Kriptón: Propiedades, Producción y Usos

Antecedentes

El kriptón (número atómico 36) es uno de los gases nobles, compartiendo grupo con helio, neón, argón, xenón y radón. El gas es incoloro, insípido e inodoro en condiciones estándar. Su densidad —aprox. 0,5 oz por galón (3,7 g L⁻¹)— lo hace unas tres veces más pesado que el aire. Cuando se enfría a temperaturas extremadamente bajas, el kriptón se licúa o solidifica; su punto de ebullición es –243,81 °F (–153,23 °C) y su punto de congelación –251,27 °F (–157,37 °C).

En la naturaleza, el kriptón ocurre como mezcla de seis isótopos estables. Los isótopos son átomos que comparten mismo número de protones pero difieren en conteo de neutrones, lo que determina su peso atómico. El isótopo más abundante, kriptón-84 (48 neutrones), representa 57 % del kriptón natural. Los otros isótopos estables son kriptón-86 (17,3 %), kriptón-82 (11,6 %), kriptón-83 (11,5 %), kriptón-80 (2,25 %) y kriptón-78 (0,35 %).

El kriptón también puede producirse como conjunto de isótopos inestables, radiactivos, durante reacciones nucleares. Aproximadamente 20 tales isótopos se han creado en laboratorios; todos excepto kriptón-85 tienen semividas de solo unas horas. Kriptón-85, con 49 neutrones, es comparativamente longevo, desintegrándose con semivida de 10,73 años.

Aplicaciones industriales del kriptón son diversas. Mezclado con argón, realza brillo de lámparas fluorescentes. En bombillas incandescentes, mezcla de kriptón y nitrógeno extiende vida del filamento. Flashbulbs dependen de liberación rápida de kriptón para generar destello breve e intenso para fotografía de alta velocidad. Además, la radiactividad del kriptón-85 se explota en ensayos no destructivos: el gas se acumula en micro-grietas del metal, permitiendo detección de fallos mediante sus emisiones.

Historia

Los gases nobles eran desconocidos para químicos tempranos. En 1785, Henry Cavendish detectó componente inerte en aire que no reaccionaba con nitrógeno. La primera identificación definitiva vino en 1868 cuando Joseph Norman Lockyer, analizando luz solar, descubrió helio y lo nombró por la palabra griega para sol.

En 1894, Lord Rayleigh y William Ramsay descubrieron argón notando diferencia de densidad entre nitrógeno de atmósfera y nitrógeno de amoníaco. Aislaban el gas inerte, nombrándolo por palabra griega para "inactivo". Al año siguiente, Ramsay y Morris Travers observaron que calentar cleveita liberaba helio y argón, marcando primera detección terrestre de helio. En 1898, el dúo enfrió aire a líquido y separó tres nuevos gases —kriptón (griego "oculto"), neón ("nuevo") y xenón ("extraño").

En 1900, Friedrich Dom reportó que desintegración de radio liberaba helio y gas radiactivo desconocido. Para 1910, Ramsay y Robert Whytlaw-Gray midieron su densidad y lo christenaron niton (latín "brillar") porque brillaba al licuarse; luego renombrado radón. Ramsay recibió Nobel de Química en 1904 por investigación en gases nobles.

Inicialmente llamados gases raros o inertes, luego se mostró que son abundantes en atmósfera y pueden formar compuestos. En 1962, Neil Bartlett sintetizó hexafluoruro de xenón, primer compuesto de gas noble; compuestos de kriptón siguieron en 1963. El período 1960-1983 vio el metro definido por longitud de onda de emisión naranja-roja de kriptón-86; definición luego reemplazada por velocidad de la luz.

Materias Primas

Aunque cantidades traza de kriptón aparecen en varios minerales, el aire atmosférico sigue siendo la fuente principal. A nivel del mar, composición de aire seco es 78,08 % nitrógeno, 20,95 % oxígeno, 0,93 % argón, 0,0018 % neón, 0,00052 % helio, 0,00011 % kriptón y 0,0000087 % xenón, con pequeñas cantidades de CO₂, H₂, CH₄, NO y O₃.

En plantas nucleares, el kriptón también puede cosecharse de fisión de uranio. A diferencia del kriptón atmosférico, la fisión produce isótopos estables y radiactivos.

Proceso de Fabricación

Obtención de Aire Líquido

• El aire se filtra primero para eliminar particulados y luego se trata con álcali para absorber agua y CO₂.
• El aire seco se comprime a alta presión, elevando su temperatura; luego se enfría por refrigeración.
• Durante la expansión subsiguiente en cámara, la caída brusca de presión absorbe calor, enfriando el aire a unos –321 °F (–196 °C) y licuando la mayoría de gases atmosféricos.

Separación de Gases

• Gases con puntos de ebullición muy bajos —helio, hidrógeno y neón— se eliminan directamente.
• Destilación fraccionada explota los distintos puntos de ebullición de gases restantes.
• Al calentar el aire líquido, argón, oxígeno y nitrógeno se vaporizan primero; kriptón y xenón permanecen líquidos hasta temperaturas mayores.

Separación de Kriptón de Xenón

• Kriptón y xenón líquidos se adsorben en gel de sílice o carbón activado y luego se someten a destilación fraccionada adicional.
• Calentando la mezcla se libera kriptón como gas mientras xenón permanece líquido por su mayor punto de ebullición.
• Kriptón se purifica pasándolo sobre titanio caliente, que elimina todos los elementos no nobles.

Separación de Isótopos de Kriptón

• Para aplicaciones que requieren un solo isótopo, difusión térmica separa kriptón por diferencias de densidad.
• Un alambre calentado en tubo de vidrio vertical establece convección, llevando isótopos más ligeros a la cima para recolección.

Empaquetado y Envío

• Kriptón se sella en bulbos de Pyrex a presión atmosférica o en cilindros de acero bajo alta presión. Su inertidad lo hace seguro, no tóxico, no explosivo y no inflamable, eliminando requisitos especiales de envío.

Control de Calidad

Pureza se verifica mediante análisis espectroscópico: el gas se calienta y la luz emitida se dispersa por prisma o red para producir espectro. Líneas nítidas y brillantes características de kriptón confirman pureza; cualquier desviación señala contaminación.

Subproductos y Residuos

La destilación fraccionada produce grandes cantidades de nitrógeno (≈75 % del aire), esencial para producir amoníaco y proteger materiales de oxidación. Nitrógeno líquido se usa en criopreservación y refrigeración.

Oxígeno, ~20 % del aire, es consumido intensamente por industria siderúrgica para oxidación de carbono y por aplicaciones ambientales como tratamiento de aguas residuales e incineración de desechos. Oxígeno líquido también sirve como propulsor de cohetes.

Otros gases nobles —argón, neón y xenón— hallan usos de nicho: argón en bombillas y gas de apantallamiento; neón en señalética icónica; xenón en luces estroboscópicas y lámparas de alta intensidad.

Futuro

El suministro futuro de kriptón puede depender de la trayectoria de la energía nuclear. Como subproducto de fisión, reactores nucleares podrían convertirse en fuente significativa. Sin embargo, si fusión o fuentes alternativas suplanta a la fisión, extracción atmosférica seguirá siendo probablemente el método dominante.