Criptônio: história, propriedades, estrutura, obtenção, riscos, usos - Ciência - 2023

Contente

o criptônio É um gás nobre que é representado pelo símbolo Kr e está localizado no grupo 18 da tabela periódica. É o gás que segue o argônio, e sua abundância é tão baixa que foi considerado oculto; é daí que vem o seu nome. Não é encontrado quase em pedras minerais, mas em massas de gases naturais e dificilmente se dissolve nos mares e oceanos.

Só seu nome evoca a imagem do Superman, seu planeta Krypton e a famosa kryptonita, uma pedra que enfraquece o super-herói e o priva de seus superpoderes. Você também pode pensar em criptomoedas ou criptomoedas quando ouvir falar disso, bem como outros termos que estão longe desse gás em sua essência.

No entanto, esse gás nobre é menos extravagante e "escondido" em comparação com as figuras mencionadas acima; embora sua falta de reatividade não elimine todo o potencial interesse que pode despertar em pesquisas voltadas para diferentes campos, especialmente o físico.

Ao contrário dos outros gases nobres, a luz emitida pelo criptônio quando excitado em um campo elétrico é branca (imagem superior). Por isso, é utilizado para diversos usos na indústria de iluminação. Pode substituir praticamente qualquer luz neon e emitir a sua própria, que se distingue por ser verde amarelado.

Ocorre na natureza como uma mistura de seis isótopos estáveis, sem falar de alguns radioisótopos destinados à medicina nuclear. Para obter esse gás, o ar que respiramos deve ser liquefeito e seu líquido resultante submetido à destilação fracionada, onde o criptônio é então purificado e separado em seus isótopos constituintes.

Graças ao criptônio, tem sido possível avançar nos estudos da fusão nuclear, bem como nas aplicações dos lasers para fins cirúrgicos.

História

- Descoberta do elemento oculto

Em 1785, o químico e físico inglês Henry Cavendish descobriu que o ar continha uma pequena proporção de uma substância ainda menos ativa do que o nitrogênio.

Um século depois, o físico inglês Lord Rayleigh, isolou do ar um gás que ele pensava ser nitrogênio puro; mas então ele descobriu que era mais pesado.

Em 1894, o químico escocês Sir William Ramsey colaborou para isolar esse gás, que se revelou um novo elemento: o argônio. Um ano depois, ele isolou o gás hélio aquecendo a cleveita mineral.

O próprio Sir William Ramsey, junto com seu assistente, o químico inglês Morris Travers, descobriu o criptônio em 30 de maio de 1898, em Londres.

Ramsey e Travers acreditavam que havia um espaço na tabela periódica entre os elementos argônio e hélio, e um novo elemento deveria preencher esse espaço. Ramsey, um mês após a descoberta do criptônio, em junho de 1898, descobriu o néon; elemento que preencheu o espaço entre o hélio e o argônio.

Metodologia

Ramsey suspeitou da existência de um novo elemento oculto em sua descoberta anterior, o argônio. Ramsey e Travers, para testar sua ideia, decidiram tirar um grande volume de argônio do ar. Para isso, eles tiveram que produzir a liquefação do ar.

Em seguida, destilaram o ar líquido para separá-lo em frações e explorar nas frações mais leves a presença do elemento gasoso desejado. Mas eles se enganaram, aparentemente superaqueceram o ar liquefeito e evaporaram boa parte da amostra.

No final, eles tinham apenas 100 mL da amostra e Ramsey estava convencido de que a presença do elemento mais leve que o argônio naquele volume era improvável; mas ele decidiu explorar a possibilidade de um elemento mais pesado que o argônio no volume residual da amostra.

Seguindo seu pensamento, ele removeu o oxigênio e o nitrogênio do gás usando cobre e magnésio em brasa. Ele então colocou uma amostra do gás remanescente em um tubo de vácuo, aplicando uma alta voltagem para obter o espectro do gás.

Como esperado, o argônio estava presente, mas eles notaram o aparecimento no espectro de duas novas linhas brilhantes; um amarelo e outro verde, ambos nunca observados.

- Emergência do nome

Ramsey e Travers calcularam a relação entre o calor específico do gás em pressão constante e seu calor específico em volume constante, encontrando um valor de 1,66 para essa relação. Este valor correspondeu a um gás formado por átomos individuais, mostrando que não era um composto.

Portanto, eles estavam na presença de um novo gás e o criptônio foi descoberto. Ramsey decidiu chamá-lo de Krypton, uma palavra derivada da palavra grega "krypto", que significa "escondido". William Ramsey recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1904 pela descoberta desses gases nobres.

Propriedades físicas e químicas

Aparência

É um gás incolor que exibe uma cor branca incandescente em um campo elétrico.

Peso atômico padrão

83.798 u

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

-157,37 ºC

Ponto de ebulição

153.415 ºC

Densidade

Sob condições padrão: 3.949 g / L

Estado líquido (ponto de ebulição): 2,413 g / cm³

Densidade relativa do gás

2.9 em relação ao ar com valor = 1. Ou seja, o criptônio é três vezes mais denso que o ar.

Solubilidade em água

59,4 cm³/ 1.000 g a 20 ° C

Ponto Triplo

115,775 K e 73,53 kPa

Ponto crítico

209,48 K e 5,525 MPa

Calor de fusão

1,64 kJ / mol

Calor da vaporização

9,08 kJ / mol

Capacidade calórica molar

20,95 J / (mol K)

Pressão de vapor

A uma temperatura de 84 K, ele tem uma pressão de 1 kPa.

Eletro-negatividade

3,0 na escala Pauling

Energia de ionização

Primeiro: 1.350,8 kJ / mol.

Segundo: 2.350,4 kJ / mol.

Terceiro: 3.565 kJ / mol.

Velocidade do som

Gás (23 ºC): 220 m / s

Líquido: 1.120 m / s

Condutividade térmica

9,43·10^-3 W / (mK)

Ordemmagnético

Diamagnético

Número de oxidação

O criptônio, sendo um gás nobre, não é muito reativo e não perde ou ganha elétrons. Se conseguir formar um sólido de composição definida, como acontece com o clatrato Kr₈(H₂OU)₄₆ou seu hidreto Kr (H₂)₄, diz-se então que participa com um número ou estado de oxidação de 0 (Kr⁰); isto é, seus átomos neutros interagem com uma matriz de moléculas.

No entanto, o criptônio pode perder elétrons formalmente se formar ligações com o elemento mais eletronegativo de todos: o flúor. No KrF₂ seu número de oxidação é +2, então a existência do cátion divalente Kr é assumida²⁺ (Kr²⁺F₂^–).

Reatividade

Em 1962, a síntese de difluoreto de criptônio (KrF₂) Este composto é um sólido cristalino incolor, altamente volátil e se decompõe lentamente à temperatura ambiente; mas é estável a -30 ºC. O fluoreto de criptônio é um poderoso agente de oxidação e fluoração.

O criptônio reage com o flúor quando se combinam em um tubo de descarga elétrica a -183 ° C, formando KrF₂. A reação também ocorre quando o criptônio e o flúor são irradiados com luz ultravioleta a -196 ° C.

O KrF⁺ e Kr₂F₃⁺ são compostos formados pela reação de KrF₂ com fortes aceitadores de flúor. Krypton é parte de um composto instável: K (OTeF₅)₂, que apresenta uma ligação entre o criptônio e um oxigênio (Kr-O).

Uma ligação criptônio-nitrogênio é encontrada no cátion HCΞN-Kr-F. Hidretos de criptônio, KrH₂, pode ser cultivado em pressões superiores a 5 GPa.

No início do século 20, todos esses compostos eram considerados impossíveis, dada a reatividade zero que se concebia desse gás nobre.

Estrutura e configuração eletrônica

Átomo de criptônio

Krypton, sendo um gás nobre, tem todo o seu octeto de valência; ou seja, seus orbitais s e p estão completamente preenchidos com elétrons, o que pode ser verificado em sua configuração eletrônica:

[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶

É um gás monoatômico, independentemente (até o momento) das condições de pressão ou temperatura que operam nele. Portanto, seus três estados são definidos pelas interações interatômicas de seus átomos de Kr, que podem ser imaginados como mármores.

Esses átomos de Kr, assim como seus congêneres (He, Ne, Ar, etc.), não são fáceis de polarizar, uma vez que são relativamente pequenos e também possuem uma alta densidade de elétrons; ou seja, a superfície desses mármores não é deformada de forma apreciável para gerar um dipolo instantâneo que induz outro em um mármore vizinho.

Interações de interação

É por essa razão que a única força que mantém os átomos de Kr juntos é a força de dispersão de Londres; mas eles são muito fracos no caso do criptônio, então baixas temperaturas são necessárias para que seus átomos definam um líquido ou cristal.

No entanto, essas temperaturas (pontos de ebulição e fusão, respectivamente) são mais altas em comparação com argônio, néon e hélio. Isso se deve à maior massa atômica do criptônio, equivalente a um raio atômico maior e, portanto, mais polarizável.

Por exemplo, o ponto de ebulição do criptônio é em torno de -153 ºC, enquanto os dos gases nobres argônio (-186 ºC), néon (-246 ºC) e hélio (-269 ºC) são menores; em outras palavras, seus gases precisam de temperaturas mais frias (próximas a -273,15 ºC ou 0 K) para poderem se condensar na fase líquida.

Aqui, vemos como o tamanho de seus raios atômicos está diretamente relacionado às suas interações. O mesmo acontece com seus respectivos pontos de fusão, temperatura em que o criptônio finalmente cristaliza a -157 ºC.

Cristal de criptônio

Quando a temperatura cai para -157 ° C, os átomos de Kr se aproximam lentamente o suficiente para que se aglutinem ainda mais e definam um cristal branco com uma estrutura cúbica de face centrada (fcc). Assim, existe agora uma ordem estrutural governada por suas forças de dispersão.

Embora não haja muita informação sobre isso, o cristal de criptônio fcc pode sofrer transições cristalinas para fases mais densas se for sujeito a pressões enormes; como o hexagonal compacto (hcp), no qual os átomos de Kr estarão mais agrupados.

Além disso, sem deixar esse ponto de lado, os átomos de Kr podem ficar presos em gaiolas de gelo chamadas clatratos. Se a temperatura for baixa o suficiente, talvez haja uma mistura de cristais de criptônio e água, com os átomos de Kr dispostos e rodeados por moléculas de água.

Onde encontrar e obter

Atmosfera

Krypton é difundido por toda a atmosfera, incapaz de escapar do campo gravitacional da Terra, ao contrário do hélio. No ar que respiramos, sua concentração gira em torno de 1 ppm, embora possa variar dependendo das emissões gasosas; sejam erupções vulcânicas, gêiseres, fontes termais ou talvez depósitos de gás natural.

Por ser pouco solúvel em água, sua concentração na hidrosfera é provavelmente desprezível. A mesma coisa acontece com os minerais; poucos átomos de criptônio podem ficar presos dentro deles. Portanto, a única fonte desse gás nobre é o ar.

Liquefação e destilação fracionada

Para obtê-lo, o ar precisa passar por um processo de liquefação, para que todos os seus gases componentes se condensem e formem um líquido. Em seguida, esse líquido é aquecido pela aplicação de destilação fracionada em baixas temperaturas.

Uma vez que o oxigênio, o argônio e o nitrogênio foram destilados, o criptônio e o xenônio permanecem no líquido remanescente, que é adsorvido no carvão ativado ou gel de sílica. Este líquido é aquecido a -153 ºC para destilar o criptônio.

Finalmente, o criptônio coletado é purificado passando por titânio metálico quente, que remove as impurezas gasosas.

Se a separação de seus isótopos for desejada, o gás é feito subir por uma coluna de vidro onde sofre difusão térmica; os isótopos mais leves irão subir para o topo, enquanto os mais pesados tenderão a ficar na parte inferior. Assim, o isótopo ⁸⁴Kr e ⁸⁶Kr, por exemplo, são coletados separadamente no fundo.

O criptônio pode ser armazenado em lâmpadas de vidro Pyrex à pressão ambiente ou em tanques de aço herméticos. Antes de embalar é submetido a um controle de qualidade por espectroscopia, para certificar que seu espectro é único e não contém linhas de outros elementos.

Nuclear fision

Outro método para obter o criptônio consiste na fissão nuclear do urânio e do plutônio, a partir do qual também é produzida uma mistura de seus isótopos radioativos.

Isótopos

O criptônio ocorre na natureza como seis isótopos estáveis. Estes, com suas abundâncias correspondentes na Terra, são: ⁷⁸Kr (0,36%), ⁸⁰Kr (2,29%), ⁸²Kr (11,59%), ⁸³Kr (11,50%), ⁸⁴Kr (56,99%) e ⁸⁶Kr (17,28%). o ⁷⁸Kr é um isótopo radioativo; mas é meia vidat_1/2) é tão grande (9.210²¹ anos) que é praticamente considerado estável.

É por isso que sua massa atômica padrão (peso atômico) é 83,798 u, mais próxima dos 84 u do isótopo. ⁸⁴Kr.

Em pequenas quantidades, o radioisótopo também é encontrado ⁸¹Kr (t_1/2= 2,3·10⁵), que ocorre quando o ⁸⁰Kr recebe raios cósmicos. Além dos isótopos já mencionados, existem dois radioisótopos sintéticos: ⁷⁹Kr (t_1/2= 35 horas) e ⁸⁵Kr (t_1/2= 11 anos); o último é o que é produzido como produto da fissão nuclear do urânio e do plutônio.

Riscos

O criptônio é um elemento atóxico, pois não reage em condições normais, nem representa risco de incêndio quando misturado com agentes oxidantes fortes. Um vazamento desse gás não representa nenhum perigo; a menos que você respire diretamente, deslocando o oxigênio e causando asfixia.

Os átomos de Kr entram e são expulsos do corpo sem participar de nenhuma reação metabólica. Porém, eles podem deslocar o oxigênio que deveria chegar aos pulmões e ser transportado pelo sangue, fazendo com que o indivíduo sofra de narcose ou hipóxia, além de outras condições.

Caso contrário, respiramos constantemente criptônio em cada respiração. Agora, com relação aos seus compostos, a história é diferente. Por exemplo, o KrF₂ é um poderoso agente de fluoração; e, portanto, "dará" ânions F^–a qualquer molécula da matriz biológica que se encontre, sendo potencialmente perigosa.

Um clatrato de criptônio (preso em uma gaiola de gelo) pode não ser consideravelmente perigoso, a menos que haja certas impurezas que adicionam toxicidade.

Formulários

Krypton está presente em várias aplicações em torno de artefatos ou dispositivos projetados para iluminação. Por exemplo, faz parte das "luzes de néon" de cores verdes amareladas. As luzes "legais" de Krypton são brancas, já que seu espectro de emissão abrange todas as cores no espectro visível.

A luz branca do criptônio tem realmente sido usada para fotografias, pois são muito intensas e rápidas, sendo perfeitas para flashes de câmeras de alta velocidade, ou para flashes instantâneos em pistas de aeroportos.

Da mesma forma, os tubos de descarga elétrica que emanam esta luz branca podem ser recobertos com papéis coloridos, dando o efeito de exibir luzes de várias cores sem a necessidade de excitar com outros gases.

É adicionado às lâmpadas com filamento de tungstênio para aumentar sua vida útil e às lâmpadas fluorescentes de argônio para o mesmo fim, reduzindo também sua intensidade e aumentando seus custos (por ser mais caro que o argônio).

Quando o criptônio compõe o enchimento gasoso das lâmpadas incandescentes, ele aumenta seu brilho e o torna mais azulado.

Lasers

Os lasers vermelhos vistos em shows de luz são baseados nas linhas espectrais do criptônio, em vez da mistura de hélio-neon.

Por outro lado, lasers de radiação ultravioleta poderosos podem ser feitos com criptônio: aqueles de fluoreto de criptônio (KrF). Este laser é usado para fotolitografia, cirurgias médicas, pesquisas no campo da fusão nuclear e micro-usinagem de materiais sólidos e compostos (modificando sua superfície pela ação do laser).

Definição do medidor

Entre 1960 e 1983, o comprimento de onda da linha espectral vermelho-laranja do isótopo foi usado. ⁸⁶Kr (multiplicado por 1.650.763,73), para definir o comprimento exato de um metro.

Detecção de armas nucleares

Porque o radioisótopo ⁸⁵Kr é um dos produtos da atividade nuclear, onde for detectado é um indício de que houve a detonação de uma arma nuclear, ou que atividades ilegais ou clandestinas dessa energia estão sendo realizadas.

Remédio

O Krypton tem sido usado na medicina como anestésico, absorvedor de raios-X, detector de anormalidades cardíacas e para cortar a retina dos olhos com seus lasers de maneira precisa e controlada.

Seus radioisótopos também têm aplicações em medicina nuclear, para estudar e rastrear o fluxo de ar e sangue nos pulmões e para obter imagens de ressonância magnética nuclear das vias aéreas do paciente.

Referências

Gary J. Schrobilgen. (28 de setembro de 2018). Krypton. Encyclopædia Britannica. Recuperado de: britannica.com
Wikipedia. (2019). Krypton. Recuperado de: en.wikipedia.org
Michael Pilgaard. (2016, 16 de julho). Krypton Chemical Reactions. Recuperado de: pilgaardelements.com
Cristalografia365. (16 de novembro de 2014). Um material super legal - a estrutura de cristal de Krypton. Recuperado de: crystallography365.wordpress.com
Dr. Doug Stewart. (2019). Fatos sobre o elemento Krypton. Chemicool. Recuperado de: chemicool.com
Marques Miguel. (s.f.). Krypton. Recuperado de: nautilus.fis.uc.pt
Advameg. (2019). Krypton. Como os produtos são feitos. Recuperado de: madehow.com
AZoOptics. (25 de abril de 2014). Laser Excimer Fluoride de Krypton - Propriedades e Aplicações. Recuperado de: azooptics.com