Krypton (Kr) – właściwości, działanie i występowanie
Krypton (Kr) jest jednym z najrzadszych gazów na Ziemi. Jego znaczenie i zastosowania również są dość ograniczone, ale do światowej pop-kultury wpisał się już jako fikcyjna planeta, z której pochodzi komiksowy Superman. Faktycznie, twórcy opowieści o niezwyciężonym człowieku z peleryną zainspirowali się nazwą niezwykłego pierwiastka. Paradoksalnie, krypton posiada bowiem rzeczywiście bardzo specyficzne „supermoce”!
Jako bliski krewniak neonu, argonu i ksenonu, krypton zaliczanych jest do gazów szlachetnych. Mowa o pierwiastkach składających się na 18 grupę tablicy Mendelejewa, które tworzą dość nietypowe jednoatomowe cząsteczki.
Historia kryptonu
Odkrycie kryptonu było czystym przypadkiem. W 1898 r. dwóch brytyjskich chemików, William Ramsay oraz Morris Travers, próbowali wyizolować z powietrza argon, mając nadzieję, że przy okazji odkryją jeszcze lżejszy pierwiastek, który pomoże im wypełnić lukę w układzie okresowym. Wskutek błędu nadgorliwości przesadnie silne odparowywanie dało im w efekcie 25 cm3 znacznie cięższego gazu. Analiza jego spektrum wykazała, że chodziło o zupełnie nowy pierwiastek chemiczny, który nazwano właśnie kryptonem – z greckiego „kryptos”, czyli ukryty.
Co ciekawe, Ramsay i Travers dzięki wspólnej pracy zidentyfikowali i opisali także ksenon i neon, zaś Ramsey za odkrycie argonu otrzymał w 1904 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W 1960 r. Międzynarodowe Biuro Miar i Wag zmieniło oficjalną definicję 1 metra na 1,650,763.73 fali światła emitowanego przez izotop krypton-86. Po 23 latach podstawową jednostkę miary przedefiniowano jednak ponownie, wykorzystując raczej specyficzny dystans pokonywany przez światło w warunkach próżni.
Właściwości kryptonu – jakie związki tworzy?
Obecności kryptonu nie da się wykryć ludzkimi zmysłami – gaz jest całkowicie bezwonny, pozbawiony smaku i bezbarwny. Trzy razy cięższy niż powietrze, po poddaniu działaniu prądu elektrycznego emituje dymiąco światło białe. W temperaturze poniżej -153,4 stopni C ulega skropleniu, zaś poniżej -157,4 stopni C tworzy ciało stałe przyjmujące postać białych sześciennych kryształów – ta własność upodabnia go do innych gazów szlachetnych. Po zmieszaniu np. z neonem emituje charakterystyczne żółto-zielone światło wykorzystywane… w neonach!
Krypton jest produktem rozpadu uranu i plutonu. W atmosferze występuje jego pięć stabilnych izotopów oraz Kr-78 uznawany za prawie stabilny dzięki wyjątkowo długiemu czasu połowicznego rozpadu. Dodatkowo znamy nawet 30 niestabilnych izotopów, spośród których największe znaczenie mają Kr-81 powstały w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego, o czasie połowicznego rozpadu na poziomie aż 229 tysięcy lat, oraz Kr-85 otrzymywany w reaktorach nuklearnych i podczas testowania bomb atomowych, rozpadający się połowicznie w czasie 10,7 lat.
Ze względu na pełną powłokę elektronową krypton jest pierwiastkiem obojętnym – w ogromnej większości przypadków nie bierze udziału w reakcjach z innymi atomami. W odróżnieniu od neonu, tworzy jednak nieliczne związki chemiczne. Gdy połączy się go z fluorem w rurce wyładowczej w temperaturze -183 stopni C, powstanie difluorek kryptonu (KrF2) – bezbarwne krystaliczne ciało stałe, które powoli rozkłada się w temperaturze pokojowej. Związek ma charakter silnie fluoryzujący i zarazem jest jedną z najsilniejszych, znanych współcześnie substancji utleniających.
KrF2 poddawany działaniu silnych akceptorów jonów fluorowych daje również bardzo złożone sole antymonu czy astatu. Ponadto kation KrF+ w ściśle określonych warunkach może tworzyć bardzo rzadkie związki z azotem oraz tlenem.
Występowanie i pozyskiwanie kryptonu
Krypton obecny jest w niektórych minerałach i meteorytach, ale jego najlepszym źródłem jest atmosfera, gdzie objętościowo stanowi 1,14 ppm (liczba części na milion). Mówiąc innymi słowy, na jeden atom kryptonu w atmosferze przypada 8200 atomów argonu, 184 000 cząsteczek tlenu oraz 685 000 cząsteczek azotu. Uważa się, że większe ilości kryptony znajdują się w gwiazdach, zwłaszcza Słońcu.
Ponieważ temperatura wrzenia kryptonu jest o 30-40 stopni C wyższa niż innych składników powietrza, nie jest problemem wyizolowanie go z atmosfery za pomocą destylacji frakcyjnej. Adsorbowany na żel krzemionkowy, ponownie destylowany i przepuszczany nad rozgrzanym tytanem, daje się bardzo skutecznie oczyścić. Do celów komercyjnych krypton pozyskuje się ze skroplonego powietrza.
Zastosowania kryptonu
Zdolność do emitowania idealnie białego światła pod wpływem prądu elektrycznego sprawiła, że krypton znalazł zastosowanie w produkcji energooszczędnych żarówek, lamp fluorescencyjnych i fleszy wykorzystywanych w fotografii prędkościowej oraz reflektorach lotniskowych. Niestety, wadą wyjątkowego gazu jest jego cena – krypton jest nawet 100 droższy niż argon.
Lasery kryptonowo-fluorowe odgrywają też znaczącą rolę w badaniach naukowych. Są one w stanie wyprodukować impuls energii o 500 razy większej mocy niż cała sieć elektryczna Stanów Zjednoczonych – asocjacja z Supermanem jest więc dość oczywista. W 2014 r. krypton zasłużył sobie nawet na wpis do Księgi Światowych Rekordów Guinnessa, po tym jak naukowcy z jego pomoc wprawili plastikową folię w ruch o prędkości 1000 km na sekundę! Dalsze eksperymenty pozwoliły zwiększyć ten rekord do 1180 km/s, co otwiera nowe perspektywy w zakresie fuzji nuklearnej.
Ciekawe zastosowanie posiada radioaktywny izotop Kr-81, który tak jak C-14, wykorzystywany jest do oznaczania wieku. Naukowcy mierząc jego poziom w lodowcach są w stanie określić jak stare są poszczególne pokłady lodu. Technologia ta, choć bardzo ciekawa i perspektywiczna, ma jednak jeden słaby punkt – wymaga wykorzystania większych ilości lodu do badań, co często przysparza technicznych trudności. Badając zmrożoną wodę na Antarktydzie możemy jednak spróbować rozwikłać zagadkę zmian klimatycznych zachodzących nawet przed 1,5 miliona lat. Kr-81 wykorzystywano już także do oceny wieku wód podziemnych na Saharze. Okazało się, że są one ukryte przed światłem dziennym już od ponad miliona lat.
Kr-85 wykorzystywany jest do wykrywanie przecieków w teoretycznie szczelnych pojemnikach. Wykrycie pojedynczych jego atomów na zewnątrz oznacza niedostateczny poziom szczelności. Z kolei identyfikacja większych ilości izotopu służy wykrywaniu tajnych miejsc produkcji i testowania broni atomowej – zaobserwowano je już na przykład na granicach Korei Północnej.
Ciekawostka:
Krypton okazyjnie wykorzystywany jest również do wypełniania komór w pakietach szybowych. W satelitach Space X znajduje zastosowanie jako paliwo napędowe. Kr-83 używany jest natomiast w badanach rezonansu magnetycznego (MRI) dróg oddechowych.
Wpływ kryptonu na zdrowie
Kryptom nie posiada żadnej znanej nam roli biologicznej. W świetle współczesnej wiedzy klasyfikowany jest natomiast jako nietoksyczny środek duszący. Inhalacja większych jego ilości wywoływać może zawroty głowy, mdłości, wymioty, utratę przytomności, a nawet śmierć. Ta ostatnia bywa najczęściej wynikiem wypadków wynikających z ogólnego otumanienia. Przy niskim poziomie tlenu uduszenie wskutek ekspozycji na krypton może nastąpić nawet w przeciągu kilku sekund!
Choć szanse na kontakt z grożącymi zdrowiu ilościami kryptonu są dość niskie, należy jednak zdawać sobie sprawę, że człowiek nie ma możliwości stwierdzenia, w jakim stopniu krypton wyparł tlen z powietrza. Zdaniem naukowców, dopiero w sytuacji, gdy krypton osiągnie 50%-ową koncentrację jesteśmy w stanie zaobserwować oznaki duszenia. Pierwszymi symptomami są zwykle przyspieszone oddychanie, po którym następuje stłumienie czujności umysłowej oraz osłabienie koordynacji mięśni.
Krypton a ekologia
Dzięki znikomym ilościom kryptonu w atmosferze, nie zagraża on w żaden szczególny sposób środowisku naturalnemu. Owszem, przy obniżeniu temperatury do -244 stopni oC zamrażałby organizmy żywe już przy pierwszym kontakcie, ale nie jest to realny scenariusz w przyrodzie.
Większe niebezpieczeństwo stwarza niestety wspomniany już izotop Kr-85, będący produktem ubocznym przemian nuklearnych. Zdaniem naukowców wzrost jego poziomu w atmosferze jest w kolejnych dekadach nieunikniony i oznaczać będzie stale postępujące zwiększenie poziomu elektrycznego przewodnictwa powietrza, zwłaszcza nad powierzchnią oceanów. Trudno na dzień dzisiejszy oszacować wszystkie skutki tego zjawiska. Oczekuje się, że najpoważniejsze konsekwencje wiązać się będą z ekstremami meteorologicznymi. Obecnie najwyższe stężenia Kr-85 obserwuje się nad Biegunem Północnym. Kontrolowanie uwalnianie radioaktywnego izotopu z elektrowni jądrowych jak dotąd nie jest, niestety, praktykowane.
- „Facts About Krypton” Stephanie Pappas, https://www.livescience.com/32076-krypton.html, 21/12/2021;
- “Krypton” Britannica, https://www.britannica.com/science/krypton-chemical-element, 21/12/2021;
- “Krypton” Royal Society of Chemistry, https://www.rsc.org/periodic-table/element/36/krypton, 21/12/2021;
- “Krypton – Kr” Lenntech, https://www.lenntech.com/periodic/elements/kr.htm, 21/12/2021;
- “Krypton-85 pollution and atmospheric electricity” R.G.Harrison i in., https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/1352231094900418, 21/12/2021;
- “Krypton” Vedantu, https://www.vedantu.com/chemistry/krypton, 21/12/2021;
