Kriptón: historia, propiedades, estructura, obtención, riesgos, usos

El kriptón es un gas noble que viene representado por el símbolo Kr y se localiza en el grupo 18 de la tabla periódica. Es el gas que le sigue al argón, y su abundancia es tan baja que se le consideró oculto; de allí proviene su nombre. No se encuentra casi en piedras minerales, sino en masas de gases naturales y apenas disuelto en los mares y océanos.

Su nombre por sí solo evoca la imagen de Superman, su planeta Kriptón y la famosa kriptonita, piedra que debilita al superhéroe y lo priva de sus superpoderes. También puede pensarse en las criptomonedas o en la cripta cuando se escucha hablar de él, así como en otros términos que distan en su esencia de este gas.

No obstante, este gas noble es menos extravagante y “oculto” en comparación a aquellas figuras mencionadas anteriormente; aunque su falta de reactividad no le quita todo el potencial interés que puede despertar en la investigación enfocadas en distintos campos, sobre todo el físico.

A diferencia de los otros gases nobles, la luz que despide el kriptón cuando se excita en un campo eléctrico es blanca (imagen superior). A causa de esto, se utiliza para diversos usos en la industria de la iluminación. Puede sustituir prácticamente a cualquier luz de neón y emitir la suya propia, la cual se distingue por ser de color verde amarillento.

Se presenta en la naturaleza como una mezcla de seis isótopos estables, sin mencionar algunos radioisótopos destinados para la medicina nuclear. Para obtener este gas, el aire que respiramos debe licuarse, y someter a su líquido resultante a una destilación fraccionada, donde después se purifica el kriptón y se le separa en sus isótopos constituyentes.

Gracias al kriptón se ha podido avanzar en estudios de la fusión nuclear, así como en las aplicaciones de los láseres para propósitos quirúrgicos.

Historia

– Descubrimiento del elemento oculto

En 1785 el químico y físico inglés Henry Cavendish descubrió que el aire contenía una pequeña proporción de una sustancia todavía menos activa que el nitrógeno.

Un siglo después el físico inglés Lord Rayleigh, aisló del aire un gas que pensó que era nitrógeno puro; pero luego descubrió que era más pesado.

En 1894 el químico escocés, Sir William Ramsey, colaboró para aislar este gas, el cual resultó ser un nuevo elemento: el argón. Un año más tarde, aisló el gas helio mediante el calentamiento del mineral cleveíta.

El propio Sir William Ramsey, junto a su asistente, el químico inglés Morris Travers, descubrieron el kriptón el 30 de mayo de 1898, en Londres.

Ramsey y Travers consideraban que existía un espacio en la tabla periódica entre los elementos argón y helio, y un elemento nuevo debía llenar este espacio. Ramsey, un mes después del descubrimiento del kriptón, junio de 1898, descubrió al neón; elemento que llenaba el espacio entre el helio y el argón.

Metodología

Ramsey sospechaba la existencia de un nuevo elemento escondido dentro su descubrimiento previo, el del argón. Ramsey y Travers, para comprobar su idea, decidieron obtener un volumen grande de argón del aire. Para ello debían producir la licuefacción del aire.

Luego, destilaron el aire líquido para separarlo en fracciones y explorar en las fracciones más livianas la presencia del elemento gaseoso deseado. Pero ellos cometieron un error, al parecer calentaron excesivamente el aire licuado y evaporaron gran cantidad de la muestra.

Al final sólo tenían 100 mL de la muestra y Ramsey estaba convencido de que era improbable la presencia del elemento más liviano que el argón en ese volumen; pero decidió explorar la posibilidad de la existencia de un elemento más pesado que el argón en el volumen residual de muestra.

Siguiendo su pensamiento, eliminó el oxígeno y el nitrógeno del gas utilizando cobre al rojo vivo y magnesio. Luego colocó una muestra del gas restante en un tubo de vacío, aplicándole un alto voltaje para obtener el espectro del gas.

Tal como lo esperaban, el argón estaba presente, pero notaron la aparición en el espectro de dos nuevas líneas brillantes; una amarilla y la otra verde, las cuales nunca habían sido observadas.

– Surgimiento del nombre

Ramsey y Travers calcularon la relación entre el calor específico del gas a presión constante, y su calor específico a volumen constante, hallando un valor de 1,66 para esa relación. Este valor correspondía a un gas formado por átomos individuales, demostrándose que no era un compuesto.

Por lo tanto, estaban en presencia de un nuevo gas y kriptón había sido descubierto. Ramsey decidió llamarlo Krypton, vocablo derivado de la palabra griega “krypto” que significa “oculto”. William Ramsey recibió el Premio Nobel de Química en 1904 por el descubrimiento de estos gases nobles.

Propiedades físicas y químicas

Apariencia

Es un gas incoloro que exhibe un color blanco incandescente en un campo eléctrico.

Peso atómico estándar

83,798 u

Número atómico (Z)

36

Punto de fusión

-157,37 ºC

Punto de ebullición

153,415 ºC

Densidad

En condiciones estándar: 3,949 g/L

Estado líquido (punto de ebullición): 2,413 g/cm³

Densidad relativa del gas

2,9 con relación al aire con valor = 1. Es decir, el kriptón es tres veces más denso que el aire.

Solubilidad en agua

59,4 cm³/1.000 g a 20 ºC

Punto triple

115,775 K y 73,53 kPa

Punto crítico

209,48 K y 5,525 MPa

Calor de fusión

1,64 kJ/mol

Calor de vaporización

9,08 kJ/mol

Capacidad calórica molar

20,95 J/(mol·K)

Presión de vapor

A una temperatura de 84 K tiene una presión de 1 kPa.

Electronegatividad

3,0 en la escala de Pauling

Energía de ionización

Primera: 1.350,8 kJ/mol.

Segunda: 2.350,4 kJ/mol.

Tercera: 3.565 kJ/mol.

Velocidad del sonido

Gas (23 ºC): 220 m/s

Liquido: 1.120 m/s

Conductividad térmica

9,43·10^-3 W/(m·K)

Orden magnética

Diamagnética

Número de oxidación

El kriptón por ser un gas noble es poco reactivo y no pierde ni gana electrones. Si logra formar un sólido de composición definida, como sucede con el clatrato Kr₈(H₂O)₄₆ o su hidruro Kr(H₂)₄, se dice entonces que participa con un número o estado de oxidación de 0 (Kr⁰); es decir, sus átomos neutros interaccionan con una matriz de moléculas.

No obstante, el kriptón sí puede formalmente perder electrones si forma enlaces con el elemento más electronegativo de todos: el flúor. En el KrF₂ su número de oxidación es de +2, por lo que se asume la existencia del catión divalente Kr²⁺ (Kr²⁺F₂^–).

Reactividad

En 1962 se informó de la síntesis del difluoruro de kriptón (KrF₂). Este compuesto es un sólido cristalino, incoloro, altamente volátil, y se descompone lentamente a temperatura ambiente; pero es estable a -30 ºC. El fluoruro de kriptón es un poderoso agente oxidante y fluorinante.

El kriptón reacciona con el flúor cuando se combinan en un tubo de descarga eléctrica a -183 ºC, formándose el KrF₂. También se produce la reacción cuando se irradia el kriptón y flúor con luz ultravioleta a -196 ºC.

El KrF⁺ y Kr₂F₃⁺ son compuestos formados por la reacción del KrF₂ con aceptores fuertes de fluoruros. El kriptón forma parte de un compuesto inestable: K(OTeF₅)₂, el cual presenta un enlace entre el criptón y un oxígeno (Kr-O).

Se encuentra un enlace criptón-nitrógeno en el catión HCΞN-Kr-F. Los hidruros de kriptón, KrH₂, se pueden cultivar a presiones superiores a 5 GPa.

Al comienzo del siglo XX todos estos compuestos se consideraban imposibles dada la nula reactividad que se le concebía a este gas noble.

Estructura y configuración electrónica

Átomo de kriptón

El kriptón al ser un gas noble tiene completo su octeto de valencia; es decir, sus orbitales s y p están completamente llenos de electrones, lo cual puede constatarse en su configuración electrónica:

[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶

Es un gas monoatómico sin importar (hasta la fecha) las condiciones de presión o temperatura que operen sobre él. Por lo tanto, sus tres estados vienen definidos por las interacciones interatómicas de sus átomos Kr, los cuales pueden imaginarse como si fueran canicas.

Estos átomos Kr, al igual que sus congéneres (He, Ne, Ar, etc.), no son fáciles de polarizar, ya que son relativamente pequeños y tienen además una alta densidad electrónica; esto es, la superficie de estas canicas no se deforman apreciablemente para generar un dipolo instantáneo que induzca otro en una canica vecina.

Interacciones interatómicas

Es por esta razón que la única fuerza que mantiene cohesionados los átomos Kr son las de dispersión de London; pero son muy débiles para el caso del kriptón, por lo que se requiere de temperaturas bajas para que sus átomos definan un líquido o cristal.

Sin embargo, estas temperaturas (punto de ebullición y fusión, respectivamente) son más altas comparadas con las del argón, neón y helio. Esto se debe a la mayor masa atómica del kriptón, equivalente a un radio atómico más grande y, por ende, más polarizable.

Por ejemplo, el punto de ebullición del kriptón ronda los -153 ºC, mientras que los de los gases nobles argón (-186 ºC), neón (-246 ºC) y helio (-269 ºC), son más bajos; es decir, sus gases necesitan de temperaturas más frías (más cercanas a -273,15 ºC o a 0 K) para poder condensar a la fase líquida.

Aquí vemos cómo el tamaño de sus radios atómicos está directamente relacionado con sus interacciones interatómicas. Lo mismo sucede con sus respectivos puntos de fusión, temperatura a la cual el kriptón cristaliza finalmente a -157 ºC.

Cristal de kriptón

Cuando la temperatura desciende hasta los -157 ºC, los átomos Kr se aproximan con la lentitud suficiente para que cohesionen aún más y definan un cristal blanco de estructura cúbica centrada en las caras (fcc, por sus siglas en inglés). Así pues, existe ahora un orden estructural regido por sus fuerzas de dispersión.

Aunque no haya mucha información al respecto, el cristal fcc de kriptón puede sufrir transiciones cristalinas a fases más densas si se le somete a enormes presiones; como la hexagonal compacta (hcp), en la cual los átomos Kr se hallarán más agrupados.

Asimismo, sin dejar este punto a un lado, los átomos Kr pueden quedar atrapados en jaulas de hielo llamadas clatratos. Si la temperatura es lo suficientemente baja, quizás pueda existir cristales mixtos de kriptón-agua, con los átomos Kr ordenados y rodeados por moléculas de agua.

Dónde se encuentra y obtención

Atmósfera

El kriptón se encuentra difundido por toda la atmósfera, sin poder escapar del campo gravitacional de la Tierra a diferencia del helio. En el aire que respiramos su concentración es alrededor de 1 ppm, aunque esta puede variar dependiendo de las emanaciones gaseosas; ya sea erupciones volcánicas, geiseres, aguas termales, o quizás los depósitos de gas natural.

Debido a que es poco soluble en agua, su concentración en la hidrósfera es probable que sea despreciable. Lo mismo sucede con los minerales; son pocos los átomos de kriptón que puedan estar atrapados dentro de ellos. Por lo tanto, la única fuente de este gas noble es el aire.

Licuefacción y destilación fraccionada

Para obtenerlo, el aire tiene que pasar por un proceso de licuefacción, de manera que todos sus gases componentes condensen y formen un líquido. Luego, se este líquido se calienta aplicando una destilación fraccionada a bajas temperaturas.

Una vez se han destilado el oxígeno, argón y nitrógeno, permanecen el kriptón y xenón en el líquido remanente, el cual se adsorbe sobre carbón activado o gel de sílice. Este líquido se calienta hasta los -153 ºC para poder destilar el kriptón.

Finalmente, el kriptón recolectado se purifica al hacerlo atravesar titanio metálico caliente, el cual elimina las impurezas gaseosas.

Si se deseara la separación de sus isótopos, el gas se hace ascender por una columna de vidrio donde sufre difusión térmica; los isótopos más livianos ascenderá hacia la parte superior, mientras que los más pesados tenderán a quedarse en la parte inferior. Así pues, el isótopo ⁸⁴Kr y ⁸⁶Kr, por ejemplo, se recolectan por separado en el fondo.

El kriptón puede almacenarse en bombillas de vidrio Pyrex a presión ambiente, o en tanques herméticos de acero. Antes de empacarlo se le somete a un control de calidad mediante espectroscopia, para certificar que su espectro sea único y no contenga líneas de otros elementos.

Fisión nuclear

Otro método para obtener el kriptón radica en la fisión nuclear del uranio y plutonio, de la cual se producen además una mezcla de sus isótopos radiactivos.

Isótopos

El kriptón se presenta en la naturaleza como seis isótopos estables. Estos, con sus correspondientes abundancias en la Tierra, son: ⁷⁸Kr (0,36%), ⁸⁰Kr (2,29%), ⁸²Kr (11,59%), ⁸³Kr (11,50%), ⁸⁴Kr (56,99%) y ⁸⁶Kr (17,28%). El ⁷⁸Kr es un isótopo radiactivo; pero su tiempo de vida media (t_1/2) es tan grande (9.2·10²¹ años) que prácticamente se le considera estable.

Es por eso que su masa atómica estándar (peso atómico) es 83,798 u, más cercano al 84 u del isótopo ⁸⁴Kr.

En cantidades trazas se halla también el radioisótopo ⁸¹Kr (t_1/2= 2,3·10⁵), el cual se produce cuando el ⁸⁰Kr recibe rayos cósmicos. Además de los isótopos ya mencionados, se tienen dos radioisótopos sintéticos: el ⁷⁹Kr (t_1/2= 35 horas) y ⁸⁵Kr (t_1/2= 11 años); este último es el que se produce como producto de la fisión nuclear del uranio y plutonio.

Riesgos

El kriptón es un elemento no tóxico, pues no reacciona en condiciones normales, ni representa riesgo de incendio al mezclarse con agentes oxidantes fuertes. Una fuga de este gas no supone peligro alguno; a menos que se respire directamente, hasta desplazar el oxígeno y provocar asfixia.

Los átomos Kr entran y son expulsados del cuerpo sin participar en ninguna reacción del metabolismo. No obstante, pueden desplazar el oxígeno que deberían llegar a los pulmones y transportarse por la sangre, por lo que el individuo puede sufrir de narcosis o hipoxia, amén de otras condiciones.

Por lo demás, constantemente respiramos kriptón en cada bocanada de aire. Ahora bien, respecto a sus compuestos la historia es otra. Por ejemplo, el KrF₂ es un poderoso agente fluorante; y por ende, “dará” aniones F^– a cualquier molécula de la matriz biológica con que se encuentre, siendo potencialmente peligroso.

Posiblemente un clatrato de kriptón (atrapado en una jaula de hielo) no sea considerablemente peligroso, a menos que haya ciertas impurezas que sí le aporten toxicidad.

Usos

El kriptón está presente en diversas aplicaciones entorno a artefactos o dispositivos diseñados para la iluminación. Por ejemplo, es parte de las “luces de neón” de colores verde amarillento. Las luces “legales” del kriptón son blancas, pues su espectro de emisión abarca todos los colores del espectro visible.

La luz blanca del kriptón de hecho se ha aprovechado para las fotografías, pues son muy intensas y rápidas, siendo perfectas para los flashes de cámaras de gran velocidad, o para los destellos instantáneos en las pistas de los aeropuertos.

Asimismo, los tubos de descarga eléctrica que emanan esta luz blanca pueden ser recubiertos de papeles coloridos, dando el efecto de exhibir luces de muchos colores sin necesidad de excitar usar otros gases.

Se agrega a las bombillas de filamentos de tungsteno para aumentar su tiempo de vida útil, y a las lámparas fluorescentes de argón con este mismo propósito, reduciendo además su intensidad y aumentando sus costos (por ser más caro que el argón).

Cuando el kriptón compone el relleno gaseoso de las bombillas incandescentes, incrementa su brillo y lo torna más azulado.

Láseres

Los láseres rojos vistos en espectáculos de luces se basan en las líneas espectrales del kriptón en lugar de la mezcla helio-neón.

Por otro lado, con el kriptón puede fabricarse poderosos rayos láseres de radiación ultravioleta: los del fluoruro de kriptón (KrF). Este láser de utiliza para fotolitografía, cirugías médicas, investigaciones en el campo de la fusión nuclear, y micromaquinados de materiales y compuestos sólidos (modificar su superficie mediante la acción del láser).

Definición del metro

Entre los años 1960 y 1983 se utilizó la longitud de onda de la línea espectral rojo anaranjada del isótopo ⁸⁶Kr (multiplicada por 1.650.763,73), con la finalidad de definir la longitud exacta de un metro.

Detección de armamento nuclear

Debido a que el radioisótopo ⁸⁵Kr es uno de los productos de la actividad nuclear, donde se le detecte es un indicativo de que hubo la detonación de un arma nuclear, o de que se está llevando a cabo actividades ilegales o clandestinas de dicha energía.

Medicina

El kriptón se ha utilizado en medicina como anestésico, absorbente de rayos X, detector de anomalías en el corazón, y para cortar con sus láseres la retina de los ojos de manera precisa y controlada.

Sus radioisótopos también tienen aplicaciones en medicina nuclear, para estudiar y escanear el flujo de aire y sangre dentro de los pulmones, y obtener imágenes por resonancia magnética nuclear de las vías respiratorias del paciente.

Referencias

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3. Michael Pilgaard. (16 de julio de 2016). Krypton Chemical Reactions. Recuperado de: pilgaardelements.com
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