Krypton: Eigenschappen, Productie en Toepassingen

Achtergrond

Krypton (atoomnummer 36) is een van de edelgassen, de groep delend met helium, neon, argon, xenon en radon. Het gas is kleurloos, smaakloos en geurloos onder standaardomstandigheden. De dichtheid - ongeveer 0,5 oz per gallon (3,7 g L⁻¹) - maakt het ongeveer drie keer zwaarder dan lucht. Afgekoeld tot extreme lage temperaturen, verflucht of solidificeert krypton; het kookpunt is –243,81 °F (–153,23 °C) en het vriespunt is –251,27 °F (–157,37 °C).

In de natuur komt krypton voor als een mengsel van zes stabiele isotopen. Isotopen zijn atomen die hetzelfde aantal protonen delen maar verschillen in neutronenaantal, wat hun atoomsgewicht bepaalt. Het meest voorkomende isotoop, krypton-84 (48 neutronen), staat voor 57% van natuurlijk krypton. De andere stabiele isotopen zijn krypton-86 (17,3%), krypton-82 (11,6%), krypton-83 (11,5%), krypton-80 (2,25%), en krypton-78 (0,35%).

Krypton kan ook geproduceerd worden als een set onstabiele, radioactieve isotopen tijdens kernreacties. Ongeveer 20 dergelijke isotopen zijn in laboratoria gecreëerd; alle behalve krypton-85 hebben halfwaardetijden van slechts enkele uren. Krypton-85, met 49 neutronen, is relatief langlevend, vervallend met een halfwaardetijd van 10,73 jaar.

Industriële toepassingen van krypton zijn divers. Gemengd met argon, versterkt het de helderheid van fluorescente lampen. In gloeilampen verlengt een mengsel van krypton en stikstof de draadlevensduur. Flitslampen vertrouwen op de snelle vrijgave van krypton om een korte, intense flits te genereren voor hoge-snelheidsfotografie. Daarnaast wordt krypton-85's radioactiviteit benut in niet-destructieve testen: het gas acumuleert in micro-krakken in metaal, wat foutdetectie via zijn emissies toestaat.

Geschiedenis

De edelgassen waren onbekend voor vroege chemici. In 1785 detecteerde Henry Cavendish een inerte component in lucht die niet reageerde met stikstof. De eerste definitieve identificatie kwam in 1868 toen Joseph Norman Lockyer, zonlicht analyserend, helium ontdekte en noemde naar het Griekse woord voor zon.

In 1894 ontdekten Lord Rayleigh en William Ramsay argon door een dichtheidsverschil te noteren tussen stikstof uit de atmosfeer en stikstof uit ammonia. Ze isoleerden het inerte gas, noemend het naar het Griekse woord voor "inactief." Het volgende jaar observeerden Ramsay en Morris Travers dat verwarmen van cleveiet helium en argon vrijgaf, wat de eerste aardse detectie van helium markeerde. In 1898 koelden de duo lucht tot een vloeistof en scheidden drie nieuwe gassen - krypton (van Griekse "verborgen"), neon ("nieuw"), en xenon ("vreemd").

In 1900 rapporteerde Friedrich Dom dat radiumverval helium en een onbekend radioactief gas vrijgaf. In 1910 maatten Ramsay en Robert Whytlaw-Gray de dichtheid en doopten het niton (Latijns voor "schitteren") omdat het gloedde wanneer verflucht; het werd later hernoemd tot radon. Ramsay ontving de Nobelprijs voor Scheikunde in 1904 voor zijn edelgasonderzoek.

Initieel "zeldzame" of "inerte" gassen genoemd, werd later aangetoond dat ze overvloedig in de atmosfeer zijn en verbindingen kunnen vormen. In 1992 synthetiseerde Neil Bartlett xenonhexafluoride, de eerste edelgasverbinding; kryptonverbindingen volgden in 1963. De periode van 1960 tot 1983 zag de meter gedefinieerd door de golfengte van krypton-86's oranje-rode emissie; de definitie werd later vervangen door de lichtsnelheid.

Grondstoffen

Hoewel sporen krypton in diverse mineralen voorkomen, blijft atmosferische lucht de primaire bron. Op zeeniveau is droge lucht samenstelling 78,08% stikstof, 20,95% zuurstof, 0,93% argon, 0,0018% neon, 0,00052% helium, 0,00011% krypton, en 0,0000087% xenon, met kleine hoeveelheden CO₂, H₂, CH₄, NO, en O₃.

In kerncentrales kan krypton ook geoogst worden uit uraniumvijting. In tegenstelling tot atmosferisch krypton, levert vijting zowel stabiele als radioactieve isotopen op.

Het Productieproces

Vloeibare Lucht Maken

• Lucht wordt eerst gefilterd om deeltjes te verwijderen en daarna met een alkali behandeld om water en CO₂ te absorberen.
• De droge lucht wordt bij hoge druk gecomprimeerd, de temperatuur verhogend; het wordt dan door koeling afgekoeld.
• Tijdens de daaropvolgende expansie in een kamer, absorbeert de plotselinge drupdaling warmte, de lucht afkoelend tot ongeveer –321 °F (–196 °C) en de meeste atmosferische gassen verfluchting.

De Gassen Scheiden

• Gassen met zeer lage kookpunten - helium, waterstof en neon - worden direct verwijderd.
• Fractionele distillatie benut de distincte kookpunten van overige gassen.
• Naarmate de vloeibare lucht opwarmt, verduisten argon, zuurstof en stikstof eerst; krypton en xenon blijven vloeibaar tot hogere temperaturen.

Krypton van Xenon Scheiden

• Vloeibare krypton en xenon worden geadsorbeerd op silica gel of geactiveerd koolstof en vervolgens aan verdere fractionele distillatie onderworpen.
• Opwarmen van de mengsel vrijmaakt krypton als gas terwijl xenon vloeibaar blijft door het hogere kookpunt.
• Krypton wordt gezuiverd door het over heet titanium te laten passeren, wat alle niet-edel elementen verwijdert.

Krypton Isotopen Scheiden

• Voor toepassingen die een enkel isotoop vereisen, scheidt thermische diffusie krypton op dichtheidsverschillen.
• Een verwarmde draad in een verticale glazen buis vestigt convectie, wat lichtere isotopen naar de top draagt voor verzameling.

Verpakking en Verzending

• Krypton wordt verzegeld in Pyrex bollen bij atmosferische druk of in staal cannisters onder hoge druk. De inertie maakt het veilig, niet-giftig, niet-ontploffing-gevoelig en niet-brandbaar, wat speciale verzendeisen elimineert.

Kwaliteitscontrole

Zuiverheid wordt geverifieerd door spectrografische analyse: het gas wordt verhit, en het uitgezonden licht wordt verdeeld door een prisma of rooster om een spectrum te produceren. Scherpe, heldere lijnen kenmerkend voor krypton bevestigen zuiverheid; afwijking signaleert verontreiniging.

Bijproducten en Afval

Fractionele distillatie levert grote hoeveelheden stikstof (≈75% van lucht) op, wat essentieel is voor ammoniakproductie en materialen beschermen tegen oxidatie. Vloeibare stikstof wordt gebruikt in cryopreservatie en koeling.

Zuurstof, ongeveer 20% van lucht, wordt zwaar verbruikt door de staalindustrie voor oxidatie van koolstof en door milieu-toepassingen zoals rioolwaterbehandeling en afvalverbranding. Vloeibare zuurstof dient ook als raketbrandstof.

Andere edelgassen - argon, neon en xenon - vinden nis-toepassingen: argon in gloeilampen en als schildgas; neon in iconische reclames; xenon in stroboscopen en hoge-intensiteit lampen.

De Toekomst

De toekomstige voorraad van krypton kan afhangen van de traject van kernenergie. Als een vijtingsbijproduct, kunnen kernreactoren een significante bron worden. Echter, als fusie of alternatieve energiebronnen vijting vervangen, zal atmosferische extractie waarschijnlijk de dominante methode blijven.