Krypton

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Hintergrund

Krypton ist das chemische Element Nummer 36 im Periodensystem der Elemente. Es gehört zur Gruppe der Elemente, die als Edelgase bekannt sind. Die anderen Edelgase sind Helium, Neon, Argon, Xenon und Radon. Unter normalen Bedingungen ist Krypton ein farbloses, geschmackloses und geruchloses Gas. Seine Dichte bei normaler Temperatur und Druck beträgt etwa 3,7 g pro Liter, was es fast dreimal schwerer als Luft macht. Bei extrem niedrigen Temperaturen kann Krypton als Flüssigkeit oder als Feststoff vorliegen. Der Siedepunkt von Krypton liegt bei -243,81 ° F (-153,23 ° C), und sein Gefrierpunkt liegt nur geringfügig darunter bei -251,27 ° F (-157,37 ° C).

Natürliches Krypton ist eine Mischung aus sechs stabilen Isotopen. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Die Anzahl der Protonen (die Ordnungszahl) bestimmt, welches Element vorhanden ist, während die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen das Atomgewicht des Atoms bestimmt. Die Isotope von Krypton haben alle 36 Protonen und sind nach ihrem Atomgewicht benannt. Krypton-84 mit 48 Neutronen ist das häufigste Isotop und macht 57% des natürlichen Kryptons aus. Die anderen stabilen Isotope von Krypton sind Krypton-86 (50 Neutronen, 17,3%); Krypton-82 (46 Neutronen, 11,6%); Krypton-83 (47 Neutronen, 11,5%); Krypton-80 (44 Neutronen, 2,25%); und Krypton-78 (42 Neutronen, 0,35%)

Krypton kann auch als instabiles, radioaktives Isotop existieren. Diese Isotope entstehen bei Kernreaktionen. Ungefähr 20 radioaktive Isotope von Krypton wurden produziert. Alle diese Isotope außer Krypton-85 sind sehr instabil, mit Halbwertszeiten von wenigen Stunden oder weniger. (Die Halbwertszeit einer radioaktiven Substanz ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der Atome in einer Probe der Substanz radioaktiv zerfällt.) Krypton-85, das 36 Protonen und 49 Neutronen hat, ist mit einer Hälfte viel stabiler -Lebensdauer von 10,73 Jahren.

Krypton wird mit Argon in Leuchtstofflampen verwendet, um deren Helligkeit zu verbessern, und mit Stickstoff in Glühlampen, um deren Lebensdauer zu verlängern. Es wird auch in Blitzlampen verwendet, um für einen sehr kurzen Zeitraum ein sehr helles Licht für die Hochgeschwindigkeitsfotografie zu erzeugen. Radioaktives Krypton-85 kann verwendet werden, um kleine Fehler in Metalloberflächen zu lokalisieren. Das Gas neigt dazu, sich in diesen Fehlstellen zu sammeln und seine Radioaktivität kann nachgewiesen werden.

Verlauf

Die Edelgase waren der Menschheit bis vor kurzem völlig unbekannt. Der erste Hinweis auf ihre Existenz kam 1785, als der englische Chemiker Henry Cavendish entdeckte, dass Luft eine kleine Menge einer unbekannten Substanz enthält, die weniger reaktiv ist als Stickstoff. Über diese Substanz war bis Ende des 19. Jahrhunderts nichts anderes bekannt.

Inzwischen entdeckte der britische Astronom Joseph Norman Lockyer 1868 ein neues Element. Durch die Analyse des Sonnenlichts entdeckte er ein unbekanntes Element, das er Helium nannte, vom griechischen Wort helios (Sonne). Die Existenz von Helium auf der Erde war seit mehr als einem Vierteljahrhundert nicht bekannt.

1894 gründeten der englische Physiker Lord Rayleigh (John William Strutt) und der Schotte Gefilterte Luft wird unter hohem Druck komprimiert, wodurch ihre Temperatur erhöht wird. Die Druckluft wird dann kodiert, indem sie sich innerhalb einer Kammer schnell ausdehnt. Diese plötzliche Expansion absorbiert Wärme von den Spulen und kühlt die Druckluft. Der Vorgang der Kompression und Expansion wird wiederholt, bis die meisten der in der Luft vorhandenen Gase in Flüssigkeiten umgewandelt sind. Der Chemiker William Ramsay entdeckte einen Unterschied in der Dichte von Stickstoff aus der Luft und Stickstoff aus Ammoniak. Sie entdeckten bald, dass der atmosphärische Stickstoff mit einer kleinen Menge einer unbekannten Substanz vermischt war. Durch die Verwendung von Magnesium zur Aufnahme des Stickstoffs konnten sie die Substanz, die sie Argon nannten, aus dem griechischen Wort argos isolieren (inaktiv), weil es nicht mit anderen Stoffen reagiert hat.

1895 entdeckten Ramsay und sein Assistent Morris William Travers, dass das Mineral Clevit beim Erhitzen Argon und Helium freisetzte. Dies war das erste Mal, dass Helium auf der Erde nachgewiesen wurde. 1898 erhielten Ramsay und Travers drei neue Elemente aus Luft, die zu einer Flüssigkeit abgekühlt worden war. Sie nannten diese Elemente Krypton, vom griechischen Wort Kryptos (versteckt); Neon, vom griechischen Wort neos (Neu); und Xenon, vom griechischen Wort xenos (komisch).

1900 stellte der deutsche Chemiker Friedrich Dom fest, dass das radioaktive Element Radium beim Zerfall Helium und ein unbekanntes radioaktives Gas freisetzte. 1910 bestimmten Ramsay und sein Assistent Robert Whytlaw-Gray die Dichte dieses unbekannten Gases und nannten es Niton, vom lateinischen Wort nitere . (glänzen), weil seine Radioaktivität es zum Glühen brachte, wenn es zu einer Flüssigkeit abgekühlt wurde. Niton, später Radon genannt, war das letzte Edelgas, das entdeckt wurde. 1904 wurde Ramsay für seine Erforschung der Edelgase der Nobelpreis für Chemie verliehen.

Die Edelgase wurden früher als Edelgase oder Inertgase bezeichnet. Später stellte sich heraus, dass einige recht häufig vorkamen und andere nicht völlig reaktionslos waren. Helium ist das zweithäufigste Element im Universum und Argon macht etwa 1% der Erdatmosphäre aus. 1962 schuf Neil Bartlett Xenon-Platin-Hexafluorid, die erste chemische Verbindung eines Edelgases. Im selben Jahr entstanden Radonverbindungen und 1963 Kryptonverbindungen. Diese Elemente, die nicht mehr als selten oder träge galten, wurden als Edelgase bekannt. Wie die sogenannten Edelmetalle (Gold, Silber, Platin usw.) reagierten sie nicht mit Sauerstoff.

Krypton spielte von 1960 bis 1983 eine wichtige Rolle in der Wissenschaft, als die Länge des Meters als das 1.650.763,73-fache der Wellenlänge des orange-roten Lichts definiert wurde, das von Krypton-86 emittiert wird. Das Meter wurde später als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum definiert, aber Krypton wird weiterhin in der wissenschaftlichen Forschung verwendet.

Um Krypton sowie die anderen Gase aus der flüssigen Luft zu trennen, wird die Luft wird in einem Prozess namens fraktionierte Destillation langsam erwärmt. Unter der Annahme, dass jede Flüssigkeit ihre eigene spezifische Temperatur hat, bei der sie in ein Gas übergeht, trennt die fraktionierte Destillation die Gase in der Luft nacheinander.

Rohmaterialien

Obwohl Spuren von Krypton in verschiedenen Mineralien gefunden werden, ist die wichtigste Quelle für Krypton die Erdatmosphäre. Luft ist auch die wichtigste Quelle für die anderen Edelgase, mit Ausnahme von Helium (aus Erdgas gewonnen) und Radon (das als Nebenprodukt beim Zerfall radioaktiver Elemente entsteht). Auf Meereshöhe enthält trockene Luft 78,08 % Stickstoff und 20,95 % Sauerstoff. Es enthält außerdem 0,93 % Argon, 0,0018 % Neon, 0,00052 % Helium, 0,00011 % Krypton und 0,0000087 % Xenon. Andere Bestandteile trockener Luft sind Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan, Stickoxid und Ozon.

Krypton kann auch aus der Spaltung von Uran gewonnen werden, die in Kernkraftwerken stattfindet. Im Gegensatz zu Luft, die nur die stabilen Isotope von Krypton enthält, produziert dieser Prozess sowohl stabile Isotope als auch radioaktive Isotope von Krypton.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Flüssige Luft herstellen

• 1 Luft wird zuerst durch Filter geleitet, um Partikel wie Staub zu entfernen. Die saubere Luft wird dann einem Alkali (einem stark basischen Stoff) ausgesetzt, das Wasser und Kohlendioxid entfernt.
• 2 Die saubere, trockene Luft wird unter hohem Druck komprimiert. Da die Kompression die Temperatur der Luft erhöht, wird sie dann durch Kühlung gekühlt.
• 3 Die gekühlte Druckluft strömt durch Spulen, die sich durch eine leere Kammer wickeln. Ein Teil der Luft, der auf einen etwa zweihundertfach höheren Druck als normal komprimiert wird, kann sich in die Kammer ausdehnen. Diese plötzliche Expansion absorbiert Wärme von den Spulen und kühlt die Druckluft. Der Kompressions- und Expansionsprozess wird wiederholt, bis die Luft auf eine Temperatur von etwa -321 F (-196 ° C) abgekühlt ist, woraufhin die meisten Gase in der Luft in Flüssigkeiten umgewandelt werden.

Trennung der Gase

• 4 Gase mit sehr niedrigen Siedepunkten werden nicht in Flüssigkeiten umgewandelt und können direkt von den anderen entfernt werden. Zu diesen Gasen gehören Helium, Wasserstoff und Neon.
• 5 Ein Prozess, der als fraktionierte Destillation bekannt ist, trennt die verschiedenen Elemente, die in flüssiger Luft enthalten sind. Dieser Prozess beruht darauf, dass die verschiedenen Stoffe bei unterschiedlichen Temperaturen von flüssig in gasförmig umgewandelt werden.
• 6 Die flüssige Luft wird langsam erwärmt. Mit steigender Temperatur werden die Stoffe mit den niedrigsten Siedepunkten zu Gasen und können aus der verbleibenden Flüssigkeit entfernt werden. Argon, Sauerstoff und Stickstoff sind die ersten Stoffe, die bei Erwärmung der flüssigen Luft in Gase umgewandelt werden. Krypton und Xenon haben höhere Siedepunkte und bleiben im flüssigen Zustand, wenn die anderen Bestandteile der Luft zu Gasen geworden sind.

Krypton von Xenon trennen

• 7 Das flüssige Krypton und Xenon werden auf Kieselgel oder auf Aktivkohle absorbiert. Anschließend werden sie noch einmal einer fraktionierten Destillation unterzogen. Die flüssige Mischung wird langsam erwärmt, bis das Krypton in ein Gas umgewandelt wird. Das Xenon hat einen etwas höheren Siedepunkt und bleibt als Flüssigkeit zurück.
• 8 Das Krypton wird gereinigt, indem es über heißes Titanmetall geleitet wird. Diese Substanz neigt dazu, alle Elemente außer Edelgasen zu entfernen.

Trennung der Isotope von Krypton

• 9 Für die meisten Zwecke kann das Krypton nun verpackt werden. Für manche wissenschaftliche Zwecke ist jedoch nur eines der sechs stabilen Isotope von Krypton erwünscht. Um diese Isotope zu trennen, wird ein Verfahren verwendet, das als thermische Diffusion bekannt ist. Dieser Prozess hängt davon ab, dass die Isotope leicht unterschiedliche Dichten haben.
• 10 Das Kryptongas wird in ein langes vertikales Glasrohr gegeben. Durch die Mitte dieses Rohres verläuft vertikal ein beheizter Draht. Der heiße Draht baut einen Konvektionsstrom innerhalb der Röhre auf. Dieser heiße Luftstrom führt dazu, dass die leichteren Isotope an die Spitze der Röhre gelangen, wo sie entfernt werden können.

Verpackung und Versand

• 11 Krypton-Gas wird bei Normaldruck in Glühbirnen aus starkem Glas wie Pyrex oder bei hohem Druck in Stahlkanistern verpackt. Da es sich um eine sehr unreaktive Substanz handelt, ist Krypton sehr sicher. Es ist ungiftig, nicht explosiv und nicht brennbar, daher sind beim Versand keine ungewöhnlichen Vorsichtsmaßnahmen erforderlich.

Qualitätskontrolle

Der wichtigste Faktor bei der Qualitätskontrolle der Kryptonproduktion ist sicherzustellen, dass das Endprodukt nur Krypton enthält. Das Verfahren der fraktionierten Destillation wurde so weit entwickelt, dass aus Luft sehr reine Produkte, einschließlich Krypton, hergestellt werden.

Zufallsproben von Krypton werden durch spektroskopische Analyse auf Reinheit getestet. Bei diesem Vorgang wird eine Substanz erhitzt, bis sie Licht emittiert. Das Licht passiert dann ein Prisma oder ein Gitter, um ein Spektrum zu erzeugen, so wie Sonnenlicht einen Regenbogen erzeugt. Die spektroskopische Analyse eignet sich besonders gut für die Untersuchung von Gasen, da erhitzte Gase dazu neigen, scharfe, helle Linien auf einem Spektrum von reinem Krypton zu erzeugen, sodass festgestellt werden kann, ob Verunreinigungen vorhanden sind.

Nebenprodukte/Abfälle

Krypton ist nur eines von vielen wertvollen Elementen, die durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft hergestellt werden. Mehr als drei Viertel der Luft besteht aus Stickstoff. Stickstoff wird verwendet, um eine Vielzahl von chemischen Verbindungen herzustellen, insbesondere Ammoniak. Da Stickstoff viel weniger reaktiv ist als Sauerstoff, wird Stickstoff verwendet, um viele Stoffe vor Oxidation zu schützen. Flüssiger Stickstoff wird in der Gefriertrocknung und Kühlung verwendet.

Etwa ein Fünftel der Luft besteht aus Sauerstoff. Die Stahlindustrie ist der größte Verbraucher von reinem Sauerstoff. Sauerstoff wird verwendet, um überschüssigen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid aus Stahl zu entfernen. Sauerstoff wird auch zur Behandlung von Abwasser und zur Verbrennung von festen Abfällen verwendet. Als Raketentreibstoff wird flüssiger Sauerstoff verwendet.

Die Edelgase, die aus Luft außer Krypton gewonnen werden, sind Argon, Neon und Xenon. Argon wird in bestimmten Arten von Glühbirnen verwendet. Das Durchleiten von elektrischem Strom durch ein Neon enthaltendes Glasrohr unter niedrigem Druck erzeugt das bekannte Neonzeichen. Xenon wird in Stroboskoplichtern verwendet, um intensive, kurze Lichtblitze zu erzeugen.

Die Zukunft

Die zukünftige Produktion von Krypton wird wahrscheinlich von der Zukunft der Kernenergieproduktion beeinflusst. Da Krypton als Nebenprodukt der Kernspaltung produziert werden kann, könnten Atomkraftwerke in Zukunft eine wichtige Quelle für Krypton werden. Wird die Kernspaltung hingegen weitgehend durch Kernfusion oder andere Formen der Energiegewinnung ersetzt, dürfte Krypton fast ausschließlich ein Produkt der Atmosphäre bleiben.