Krypton: Eigenschaften, Produktion und Anwendungen

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Hintergrund

Krypton (Ordnungszahl 36) ist eines der Edelgase, gemeinsam mit Helium, Neon, Argon, Xenon und Radon. Das Gas ist unter Standardbedingungen farblos, geschmacklos und geruchlos. Seine Dichte – ca. 3,7 g/L (0,5 oz pro Gallone) – macht es etwa dreimal schwerer als Luft. Bei Abkühlung auf extrem niedrige Temperaturen verflüssigt oder erstarrt Krypton; sein Siedepunkt liegt bei –153,23 °C (–243,81 °F), sein Gefrierpunkt bei –157,37 °C (–251,27 °F).

In der Natur tritt Krypton als Gemisch aus sechs stabilen Isotopen auf. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl, was ihr Atomgewicht bestimmt. Das häufigste Isotop, Krypton-84 (48 Neutronen), macht 57 % des natürlichen Kryptons aus. Die anderen stabilen Isotope sind Krypton-86 (17,3 %), Krypton-82 (11,6 %), Krypton-83 (11,5 %), Krypton-80 (2,25 %) und Krypton-78 (0,35 %).

Krypton kann auch als Satz instabiler, radioaktiver Isotope bei Kernreaktionen erzeugt werden. Etwa 20 solche Isotope wurden im Labor geschaffen; alle bis auf Krypton-85 haben Halbwertszeiten von nur wenigen Stunden. Krypton-85 mit 49 Neutronen ist vergleichsweise langlebig, zerfällt mit einer Halbwertszeit von 10,73 Jahren.

Industrielle Anwendungen von Krypton sind vielfältig. Gemischt mit Argon erhöht es die Helligkeit von Leuchtstofflampen. In Glühlampen verlängert ein Gemisch aus Krypton und Stickstoff die Lebensdauer des Glühfadens. Blitzlampen nutzen die schnelle Freisetzung von Krypton für einen kurzen, intensiven Blitz für Hochgeschwindigkeitsfotografie. Zudem wird die Radioaktivität von Krypton-85 in der zerstörungsfreien Prüfung genutzt: Das Gas reichert sich in Mikrorissen im Metall an und ermöglicht Fehlersuche durch seine Emissionen.

Geschichte

Die Edelgase waren frühen Chemikern unbekannt. 1785 detektierte Henry Cavendish einen inerten Bestandteil in Luft, der nicht mit Stickstoff reagierte. Die erste definitive Identifizierung kam 1868, als Joseph Norman Lockyer beim Analysieren von Sonnenlicht Helium entdeckte und nach dem griechischen Wort für Sonne benannte.

1894 entdeckten Lord Rayleigh und William Ramsay Argon, indem sie einen Dichteunterschied zwischen atmosphärischem Stickstoff und Stickstoff aus Ammoniak feststellten. Sie isolierten das inerte Gas, benannten es nach dem griechischen Wort für „inaktiv“. Im Folgejahr beobachteten Ramsay und Morris Travers, dass Erhitzen von Cleveit Helium und Argon freisetzte – die erste terrestrische Detektion von Helium. 1898 kühlten das Duo Luft auf flüssig und trennten drei neue Gase – Krypton (griechisch „verborgen“), Neon („neu“) und Xenon („fremd“).

1900 berichtete Friedrich Dom, dass Radiumzerfall Helium und ein bisher unbekanntes radioaktives Gas freisetzte. 1910 maßen Ramsay und Robert Whytlaw-Gray seine Dichte und tauften es Niton (lateinisch „leuchten“), da es beim Verflüssigen leuchtete; später wurde es Radon umbenannt. Ramsay erhielt 1904 den Nobelpreis für Chemie für seine Edelgasforschung.

Anfangs als seltene oder inerte Gase bezeichnet, zeigte sich später, dass sie in der Atmosphäre reichlich vorhanden sind und Verbindungen bilden können. 1962 synthetisierte Neil Bartlett Xenonhexafluorid, die erste Edelgasverbindung; Kryptonverbindungen folgten 1963. Der Zeitraum 1960 bis 1983 definierte den Meter über die Wellenlänge der orangeroten Emission von Krypton-86; die Definition wurde später durch die Lichtgeschwindigkeit ersetzt.

Rohstoffe

Während Spuren von Krypton in verschiedenen Mineralien auftreten, bleibt atmosphärische Luft die primäre Quelle. Auf Meereshöhe besteht trockene Luft aus 78,08 % Stickstoff, 20,95 % Sauerstoff, 0,93 % Argon, 0,0018 % Neon, 0,00052 % Helium, 0,00011 % Krypton und 0,0000087 % Xenon, plus Spuren von CO₂, H₂, CH₄, NO und O₃.

In Kernkraftwerken kann Krypton auch aus Uranspaltung gewonnen werden. Im Gegensatz zu atmosphärischem Krypton liefert Spaltung sowohl stabile als auch radioaktive Isotope.

Herstellungsprozess

Flüssigluft-Herstellung

• Luft wird zuerst gefiltert, um Partikel zu entfernen, dann mit Alkali behandelt, um Wasser und CO₂ zu absorbieren.
• Die trockene Luft wird unter hohem Druck verdichtet, was ihre Temperatur erhöht; sie wird dann durch Kühlung abgekühlt.
• Bei der nachfolgenden Expansion in eine Kammer absorbiert der plötzliche Druckabfall Wärme, kühlt die Luft auf ca. –196 °C (–321 °F) ab und verflüssigt die meisten atmosphärischen Gase.

Gastrennung

• Gase mit sehr niedrigen Siedepunkten – Helium, Wasserstoff und Neon – werden direkt entfernt.
• Fraktionelle Destillation nutzt die unterschiedlichen Siedepunkte der verbleibenden Gase.
• Beim Erwärmen der Flüssigluft verdampfen Argon, Sauerstoff und Stickstoff zuerst; Krypton und Xenon bleiben flüssig bis zu höheren Temperaturen.

Trennung von Krypton und Xenon

• Flüssiges Krypton und Xenon werden auf Silikagel oder Aktivkohle adsorbiert und dann weiterer fraktioneller Destillation unterzogen.
• Erwärmt man das Gemisch, wird Krypton als Gas freigesetzt, während Xenon aufgrund seines höheren Siedepunkts flüssig bleibt.
• Krypton wird durch Überleiten über heißes Titan gereinigt, was alle Nicht-Edelgas-Elemente entfernt.

Trennung von Krypton-Isotopen

• Für Anwendungen, die ein einzelnes Isotop erfordern, trennt thermische Diffusion Krypton nach Dichteunterschieden.
• Ein beheizter Draht in einem vertikalen Glasrohr erzeugt Konvektion, die leichtere Isotope nach oben trägt zur Sammlung.

Verpackung und Versand

• Krypton wird in Pyrex-Ampullen bei Atmosphärendruck oder in Stahlbehältern unter Hochdruck versiegelt. Seine Inertheit macht es sicher, ungiftig, nicht explosiv und nicht brennbar, wodurch spezielle Versandanforderungen entfallen.

Qualitätskontrolle

Reinheit wird durch Spektralanalyse verifiziert: Das Gas wird erhitzt, und das emittierte Licht wird durch ein Prisma oder Gitter dispersiert, um ein Spektrum zu erzeugen. Scharfe, helle Linien, charakteristisch für Krypton, bestätigen Reinheit; jede Abweichung signalisiert Kontamination.

Nebenprodukte und Abfall

Fraktionelle Destillation liefert große Mengen Stickstoff (≈75 % der Luft), der essenziell für Ammoniakproduktion und Schutz von Materialien vor Oxidation ist. Flüssiger Stickstoff dient in Kryokonservierung und Kühlung.

Sauerstoff, ca. 20 % der Luft, wird stark von der Stahlindustrie für Kohlenstoffoxidation und Umweltanwendungen wie Abwasserbehandlung und Müllverbrennung verbraucht. Flüssiger Sauerstoff dient auch als Raketentreibstoff.

Andere Edelgase – Argon, Neon und Xenon – finden Nischenanwendungen: Argon in Glühlampen und als Schutzgas; Neon in ikonischer Beschilderung; Xenon in Stroboskopen und Hochintensitätslampen.

Zukunft

Die zukünftige Kryptonversorgung könnte vom Verlauf der Kernkraft abhängen. Als Spaltungsnebenprodukt könnten Kernreaktoren eine signifikante Quelle werden. Sollte Fusions- oder alternative Energien die Spaltung ersetzen, wird atmosphärische Extraktion voraussichtlich die dominierende Methode bleiben.