Criptônio

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Antecedentes

Krypton é o elemento químico número 36 na tabela periódica dos elementos. Pertence ao grupo de elementos conhecidos como gases nobres. Os outros gases nobres são hélio, néon, argônio, xenônio e radônio. Em condições normais, o criptônio é um gás incolor, insípido e inodoro. Sua densidade em temperatura e pressão normais é de cerca de 0,5 oz por galão (3,7 g por litro), tornando-o quase três vezes mais pesado que o ar. Em temperaturas extremamente baixas, o criptônio pode existir como um líquido ou sólido. O ponto de ebulição do criptônio é -243,81 ° F (-153,23 ° C) e seu ponto de congelamento é apenas ligeiramente inferior a -251,27 ° F (-157,37 ° C).

O criptônio natural é uma mistura de seis isótopos estáveis. Isótopos são átomos que possuem o mesmo número de prótons, mas que possuem diferentes números de nêutrons. O número de prótons (o número atômico) determina qual elemento está presente, enquanto o número total de prótons e nêutrons determina o peso atômico do átomo. Todos os isótopos do criptônio têm 36 prótons e são nomeados por seus pesos atômicos. O criptônio-84, que tem 48 nêutrons, é o isótopo mais comum e constitui 57% do criptônio natural. Os outros isótopos estáveis ​​do criptônio são o criptônio-86 (50 nêutrons, 17,3%); criptônio-82 (46 nêutrons, 11,6%); criptônio-83 (47 nêutrons, 11,5%); criptônio-80 (44 nêutrons, 2,25%); e criptônio-78 (42 nêutrons, 0,35%)

Krypton também pode existir como um isótopo radioativo instável. Esses isótopos são criados durante as reações nucleares. Cerca de 20 isótopos radioativos de criptônio foram produzidos. Todos esses isótopos, exceto o criptônio-85, são muito instáveis, com meia-vida de algumas horas ou menos. (A meia-vida de uma substância radioativa é o tempo necessário para que metade dos átomos em uma amostra da substância sofra decaimento radioativo.) Krypton-85, que tem 36 prótons e 49 nêutrons, é muito mais estável, com metade -vida de 10,73 anos.

O criptônio é usado com argônio em lâmpadas fluorescentes para melhorar seu brilho e com nitrogênio em lâmpadas incandescentes para estender sua vida útil. Também é usado em flashes para produzir uma luz muito brilhante por um período muito curto de tempo, para uso em fotografia de alta velocidade. O criptônio-85 radioativo pode ser usado para localizar pequenas falhas em superfícies de metal. O gás tende a se acumular nessas falhas e sua radioatividade pode ser detectada.

História

Os gases nobres eram completamente desconhecidos da humanidade até bem recentemente. O primeiro indício de sua existência veio em 1785, quando o químico inglês Henry Cavendish descobriu que o ar continha uma pequena quantidade de uma substância desconhecida que era menos reativa do que o nitrogênio. Nada mais se sabia sobre essa substância até o final do século XIX.

Enquanto isso, o astrônomo britânico Joseph Norman Lockyer descobriu um novo elemento em 1868. Ao analisar a luz do sol, ele detectou um elemento desconhecido que chamou de hélio, da palavra grega helios (sol). Não se sabia da existência de hélio na Terra por mais de um quarto de século.

Em 1894, o físico inglês Lord Rayleigh (John William Strutt) e o escocês O ar filtrado é comprimido sob alta pressão, aumentando sua temperatura. O ar comprimido é então codificado expandindo-se rapidamente dentro de uma câmara. Essa expansão repentina absorve o calor das bobinas, resfriando o ar comprimido. O processo de compressão e expansão se repete até que a maior parte dos gases presentes no ar se transformem em líquidos. o químico William Ramsay descobriu uma diferença na densidade do nitrogênio obtido do ar e do nitrogênio obtido da amônia. Eles logo descobriram que o nitrogênio atmosférico estava misturado a uma pequena quantidade de uma substância desconhecida. Usando magnésio para absorver o nitrogênio, eles conseguiram isolar a substância, que chamaram de argônio, da palavra grega argos (inativo), porque não reagiu com outras substâncias.

Em 1895, Ramsay e seu assistente Morris William Travers descobriram que a clevita mineral liberava argônio e hélio quando aquecida. Esta foi a primeira vez que o hélio foi detectado na Terra. Em 1898, Ramsay e Travers obtiveram três novos elementos do ar, que foram resfriados em um líquido. Eles chamaram esses elementos de criptônio, da palavra grega kryptos (escondido); neon, da palavra grega neos (novo); e xenônio, da palavra grega xenos (estranho).

Em 1900, o químico alemão Friedrich Dom observou que o elemento radioativo rádio liberava hélio e um gás radioativo desconhecido à medida que se decompunha. Em 1910, Ramsay e seu assistente Robert Whytlaw-Gray determinaram a densidade desse gás desconhecido e o chamaram de niton, da palavra latina nitere (brilhar), porque sua radioatividade fazia com que ele brilhasse quando resfriado a um líquido. Niton, mais tarde conhecido como radônio, foi o último gás nobre a ser descoberto. Em 1904, Ramsay recebeu o Prêmio Nobel de Química por sua pesquisa de gases nobres.

Os gases nobres eram anteriormente conhecidos como gases raros ou gases inertes. Posteriormente, foi demonstrado que alguns eram bastante comuns e que alguns não eram totalmente inativos. O hélio é o segundo elemento mais comum no universo e o argônio constitui cerca de 1% da atmosfera da Terra. Em 1962, Neil Bartlett criou o hexafluoreto de xenônio platina, o primeiro composto químico de um gás nobre. Compostos de radônio foram criados no mesmo ano e compostos de criptônio em 1963. Não mais considerados raros ou inertes, esses elementos passaram a ser conhecidos como gases nobres. Como os chamados metais nobres (ouro, prata, platina, etc.), eles não reagem com o oxigênio.

Krypton desempenhou um papel importante na ciência de 1960-1983, quando o comprimento do metro foi definido como 1.650.763,73 vezes o comprimento de onda da luz laranja-vermelha emitida pelo krypton-86. O medidor foi mais tarde definido em termos da velocidade da luz no vácuo, mas o criptônio continua a ser usado em pesquisas científicas.

Para separar o criptônio, assim como os outros gases, do ar líquido, o ar é lentamente aquecido em um processo denominado destilação fracionada. Operando sob a suposição de que cada líquido tem sua própria temperatura distinta na qual ele muda para um gás, a destilação fracionada separa os gases no ar um de cada vez.

Mcateriais brutos

Embora traços de criptônio sejam encontrados em vários minerais, a fonte mais importante de criptônio é a atmosfera da Terra. O ar também é a fonte mais importante para os demais gases nobres, com exceção do hélio (obtido do gás natural) e do radônio (obtido como subproduto da decomposição de elementos radioativos). Ao nível do mar, o ar seco contém 78,08% de nitrogênio e 20,95% de oxigênio. Ele também contém 0,93% de argônio, 0,0018% de néon, 0,00052% de hélio, 0,00011% de criptônio e 0,0000087% de xenônio. Outros componentes do ar seco incluem dióxido de carbono, hidrogênio, metano, óxido nítrico e ozônio.

O criptônio também pode ser obtido a partir da fissão do urânio, que ocorre em usinas nucleares. Ao contrário do ar, que contém apenas os isótopos estáveis ​​do criptônio, este processo produz isótopos estáveis ​​e isótopos radioativos do criptônio.

O processo de fabricação

Fazendo ar líquido

• 1 O ar passa primeiro pelos filtros para remover partículas como poeira. O ar limpo é então exposto a um álcali (uma substância fortemente básica), que remove a água e o dióxido de carbono.
• 2 O ar limpo e seco é comprimido sob alta pressão. Como a compressão aumenta a temperatura do ar, ele é então resfriado por refrigeração.
• 3 O ar comprimido resfriado passa por bobinas que passam por uma câmara vazia. Uma parte do ar, que é comprimida a uma pressão cerca de duzentas vezes maior do que o normal, pode se expandir para dentro da câmara. Essa expansão repentina absorve o calor das bobinas, resfriando o ar comprimido. O processo de compressão e expansão é repetido até que o ar tenha sido resfriado a uma temperatura de cerca de -321 F (-196 ° C), ponto em que a maioria dos gases no ar são transformados em líquidos.

Separando os gases

• 4 Gases com pontos de ebulição muito baixos não se transformam em líquidos e podem ser removidos diretamente dos demais. Esses gases incluem hélio, hidrogênio e néon.
• 5 Um processo conhecido como destilação fracionada separa os vários elementos encontrados no ar líquido. Esse processo se baseia no fato de que as diferentes substâncias serão transformadas de líquidas em gasosas em diferentes temperaturas.
• 6 O ar líquido deve aquecer lentamente. À medida que a temperatura aumenta, as substâncias com os pontos de ebulição mais baixos tornam-se gases e podem ser removidas do líquido remanescente. Argônio, oxigênio e nitrogênio são as primeiras substâncias a serem transformadas em gases à medida que o ar líquido se aquece. O criptônio e o xenônio têm pontos de ebulição mais altos e permanecem no estado líquido quando os outros componentes do ar se transformam em gases.

Separando o criptônio do xenônio

• 7 O criptônio líquido e o xenônio são absorvidos em sílica gel ou carvão ativado. Eles são então novamente submetidos à destilação fracionada. A mistura líquida é aquecida lentamente até que o criptônio se transforme em um gás. O xenônio tem um ponto de ebulição um pouco mais alto e permanece como um líquido.
• 8 O criptônio é purificado passando-o sobre o metal de titânio quente. Esta substância tende a remover todos os elementos, exceto gases nobres.

Separando os isótopos do criptônio

• 9 Para a maioria das finalidades, o criptônio agora está pronto para ser embalado. Para alguns propósitos científicos, entretanto, apenas um dos seis isótopos estáveis ​​do criptônio é desejado. Para separar esses isótopos, um processo conhecido como difusão térmica é usado. Esse processo depende do fato de os isótopos terem densidades ligeiramente diferentes.
• 10 O gás criptônio é colocado em um longo tubo de vidro vertical. Um fio aquecido corre verticalmente pelo centro desse tubo. O fio quente cria uma corrente de convecção dentro do tubo. Essa corrente de ar quente tende a levar os isótopos mais leves para o topo do tubo, de onde podem ser removidos.

Embalagem e envio

• 11 O gás criptônio é acondicionado em lâmpadas de vidro forte, como Pyrex, em pressão normal ou em recipientes de aço em alta pressão. Por ser uma substância altamente não reativa, o criptônio é muito seguro. É atóxico, não explosivo e não inflamável, portanto, não requer precauções incomuns durante o transporte.

Controle de qualidade

O fator mais importante no controle de qualidade da produção de criptônio é garantir que o produto final contenha apenas criptônio. O processo de destilação por fração foi desenvolvido a ponto de produzir produtos muito puros do ar, incluindo o criptônio.

Amostras aleatórias de criptônio são testadas quanto à pureza por análise espectroscópica. Esse processo envolve o aquecimento de uma substância até que ela emita luz. A luz então passa por um prisma ou grade para produzir um espectro, da mesma forma que a luz solar produz um arco-íris. A análise espectroscópica é particularmente adequada para estudar gases, porque gases aquecidos tendem a produzir linhas nítidas e brilhantes em um espectro de criptônio puro, é possível dizer se alguma impureza está presente.

Subprodutos / resíduos

O criptônio é apenas um dos muitos elementos valiosos produzidos pela destilação fracionada de ar líquido. Mais de três quartos do ar são compostos de nitrogênio. O nitrogênio é usado para produzir uma ampla variedade de compostos químicos, principalmente a amônia. Por ser muito menos reativo que o oxigênio, o nitrogênio é usado para proteger muitas substâncias da oxidação. O nitrogênio líquido é usado na liofilização e refrigeração.

Cerca de um quinto do ar consiste em oxigênio. A indústria do aço é a maior consumidora de oxigênio puro. O oxigênio é usado para remover o excesso de carbono do aço na forma de dióxido de carbono. O oxigênio também é usado no tratamento de esgoto e na incineração de resíduos sólidos. O oxigênio líquido é usado como combustível de foguete.

Os gases nobres obtidos do ar além do criptônio são argônio, néon e xenônio. O argônio é usado em certos tipos de lâmpadas. A passagem de uma corrente elétrica por um tubo de vidro contendo néon sob baixa pressão produz o familiar letreiro de néon. O xenônio é usado em luzes estroboscópicas para produzir rajadas de luz intensas e curtas.

O Futuro

A produção futura de criptônio provavelmente será influenciada pelo futuro da produção de energia nuclear. Como o criptônio pode ser produzido como um subproduto da fissão nuclear, as usinas nucleares podem se tornar uma fonte importante de criptônio no futuro. Por outro lado, se a fissão nuclear for amplamente substituída pela fusão nuclear ou por outras formas de produção de energia, o criptônio provavelmente permanecerá quase inteiramente um produto da atmosfera.