KRYPTON: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, OBTENTION, RISQUES, UTILISATIONS - CHIMIE - 2024

Le krypton est un gaz rare représenté par le symbole Kr et situé dans le groupe 18 du tableau périodique. C'est le gaz qui suit l'argon, et son abondance est si faible qu'il était considéré comme caché; c'est de là que vient son nom. On ne le trouve pas presque dans les pierres minérales, mais dans des masses de gaz naturels et à peine dissous dans les mers et les océans.

Son nom à lui seul évoque l'image de Superman, de sa planète Krypton et de la célèbre kryptonite, une pierre qui affaiblit le super-héros et le prive de ses super pouvoirs. Vous pouvez également penser aux crypto-monnaies ou à la crypto lorsque vous en entendez parler, ainsi qu'à d'autres termes qui sont loin de ce gaz dans leur essence.

Flacon de krypton excité par une décharge électrique et brillant de lumière blanche. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Cependant, ce gaz rare est moins extravagant et "caché" par rapport aux chiffres mentionnés ci-dessus; bien que son manque de réactivité n'enlève pas tout l'intérêt potentiel que peut susciter une recherche centrée sur différents domaines, notamment le physique.

Contrairement aux autres gaz rares, la lumière émise par le krypton lorsqu'il est excité dans un champ électrique est blanche (image du haut). Pour cette raison, il est utilisé pour diverses utilisations dans l'industrie de l'éclairage. Il peut remplacer pratiquement n'importe quel néon et émettre le sien, qui se distingue par son vert jaunâtre.

Il se présente dans la nature sous la forme d'un mélange de six isotopes stables, sans parler de certains radio-isotopes destinés à la médecine nucléaire. Pour obtenir ce gaz, l'air que nous respirons doit être liquéfié et son liquide résultant soumis à une distillation fractionnée, où le krypton est ensuite purifié et séparé en ses isotopes constitutifs.

Grâce au krypton, il a été possible d'avancer dans les études de la fusion nucléaire, ainsi que dans les applications des lasers à des fins chirurgicales.

L'histoire

- Découverte de l'élément caché

En 1785, le chimiste et physicien anglais Henry Cavendish découvrit que l'air contenait une petite proportion d'une substance encore moins active que l'azote.

Un siècle plus tard, le physicien anglais Lord Rayleigh isola de l'air un gaz qu'il pensait être de l'azote pur; mais ensuite il découvrit qu'il était plus lourd.

En 1894, le chimiste écossais Sir William Ramsey a collaboré pour isoler ce gaz, qui s'est avéré être un élément nouveau: l'argon. Un an plus tard, il a isolé l'hélium gazeux en chauffant la cleveite minérale.

Sir William Ramsey lui-même, avec son assistant, le chimiste anglais Morris Travers, découvrit le krypton le 30 mai 1898 à Londres.

Ramsey et Travers pensaient qu'il y avait un espace dans le tableau périodique entre les éléments argon et hélium, et un nouvel élément devait remplir cet espace. Ramsey, un mois après la découverte du krypton, en juin 1898, découvrit le néon; élément qui remplissait l'espace entre l'hélium et l'argon.

Méthodologie

Ramsey soupçonnait l'existence d'un nouvel élément caché dans sa précédente découverte, celle de l'argon. Ramsey et Travers, pour tester leur idée, ont décidé d'obtenir un grand volume d'argon de l'air. Pour cela, ils devaient produire la liquéfaction de l'air.

Ensuite, ils ont distillé l'air liquide pour le séparer en fractions et explorer dans les fractions plus légères la présence de l'élément gazeux souhaité. Mais ils ont fait une erreur, apparemment ils ont surchauffé l'air liquéfié et évaporé une grande partie de l'échantillon.

En fin de compte, ils n'avaient que 100 ml de l'échantillon et Ramsey était convaincu que la présence de l'élément plus léger que l'argon dans ce volume était peu probable; mais il a décidé d'explorer la possibilité d'un élément plus lourd que l'argon dans le volume résiduel de l'échantillon.

Suite à sa pensée, il a retiré l'oxygène et l'azote du gaz en utilisant du cuivre et du magnésium chauffés au rouge. Il a ensuite placé un échantillon du gaz restant dans un tube à vide, en lui appliquant une haute tension pour obtenir le spectre du gaz.

Comme prévu, de l'argon était présent, mais ils ont remarqué l'apparition de deux nouvelles raies brillantes dans le spectre; l'un jaune et l'autre vert, tous deux n'ayant jamais été observés.

- Emergence du nom

Ramsey et Travers ont calculé la relation entre la chaleur spécifique du gaz à pression constante et sa chaleur spécifique à volume constant, trouvant une valeur de 1,66 pour cette relation. Cette valeur correspond à un gaz formé par des atomes individuels, montrant qu'il ne s'agit pas d'un composé.

Par conséquent, ils étaient en présence d'un nouveau gaz et du krypton avait été découvert. Ramsey a décidé de l'appeler Krypton, un mot dérivé du mot grec «krypto» qui signifie «caché». William Ramsey a reçu le prix Nobel de chimie en 1904 pour la découverte de ces gaz rares.

Proprietes physiques et chimiques

Apparence

C'est un gaz incolore qui présente une couleur blanche incandescente dans un champ électrique.

Poids atomique standard

83 798 unités

Numéro atomique (Z)

36

Point de fusion

-157,37 ºC

Point d'ébullition

153 415 ºC

Densité

Dans des conditions standard: 3 949 g / L

État liquide (point d'ébullition): 2,413 g / cm ³

Densité relative du gaz

2.9 par rapport à l'air avec une valeur = 1. Autrement dit, le krypton est trois fois plus dense que l'air.

Solubilité dans l'eau

59,4 cm ³ /1000 g à 20 ° C

Point triple

115,775 K et 73,53 kPa

Point critique

209,48 K et 5,525 MPa

Température de fusion

1,64 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

9,08 kJ / mol

Capacité calorique molaire

20,95 J / (mol K)

La pression de vapeur

À une température de 84 K, il a une pression de 1 kPa.

Electronégativité

3.0 sur l'échelle de Pauling

Énergie d'ionisation

Premièrement: 1350,8 kJ / mol.

Deuxièmement: 2350,4 kJ / mol.

Troisièmement: 3 565 kJ / mol.

Vitesse du son

Gaz (23 ºC): 220 m / s

Liquide: 1120 m / s

Conductivité thermique

9,43 · 10 ^-3 W / (m · K)

Ordre

Diamagnétique

Numéro d'oxydation

Le krypton, étant un gaz rare, n'est pas très réactif et ne perd ni ne gagne d'électrons. S'il parvient à former un solide de composition définie, comme c'est le cas avec le clathrate Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ ou son hydrure Kr (H ₂) ₄, on dit alors qu'il participe avec un nombre ou un état d'oxydation de 0 (Kr ⁰); c'est-à-dire que ses atomes neutres interagissent avec une matrice de molécules.

Cependant, le krypton peut formellement perdre des électrons s'il forme des liaisons avec l'élément le plus électronégatif de tous: le fluor. Dans KrF _2, son indice d' oxydation est +2, donc l'existence du cation bivalent Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^-) est supposée.

Réactivité

En 1962, la synthèse du difluorure de krypton (KrF ₂) a été signalée. Ce composé est un solide cristallin très volatil, incolore et se décompose lentement à température ambiante; mais il est stable à -30 ºC. Le fluorure de krypton est un puissant agent oxydant et fluoré.

Le krypton réagit avec le fluor lorsqu'il est combiné dans un tube à décharge électrique à -183 ° C, formant KrF ₂. La réaction se produit également lorsque le krypton et le fluor sont irradiés avec de la lumière ultraviolette à -196 ° C.

KrF ⁺ et Kr ₂ F ₃ ⁺ sont des composés formés par la réaction de KrF ₂ avec de puissants accepteurs de fluorure. Le krypton fait partie d'un composé instable: K (OTeF ₅) ₂, qui a une liaison entre le krypton et un oxygène (Kr-O).

Une liaison krypton-azote se trouve dans le cation HCΞN-Kr-F. Les hydrures de krypton, KrH ₂, peuvent être cultivés à des pressions supérieures à 5 GPa.

Au début du 20e siècle, tous ces composés étaient considérés comme impossibles compte tenu de la réactivité nulle qui a été conçue de ce gaz rare.

Structure et configuration électronique

Atome de krypton

Le krypton, étant un gaz rare, a tout son octet de valence; c'est-à-dire que ses orbitales s et p sont complètement remplies d'électrons, ce qui peut être vérifié dans leur configuration électronique:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

C'est un gaz monoatomique quelles que soient (à ce jour) les conditions de pression ou de température qui y opèrent. Par conséquent, ses trois états sont définis par les interactions interatomiques de ses atomes de Kr, qui peuvent être imaginés comme des billes.

Ces atomes de Kr, comme leurs congénères (He, Ne, Ar, etc.), ne sont pas faciles à polariser, car ils sont relativement petits et ont également une densité électronique élevée; c'est-à-dire que la surface de ces billes n'est pas déformée de manière appréciable pour générer un dipôle instantané qui en induit un autre dans un marbre voisin.

Interactions d'interaction

C'est pour cette raison que la seule force qui maintient les atomes de Kr ensemble est la force de diffusion de Londres; mais ils sont très faibles dans le cas du krypton, de sorte que des températures basses sont nécessaires pour que ses atomes définissent un liquide ou un cristal.

Cependant, ces températures (points d'ébullition et de fusion, respectivement) sont plus élevées que celles de l'argon, du néon et de l'hélium. Cela est dû à la plus grande masse atomique du krypton, équivalente à un rayon atomique plus grand et donc plus polarisable.

Par exemple, le point d'ébullition du krypton est d'environ -153 ºC, tandis que ceux des gaz rares argon (-186 ºC), néon (-246 ºC) et hélium (-269 ºC) sont inférieurs; c'est-à-dire que ses gaz ont besoin de températures plus froides (plus proches de -273,15 ºC ou 0 K) pour pouvoir se condenser en phase liquide.

Nous voyons ici comment la taille de leurs rayons atomiques est directement liée à leurs interactions. La même chose se produit avec leurs points de fusion respectifs, la température à laquelle le krypton cristallise finalement à -157 ºC.

Cristal de Krypton

Lorsque la température chute à -157 ° C, les atomes de Kr s'approchent assez lentement pour se fondre davantage et définir un cristal blanc avec une structure cubique à faces centrées (fcc). Ainsi, il existe maintenant un ordre structurel régi par ses forces de dispersion.

Bien qu'il n'y ait pas beaucoup d'informations à ce sujet, le cristal de krypton fcc peut subir des transitions cristallines vers des phases plus denses s'il est soumis à d'énormes pressions; comme l'hexagonal compact (hcp), dans lequel les atomes de Kr seront plus groupés.

De plus, sans oublier ce point, les atomes de Kr peuvent être piégés dans des cages de glace appelées clathrates. Si la température est suffisamment basse, il peut y avoir des cristaux mixtes de krypton-eau, avec les atomes de Kr disposés et entourés de molécules d'eau.

Où trouver et obtenir

Atmosphère

Le krypton est diffusé dans toute l'atmosphère, incapable d'échapper au champ gravitationnel de la Terre contrairement à l'hélium. Dans l'air que nous respirons, sa concentration est d'environ 1 ppm, bien que cela puisse varier en fonction des émissions gazeuses; que ce soit des éruptions volcaniques, des geysers, des sources chaudes ou peut-être des gisements de gaz naturel.

Comme il est peu soluble dans l'eau, sa concentration dans l'hydrosphère sera probablement négligeable. La même chose se produit avec les minéraux; peu d'atomes de krypton peuvent être piégés en eux. Par conséquent, la seule source de ce gaz rare est l'air.

Liquéfaction et distillation fractionnée

Pour l'obtenir, l'air doit passer par un processus de liquéfaction, de sorte que tous ses gaz composants se condensent et forment un liquide. Ce liquide est ensuite chauffé en appliquant une distillation fractionnée à basses températures.

Une fois que l'oxygène, l'argon et l'azote ont été distillés, le krypton et le xénon restent dans le liquide restant, qui est adsorbé sur du charbon actif ou du gel de silice. Ce liquide est chauffé à -153 ° C pour distiller le krypton.

Enfin, le krypton collecté est purifié par passage à travers du titane métallique chaud, qui élimine les impuretés gazeuses.

Si la séparation de ses isotopes est souhaitée, le gaz est amené à monter à travers une colonne de verre où il subit une diffusion thermique; les isotopes les plus légers remonteront vers le haut, tandis que les plus lourds auront tendance à rester en bas. Ainsi, les isotopes ⁸⁴ Kr et ⁸⁶ Kr, par exemple, se rassemblent séparément en bas.

Le krypton peut être stocké dans des ampoules en verre Pyrex à pression ambiante ou dans des réservoirs en acier hermétiques. Avant son conditionnement il est soumis à un contrôle qualité par spectroscopie, pour certifier que son spectre est unique et ne contient pas de raies d'autres éléments.

Fision nucléaire

Une autre méthode pour obtenir du krypton réside dans la fission nucléaire de l'uranium et du plutonium, à partir de laquelle un mélange de leurs isotopes radioactifs est également produit.

Les isotopes

Le krypton se présente dans la nature sous forme de six isotopes stables. Ceux-ci, avec leurs abondances correspondantes sur Terre, sont: ⁷⁸ Kr (0,36%), ⁸⁰ Kr (2,29%), ⁸² Kr (11,59%), ⁸³ Kr (11,50%), ⁸⁴ Kr (56,99%) et ⁸⁶ Kr (17,28%). Le ⁷⁸ Kr est un isotope radioactif; mais sa demi-vie (t _1/2) est si longue (9,2 · 10 ²¹ ans) qu'elle est pratiquement considérée comme stable.

C'est pourquoi sa masse atomique standard (poids atomique) est de 83,798 u, plus proche des 84 u de l'isotope ⁸⁴ Kr.

En quantités traces, on trouve également le radio-isotope ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2,3 · 10 ⁵), qui est produit lorsque ⁸⁰ Kr reçoit des rayons cosmiques. En plus des isotopes déjà mentionnés, il existe deux radio-isotopes synthétiques: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 heures) et ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 ans); ce dernier est ce qui est produit comme produit de la fission nucléaire de l'uranium et du plutonium.

Des risques

Le krypton est un élément non toxique, car il ne réagit pas dans des conditions normales, ni ne représente un risque d'incendie lorsqu'il est mélangé avec des agents oxydants puissants. Une fuite de ce gaz ne présente aucun danger; à moins que vous ne respiriez directement, ce qui déplace l'oxygène et provoque une suffocation.

Les atomes de Kr entrent et sont expulsés du corps sans participer à aucune réaction métabolique. Cependant, ils peuvent déplacer l'oxygène qui devrait atteindre les poumons et être transporté dans le sang, de sorte que l'individu peut souffrir de narcose ou d'hypoxie, ainsi que d'autres conditions.

Sinon, nous respirons constamment du krypton dans chaque souffle d'air. Maintenant, en ce qui concerne ses composés, l'histoire est différente. Par exemple, KrF ₂ est un puissant agent de fluoration; et par conséquent, il «donnera» des anions F ^- à toute molécule de la matrice biologique qu'il rencontre, étant potentiellement dangereux.

Il est possible qu'un clathrate de krypton (piégé dans une cage de glace) ne soit pas considérablement dangereux, à moins que certaines impuretés ajoutent de la toxicité.

Applications

Les flashs des caméras à grande vitesse sont dus en partie à l'excitation du krypton. Source: Mhoistion

Le krypton est présent dans diverses applications autour d'artefacts ou d'appareils conçus pour l'éclairage. Par exemple, il fait partie des "néons" de couleurs vert jaunâtre. Les lumières «légales» de Krypton sont blanches, car leur spectre d'émission englobe toutes les couleurs du spectre visible.

La lumière blanche du krypton a en fait été utilisée pour les photographies, car elles sont très intenses et rapides, parfaites pour les flashs d'appareils photo à grande vitesse, ou pour les flashs instantanés sur les pistes d'aéroport.

De même, les tubes à décharge électrique qui émanent de cette lumière blanche peuvent être recouverts de papiers colorés, donnant pour effet d'afficher des lumières de nombreuses couleurs sans qu'il soit nécessaire de l'exciter à l'aide d'autres gaz.

Il est ajouté aux ampoules à filament de tungstène pour augmenter leur durée de vie utile, et aux lampes fluorescentes à argon dans le même but, réduisant également leur intensité et augmentant leurs coûts (car il est plus cher que l'argon).

Lorsque le krypton constitue le remplissage gazeux des ampoules à incandescence, il augmente sa luminosité et le rend plus bleuâtre.

Lasers

Les lasers rouges vus dans les spectacles de lumière sont basés sur les raies spectrales du krypton plutôt que sur le mélange hélium-néon.

En revanche, de puissants lasers à rayonnement ultraviolet peuvent être réalisés avec du krypton: ceux du fluorure de krypton (KrF). Ce laser est utilisé pour la photolithographie, les chirurgies médicales, la recherche dans le domaine de la fusion nucléaire et le micro-usinage de matériaux solides et de composés (en modifiant leur surface par l'action du laser).

Définition du compteur

Entre 1960 et 1983, la longueur d'onde de la raie spectrale rouge-orange de l'isotope ⁸⁶ Kr (multipliée par 1 650 763,73) a été utilisée, afin de définir la longueur exacte d'un mètre.

Détection des armes nucléaires

Parce que le radio-isotope ⁸⁵ Kr est l'un des produits de l'activité nucléaire, où il est détecté est une indication qu'il y a eu la détonation d'une arme nucléaire, ou que des activités illégales ou clandestines de cette énergie sont en cours.

Médicament

Le krypton a été utilisé en médecine comme anesthésique, absorbeur de rayons X, détecteur d'anomalies cardiaques et pour couper la rétine des yeux avec ses lasers de manière précise et contrôlée.

Ses radio-isotopes ont également des applications en médecine nucléaire, pour étudier et scanner le flux d'air et de sang dans les poumons, et pour obtenir des images de résonance magnétique nucléaire des voies respiratoires du patient.

Références

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