Criptón

Antecedentes

El criptón es el elemento químico número 36 en la tabla periódica de los elementos. Pertenece al grupo de elementos conocidos como gases nobles. Los otros gases nobles son helio, neón, argón, xenón y radón. En condiciones normales, el criptón es un gas incoloro, insípido e inodoro. Su densidad a temperatura y presión normales es de aproximadamente 0.5 oz por galón (3.7 g por litro), lo que lo hace casi tres veces más pesado que el aire. A temperaturas extremadamente bajas, el criptón puede existir como líquido o sólido. El punto de ebullición del criptón es de -243,81 ° F (-153,23 ° C), y su punto de congelación es solo ligeramente inferior a -251,27 ° F (-157,37 ° C).

El criptón natural es una mezcla de seis isótopos estables. Los isótopos son átomos que tienen el mismo número de protones pero que tienen diferente número de neutrones. El número de protones (el número atómico) determina qué elemento está presente, mientras que el número total de protones y neutrones determina el peso atómico del átomo. Todos los isótopos del kriptón tienen 36 protones y se denominan así por sus pesos atómicos. El criptón-84, que tiene 48 neutrones, es el isótopo más común y constituye el 57% del criptón natural. Los otros isótopos estables de criptón son kriptón-86 (50 neutrones, 17,3%); criptón-82 (46 neutrones, 11,6%); criptón-83 (47 neutrones, 11,5%); criptón-80 (44 neutrones, 2,25%); y criptón-78 (42 neutrones, 0,35%)

El criptón también puede existir como un isótopo radiactivo inestable. Estos isótopos se crean durante reacciones nucleares. Se han producido unos 20 isótopos radiactivos de criptón. Todos estos isótopos, excepto el kriptón-85, son muy inestables, con vidas medias de unas pocas horas o menos. (La vida media de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que la mitad de los átomos de una muestra de la sustancia sufran desintegración radiactiva). El criptón-85, que tiene 36 protones y 49 neutrones, es mucho más estable, con la mitad -vida de 10,73 años.

El criptón se usa con argón en luces fluorescentes para mejorar su brillo y con nitrógeno en luces incandescentes para extender su vida útil. También se utiliza en flashes para producir una luz muy brillante durante un período de tiempo muy corto, para su uso en fotografía de alta velocidad. El criptón-85 radiactivo se puede utilizar para localizar pequeños defectos en superficies metálicas. El gas tiende a acumularse en estos defectos y se puede detectar su radiactividad.

Historial

Los gases nobles eran completamente desconocidos para la humanidad hasta hace relativamente poco tiempo. El primer indicio de su existencia llegó en 1785, cuando el químico inglés Henry Cavendish descubrió que el aire contenía una pequeña cantidad de una sustancia desconocida que era menos reactiva que el nitrógeno. No se supo nada más sobre esta sustancia hasta finales del siglo XIX.

Mientras tanto, el astrónomo británico Joseph Norman Lockyer descubrió un nuevo elemento en 1868. Al analizar la luz del sol, detectó un elemento desconocido al que llamó helio, de la palabra griega helios (sol). No se sabía que existiera helio en la Tierra durante más de un cuarto de siglo.

En 1894, el físico inglés Lord Rayleigh (John William Strutt) y el escocés El aire filtrado se comprime a alta presión, aumentando su temperatura. Luego, el aire comprimido se codifica expandiéndose rápidamente dentro de una cámara. Esta expansión repentina absorbe el calor de las bobinas y enfría el aire comprimido. El proceso de compresión y expansión se repite hasta que la mayoría de los gases presentes en el aire se transforman en líquidos. El químico William Ramsay descubrió una diferencia en la densidad del nitrógeno obtenido del aire y el nitrógeno obtenido del amoníaco. Pronto descubrieron que el nitrógeno atmosférico estaba mezclado con una pequeña cantidad de una sustancia desconocida. Al usar magnesio para absorber el nitrógeno, pudieron aislar la sustancia, a la que llamaron argón, de la palabra griega argos (inactivo), porque no reaccionó con otras sustancias.

En 1895, Ramsay y su asistente Morris William Travers descubrieron que el mineral clevita liberaba argón y helio cuando se calentaba. Esta fue la primera vez que se detectó helio en la Tierra. En 1898, Ramsay y Travers obtuvieron tres nuevos elementos del aire, que se había enfriado hasta convertirlo en líquido. Llamaron a estos elementos krypton, de la palabra griega kryptos (oculto); neón, de la palabra griega neos (nuevo); y xenón, de la palabra griega xenos (extraño).

En 1900, el químico alemán Friedrich Dom notó que el elemento radioactivo radio liberaba helio y un gas radioactivo desconocido a medida que decaía. En 1910, Ramsay y su asistente Robert Whytlaw-Gray determinaron la densidad de este gas desconocido y lo llamaron niton, de la palabra latina nitere (brillar), porque su radiactividad lo hacía brillar cuando se enfriaba hasta convertirse en líquido. Nitón, más tarde conocido como radón, fue el último gas noble descubierto. En 1904, Ramsay recibió el Premio Nobel de Química por su investigación de gases nobles.

Los gases nobles se conocían anteriormente como gases raros o gases inertes. Más tarde se demostró que algunos eran bastante comunes y que otros no eran completamente inactivos. El helio es el segundo elemento más común en el universo y el argón constituye aproximadamente el 1% de la atmósfera de la Tierra. En 1962, Neil Bartlett creó el hexafluoruro de xenón platino, el primer compuesto químico de un gas noble. Los compuestos de radón se crearon el mismo año y los compuestos de criptón en 1963. Ya no se los considera raros o inertes, sino que se conocieron como gases nobles. Al igual que los denominados metales nobles (oro, plata, platino, etc.), no reaccionaban con el oxígeno.

El criptón jugó un papel importante en la ciencia entre 1960 y 1983, cuando la longitud del metro se definió como 1.650.763,73 veces la longitud de onda de la luz roja anaranjada emitida por el criptón-86. El medidor se definió más tarde en términos de la velocidad de la luz en el vacío, pero el criptón sigue utilizándose en la investigación científica.

Para separar el criptón, así como los demás gases, del aire líquido, el aire se calienta lentamente en un proceso llamado destilación fraccionada. Operando bajo el supuesto de que cada líquido tiene su propia temperatura distinta a la que cambia a gas, la destilación fraccionada separa los gases dentro del aire uno a la vez.

Mcateriales sin procesar

Aunque se encuentran rastros de criptón en varios minerales, la fuente más importante de criptón es la atmósfera de la Tierra. El aire es también la fuente más importante de otros gases nobles, con la excepción del helio (obtenido del gas natural) y el radón (obtenido como subproducto de la desintegración de elementos radiactivos). A nivel del mar, el aire seco contiene 78,08% de nitrógeno y 20,95% de oxígeno. También contiene 0,93% de argón, 0,0018% de neón, 0,00052% de helio, 0,00011% de criptón y 0,0000087% de xenón. Otros componentes del aire seco incluyen dióxido de carbono, hidrógeno, metano, óxido nítrico y ozono.

El criptón también se puede obtener de la fisión del uranio, que se produce en las centrales nucleares. A diferencia del aire, que contiene solo los isótopos estables de criptón, este proceso produce tanto isótopos estables como isótopos radiactivos de criptón.

El
proceso de fabricación

Hacer aire líquido

• 1 El aire pasa primero a través de filtros para eliminar las partículas como el polvo. Luego, el aire limpio se expone a un álcali (una sustancia fuertemente básica), que elimina el agua y el dióxido de carbono.
• 2 El aire limpio y seco se comprime a alta presión. Debido a que la compresión eleva la temperatura del aire, luego se enfría mediante refrigeración.
• 3 El aire comprimido enfriado pasa a través de bobinas que se enrollan a través de una cámara vacía. Se permite que una parte del aire, que se comprime a una presión unas doscientas veces mayor que la normal, se expanda hacia el interior de la cámara. Esta expansión repentina absorbe el calor de las bobinas y enfría el aire comprimido. El proceso de compresión y expansión se repite hasta que el aire se ha enfriado a una temperatura de aproximadamente -321 F (-196 ° C), momento en el que la mayoría de los gases en el aire se transforman en líquidos.

Separación de gases

• 4 Los gases con puntos de ebullición muy bajos no se transforman en líquidos y se pueden eliminar de los demás directamente. Estos gases incluyen helio, hidrógeno y neón.
• 5 Un proceso conocido como destilación fraccionada separa los diversos elementos que se encuentran en el aire líquido. Este proceso se basa en el hecho de que las diferentes sustancias se transformarán de líquido a gas a diferentes temperaturas.
• 6 Se deja que el aire líquido se caliente lentamente. A medida que aumenta la temperatura, las sustancias con los puntos de ebullición más bajos se convierten en gases y pueden eliminarse del líquido restante. El argón, el oxígeno y el nitrógeno son las primeras sustancias que se transforman en gases a medida que se calienta el aire líquido. El criptón y el xenón tienen puntos de ebullición más altos y permanecen en estado líquido cuando los otros componentes del aire se han convertido en gases.

Separando el criptón del xenón

• 7 El criptón y el xenón líquidos se absorben en gel de sílice o carbón activado. A continuación, se vuelven a someter a destilación fraccionada. La mezcla líquida se calienta lentamente hasta que el criptón se transforma en gas. El xenón tiene un punto de ebullición algo más alto y permanece como líquido.
• 8 El criptón se purifica pasándolo sobre metal titanio caliente. Esta sustancia tiende a eliminar todos los elementos excepto los gases nobles.

Separación de los isótopos de criptón

• 9 Para la mayoría de los propósitos, el krypton ahora está listo para ser empaquetado. Sin embargo, para algunos propósitos científicos, solo se desea uno de los seis isótopos estables de criptón. Para separar estos isótopos, se utiliza un proceso conocido como difusión térmica. Este proceso depende del hecho de que los isótopos tienen densidades ligeramente diferentes.
• 10 El gas kriptón se coloca en un tubo de vidrio vertical largo. Un alambre calentado corre verticalmente a través del centro de este tubo. El alambre caliente establece una corriente de convección dentro del tubo. Esta corriente de aire caliente tiende a llevar los isótopos más ligeros a la parte superior del tubo, donde pueden eliminarse.

Embalaje y envío

• 11 El gas criptón se envasa en bombillas de vidrio resistente como Pyrex a presión normal o en botes de acero a alta presión. Debido a que es una sustancia altamente no reactiva, el criptón es muy seguro. No es tóxico, no es explosivo ni inflamable, por lo que no requiere precauciones inusuales durante el envío.

Control de calidad

El factor más importante en el control de calidad de la producción de criptón es asegurarse de que el producto final contenga solo criptón. El proceso de destilación fraccionada se ha desarrollado hasta el punto de producir productos muy puros a partir del aire, incluido el criptón.

Se analiza la pureza de muestras aleatorias de criptón mediante análisis espectroscópico. Este proceso implica calentar una sustancia hasta que emita luz. Luego, la luz pasa a través de un prisma o una rejilla para producir un espectro, de la misma manera que la luz solar produce un arco iris. El análisis espectroscópico es particularmente adecuado para estudiar gases, debido a que los gases calentados tienden a producir líneas nítidas y brillantes en un espectro de criptón puro, es posible saber si hay impurezas presentes.

Subproductos / Residuos

El criptón es solo uno de los muchos elementos valiosos producidos por la destilación fraccionada de aire líquido. Más de las tres cuartas partes del aire están formadas por nitrógeno. El nitrógeno se usa para producir una amplia variedad de compuestos químicos, particularmente amoníaco. Debido a que es mucho menos reactivo que el oxígeno, el nitrógeno se usa para proteger muchas sustancias de la oxidación. El nitrógeno líquido se utiliza en la liofilización y la refrigeración.

Aproximadamente una quinta parte del aire se compone de oxígeno. La industria del acero es el mayor consumidor de oxígeno puro. El oxígeno se utiliza para eliminar el exceso de carbono del acero en forma de dióxido de carbono. El oxígeno también se utiliza para tratar las aguas residuales y para incinerar residuos sólidos. El oxígeno líquido se utiliza como combustible para cohetes.

Los gases nobles que se obtienen del aire distintos del criptón son el argón, el neón y el xenón. El argón se usa en ciertos tipos de bombillas. Al pasar una corriente eléctrica a través de un tubo de vidrio que contiene neón a baja presión, se produce el conocido letrero de neón. El xenón se utiliza en luces estroboscópicas para producir ráfagas de luz breves e intensas.

El futuro

Es probable que la producción futura de criptón se vea influida por el futuro de la producción de energía nuclear. Debido a que el criptón se puede producir como un subproducto de la fisión nuclear, las plantas de energía nuclear pueden convertirse en una fuente importante de criptón en el futuro. Por otro lado, si la fisión nuclear se reemplaza en gran medida por la fusión nuclear o por otras formas de producción de energía, es probable que el criptón siga siendo casi en su totalidad un producto de la atmósfera.