Ramsey, un mese dopo la scoperta del krypton, nel giugno 1898, scoprì il neon; elemento che riempiva lo spazio tra elio e argon.

Metodologia

Ramsey sospettava l'esistenza di un nuovo elemento nascosto nella sua precedente scoperta, quello dell'argon. Ramsey e Travers, per testare la loro idea, hanno deciso di prelevare un grande volume di argon dall'aria. Per questo dovevano produrre la liquefazione dell'aria.

Quindi hanno distillato l'aria liquida per separarla in frazioni ed esplorare nelle frazioni più leggere per la presenza dell'elemento gassoso desiderato. Ma hanno commesso un errore, a quanto pare hanno surriscaldato l'aria liquefatta ed hanno fatto evaporare gran parte del campione.

Alla fine avevano solo 100 mL di campione e Ramsey era convinto che la presenza dell'elemento più leggero dell'argon in quel volume fosse improbabile; ma ha deciso di esplorare la possibilità di un elemento più pesante dell'argon nel volume del campione residuo.

Seguendo il suo pensiero, ha rimosso l'ossigeno e l'azoto dal gas usando rame incandescente e magnesio. Ha quindi posto un campione del gas rimanente in un tubo a vuoto, applicandogli un'alta tensione per ottenere lo spettro del gas.

Come previsto, era presente argon, ma hanno notato la comparsa di due nuove linee luminose nello spettro; uno giallo e l'altro verde, entrambi mai osservati.

- Comparsa del nome

Ramsey e Travers hanno calcolato la relazione tra il calore specifico del gas a pressione costante e il suo calore specifico a volume costante, trovando un valore di 1,66 per quella relazione. Questo valore corrispondeva a un gas formato da singoli atomi, dimostrando che non era un composto.

Pertanto, erano in presenza di un nuovo gas e il kripton era stato scoperto. Ramsey ha deciso di chiamarlo Krypton, una parola derivata dalla parola greca "krypto" che significa "nascosto". William Ramsey ha ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1904 per la scoperta di questi gas nobili.

Proprietà fisiche e chimiche

Aspetto

È un gas incolore che mostra un colore bianco incandescente in un campo elettrico.

Peso atomico standard

83.798 u

Numero atomico (Z)

36

Punto di fusione

-157,37 ºC

Punto di ebollizione

153.415 ºC

Densità

In condizioni standard: 3.949 g / L

Stato liquido (punto di ebollizione): 2,413 g / cm ³

Densità relativa del gas

2.9 rispetto all'aria con valore = 1. Cioè, il kripton è tre volte più denso dell'aria.

Solubilità dell'acqua

59,4 cm ³ / 1.000 ga 20 ºC

Punto triplo

115,775 K e 73,53 kPa

Punto critico

209,48 K e 5,525 MPa

Calore di fusione

1,64 kJ / mol

Calore di vaporizzazione

9,08 kJ / mol

Capacità calorica molare

20,95 J / (mol K)

Pressione del vapore

Ad una temperatura di 84 K ha una pressione di 1 kPa.

elettronegatività

3.0 sulla scala Pauling

Energia ionizzata

Primo: 1.350,8 kJ / mol.

Secondo: 2.350,4 kJ / mol.

Terzo: 3.565 kJ / mol.

Velocità del suono

Gas (23 ºC): 220 m / s

Liquido: 1.120 m / s

Conduttività termica

9,43 · 10 ^-3 W / (m · K)

Ordine

diamagnetic

Numero di ossidazione

Il krypton, essendo un gas nobile, non è molto reattivo e non perde né guadagna elettroni. Se riesce a formare un solido di composizione definita, come accade con il clatrato Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ o il suo idruro Kr (H ₂ ) ₄ , allora si dice che partecipa con numero o stato di ossidazione 0 (Kr ⁰ ) ; cioè, i suoi atomi neutri interagiscono con una matrice di molecole.

Tuttavia, il kripton può perdere formalmente elettroni se forma legami con l'elemento più elettronegativo di tutti: il fluoro. In KrF _{2 il} suo numero di ossidazione è +2, quindi si presume l'esistenza del catione bivalente Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^- ).

Reattività

Nel 1962 fu riportata la sintesi del difluoruro di kripton (KrF ₂ ). Questo composto è un solido cristallino altamente volatile, incolore e si decompone lentamente a temperatura ambiente; ma è stabile a -30 ºC. Il Krypton Fluoride è un potente agente ossidante e fluorurante.

Krypton reagisce con il fluoro quando combinato in un tubo a scarica elettrica a -183 ° C, formando KrF ₂ . La reazione si verifica anche quando krypton e fluoro vengono irradiati con luce ultravioletta a -196 ° C.

KrF ⁺ e Kr ₂ F ₃ ⁺ sono composti formati dalla reazione di KrF ₂ con forti accettori di fluoro. Krypton fa parte di un composto instabile: K (OTeF ₅ ) ₂ , che ha un legame tra krypton e ossigeno (Kr-O).

Un legame krypton-azoto si trova nel catione HCΞN-Kr-F. Gli idruri di kripton, KrH ₂ , possono essere coltivati ​​a pressioni superiori a 5 GPa.

All'inizio del XX secolo, tutti questi composti erano considerati impossibili data la reattività zero che era stata concepita per questo gas nobile.

Struttura e configurazione elettronica

Atomo di krypton

Krypton, essendo un gas nobile, ha tutta la sua valenza ottetto; cioè, i suoi orbitali se p sono completamente pieni di elettroni, che possono essere verificati nella loro configurazione elettronica:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

È un gas monoatomico indipendentemente (ad oggi) dalle condizioni di pressione o temperatura che operano su di esso. Pertanto, i suoi tre stati sono definiti dalle interazioni interatomiche dei suoi atomi di Kr, che possono essere immaginati come biglie.

Questi atomi di Kr, come i loro congeneri (He, Ne, Ar, ecc.), Non sono facili da polarizzare, poiché sono relativamente piccoli e hanno anche un'alta densità di elettroni; cioè, la superficie di questi marmi non viene deformata in modo apprezzabile per generare un dipolo istantaneo che ne induce un altro in un marmo vicino.

Interazioni di interazione

È per questo motivo che l'unica forza che tiene insieme gli atomi di Kr è la forza di diffusione di Londra; ma sono molto deboli nel caso del krypton, quindi sono necessarie basse temperature affinché i suoi atomi definiscano un liquido o un cristallo.

Tuttavia, queste temperature (punti di ebollizione e di fusione, rispettivamente) sono più elevate rispetto all'argon, al neon e all'elio. Ciò è dovuto alla maggiore massa atomica del kripton, equivalente a un raggio atomico maggiore e quindi più polarizzabile.

Ad esempio, il punto di ebollizione del krypton è intorno a -153 ºC, mentre quelli dei gas nobili argon (-186 ºC), neon (-246 ºC) ed elio (-269 ºC) sono inferiori; ovvero, i suoi gas necessitano di temperature più fredde (più vicine a -273,15 ºC o 0 K) per potersi condensare nella fase liquida.

Qui vediamo come la dimensione dei loro raggi atomici sia direttamente correlata alle loro interazioni. Lo stesso accade con i rispettivi punti di fusione, la temperatura alla quale il krypton cristallizza finalmente a -157 ºC.

Cristallo di cripto

Quando la temperatura scende a -157 ° C, gli atomi di Kr si avvicinano abbastanza lentamente da consentire loro di fondersi ulteriormente e definire un cristallo bianco con una struttura cubica centrata sulla faccia (fcc). Quindi, ora esiste un ordine strutturale governato dalle sue forze di dispersione.

Sebbene non ci siano molte informazioni al riguardo, il cristallo di krypton fcc può subire transizioni cristalline a fasi più dense se sottoposto a pressioni enormi; come l'esagonale compatto (hcp), in cui gli atomi di Kr saranno più raggruppati.

Inoltre, senza tralasciare questo punto, gli atomi di Kr possono essere intrappolati in gabbie di ghiaccio chiamate clatrati. Se la temperatura è abbastanza bassa, forse potrebbero esserci cristalli misti di krypton-acqua, con gli atomi di Kr disposti e circondati da molecole d'acqua.

Dove trovare e ottenere

Atmosfera

Krypton è diffuso in tutta l'atmosfera, incapace di sfuggire al campo gravitazionale della Terra a differenza dell'elio. Nell'aria che respiriamo la sua concentrazione è di circa 1 ppm, anche se può variare a seconda delle emissioni gassose; che si tratti di eruzioni vulcaniche, geyser, sorgenti termali o forse depositi di gas naturale.

Poiché è scarsamente solubile in acqua, è probabile che la sua concentrazione nell'idrosfera sia trascurabile. Lo stesso accade con i minerali; pochi atomi di krypton possono essere intrappolati al loro interno. Pertanto, l'unica fonte di questo gas nobile è l'aria.

Liquefazione e distillazione frazionata

Per ottenerlo, l'aria deve passare attraverso un processo di liquefazione, in modo che tutti i suoi gas componenti si condensino e formino un liquido. Questo liquido viene quindi riscaldato applicando distillazione frazionata a basse temperature.

Dopo che l'ossigeno, l'argon e l'azoto sono stati distillati, il kripton e lo xeno rimangono nel liquido rimanente, che viene adsorbito su carbone attivo o gel di silice. Questo liquido viene riscaldato a -153 ºC per distillare il kripton.

Infine, il krypton raccolto viene purificato passando attraverso il titanio metallico caldo, che rimuove le impurità gassose.

Se si desidera la separazione dei suoi isotopi, il gas viene fatto salire attraverso una colonna di vetro dove subisce diffusione termica; gli isotopi più leggeri saliranno verso l'alto, mentre quelli più pesanti tenderanno a rimanere in basso. Pertanto, gli isotopo ⁸⁴ Kr e ⁸⁶ Kr, ad esempio, si raccolgono separatamente nella parte inferiore.

Krypton può essere conservato in bulbi di vetro Pyrex a pressione ambiente o in serbatoi di acciaio a tenuta d'aria. Prima del confezionamento viene sottoposto ad un controllo di qualità mediante spettroscopia, per certificare che il suo spettro è unico e non contiene righe di altri elementi.

Fisione nucleare

Un altro metodo per ottenere il krypton risiede nella fissione nucleare di uranio e plutonio, da cui si produce anche una miscela dei loro isotopi radioattivi.

isotopi

Krypton si presenta in natura come sei isotopi stabili. Questi, con le loro abbondanze corrispondenti sulla Terra, sono: ⁷⁸ Kr (0,36%), ⁸⁰ Kr (2,29%), ⁸² Kr (11,59%), ⁸³ Kr (11,50%), ⁸⁴ Kr (56,99%) e ⁸⁶ Kr (17,28%). Il ⁷⁸ Kr è un isotopo radioattivo; ma la sua emivita (t _1/2 ) è così lunga (9,2 · 10 ²¹ anni) che è praticamente considerata stabile.

Questo è il motivo per cui la sua massa atomica standard (peso atomico) è 83,798 u, più vicina all'84 u dell'isotopo ⁸⁴ Kr.

In tracce si trova anche il radioisotopo ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2,3 · 10 ⁵ ), che viene prodotto quando ⁸⁰ Kr riceve i raggi cosmici. Oltre agli isotopi già citati, esistono due radioisotopi sintetici: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 ore) e ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 anni); quest'ultimo è ciò che viene prodotto come prodotto della fissione nucleare di uranio e plutonio.

rischi

Il krypton è un elemento non tossico, in quanto non reagisce in condizioni normali, né rappresenta un rischio di incendio se miscelato con forti agenti ossidanti. Una perdita di questo gas non rappresenta alcun pericolo; a meno che non si respiri direttamente, spostando l'ossigeno e provocando il soffocamento.

Gli atomi di Kr entrano e vengono espulsi dal corpo senza partecipare ad alcuna reazione metabolica. Tuttavia, possono spostare l'ossigeno che dovrebbe raggiungere i polmoni ed essere trasportato attraverso il sangue, quindi l'individuo può soffrire di narcosi o ipossia, così come altre condizioni.

Altrimenti, respiriamo costantemente krypton in ogni boccata d'aria. Ora, per quanto riguarda i suoi composti, la storia è diversa. Ad esempio, KrF ₂ è un potente agente fluorurante; e quindi, "darà" anioni F ^- a qualsiasi molecola della matrice biologica che incontra, essendo potenzialmente pericolosa.

Forse un clatrato di kripton (intrappolato in una gabbia di ghiaccio) non è considerevolmente pericoloso, a meno che non ci siano certe impurità che aggiungono tossicità.

applicazioni

I flash delle telecamere ad alta velocità sono in parte dovuti all'eccitazione del krypton. Fonte: Mhoistion

Krypton è presente in varie applicazioni attorno a manufatti o dispositivi progettati per l'illuminazione. Ad esempio, fa parte delle "luci al neon" di colore verde giallastro. Le luci "legali" di Krypton sono bianche, poiché il loro spettro di emissione comprende tutti i colori nello spettro visibile.

La luce bianca del krypton è stata infatti utilizzata per le fotografie, in quanto molto intense e veloci, perfette per i flash delle fotocamere ad alta velocità, o per i flash istantanei sulle piste degli aeroporti.

Allo stesso modo, i tubi di scarica elettrica che emanano questa luce bianca possono essere ricoperti con carte colorate, dando l'effetto di visualizzare luci di molti colori senza la necessità di eccitare utilizzando altri gas.

Viene aggiunto alle lampadine a filamento di tungsteno per aumentarne la vita utile, e alle lampade fluorescenti all'argon per lo stesso scopo, riducendone anche l'intensità e aumentandone i costi (in quanto è più costoso dell'argon).

Quando il krypton costituisce il riempimento gassoso delle lampadine a incandescenza, aumenta la sua luminosità e lo rende più bluastro.

laser

I laser rossi visti negli spettacoli di luci si basano sulle linee spettrali del krypton piuttosto che sulla miscela di elio-neon.

D'altra parte, potenti laser a radiazione ultravioletta possono essere realizzati con krypton: quelli del krypton fluoruro (KrF). Questo laser viene utilizzato per la fotolitografia, gli studi medici, la ricerca nel campo della fusione nucleare e la microlavorazione di materiali e composti solidi (modificandone la superficie tramite l'azione del laser).

Definizione del contatore

Tra il 1960 e il 1983, è stata utilizzata la lunghezza d'onda della linea spettrale rosso-arancio dell'isotopo ⁸⁶ Kr (moltiplicata per 1.650.763,73), al fine di definire la lunghezza esatta di un metro.

Rilevamento di armi nucleari

Perché il radioisotopo ⁸⁵ Kr è uno dei prodotti dell'attività nucleare, dove viene rilevato è un'indicazione che c'è stata la detonazione di un'arma nucleare, o che sono in corso attività illegali o clandestine di detta energia.

Medicinale

Krypton è stato utilizzato in medicina come anestetico, assorbitore di raggi X, rilevatore di anomalie cardiache e per tagliare la retina degli occhi con i suoi laser in modo preciso e controllato.

I suoi radioisotopi trovano applicazione anche nella medicina nucleare, per studiare e scansionare il flusso di aria e sangue all'interno dei polmoni e per ottenere immagini di risonanza magnetica nucleare delle vie aeree del paziente.

Riferimenti

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