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Krypton


Contexte

Le krypton est l'élément chimique numéro 36 du tableau périodique des éléments. Il appartient au groupe d'éléments appelés gaz rares. Les autres gaz rares sont l'hélium, le néon, l'argon, le xénon et le radon. Dans des conditions normales, le krypton est un gaz incolore, insipide et inodore. Sa densité à température et pression normales est d'environ 0,5 oz par gallon (3,7 g par litre), ce qui le rend presque trois fois plus lourd que l'air. À des températures extrêmement basses, le krypton peut exister sous forme liquide ou solide. Le point d'ébullition du krypton est de -243,81°F (-153,23°C) et son point de congélation est légèrement inférieur à -251,27°F (-157,37°C).

Le krypton naturel est un mélange de six isotopes stables. Les isotopes sont des atomes qui ont le même nombre de protons mais qui ont des nombres de neutrons différents. Le nombre de protons (le numéro atomique) détermine quel élément est présent, tandis que le nombre total de protons et de neutrons détermine le poids atomique de l'atome. Les isotopes du krypton ont tous 36 protons et sont nommés pour leur poids atomique. Le krypton-84, qui possède 48 neutrons, est l'isotope le plus courant et représente 57 % du krypton naturel. Les autres isotopes stables du krypton sont le krypton-86 (50 neutrons, 17,3 %); krypton-82 (46 neutrons, 11,6 %); krypton-83 (47 neutrons, 11,5%); krypton-80 (44 neutrons, 2,25 %); et krypton-78 (42 neutrons, 0,35%)

Le krypton peut également exister sous forme d'isotope radioactif instable. Ces isotopes sont créés lors de réactions nucléaires. Environ 20 isotopes radioactifs du krypton ont été produits. Tous ces isotopes, à l'exception du krypton-85, sont très instables, avec des demi-vies de quelques heures ou moins. (La demi-vie d'une substance radioactive est le temps nécessaire à la moitié des atomes d'un échantillon de la substance pour subir une désintégration radioactive.) Le krypton-85, qui contient 36 protons et 49 neutrons, est beaucoup plus stable, avec une moitié -durée de vie de 10,73 ans.

Le krypton est utilisé avec de l'argon dans les lampes fluorescentes pour améliorer leur luminosité et avec de l'azote dans les lampes à incandescence pour prolonger leur durée de vie. Il est également utilisé dans les flashs pour produire une lumière très vive pendant une très courte période de temps, pour une utilisation en photographie à grande vitesse. Le krypton-85 radioactif peut être utilisé pour localiser de petits défauts dans les surfaces métalliques. Le gaz a tendance à s'accumuler dans ces failles et sa radioactivité peut être détectée.

Historique

Les gaz rares étaient complètement inconnus de l'humanité jusqu'à une date assez récente. Le premier indice de leur existence est venu en 1785, lorsque le chimiste anglais Henry Cavendish a découvert que l'air contenait une petite quantité d'une substance inconnue qui était moins réactive que l'azote. On ne savait rien d'autre sur cette substance jusqu'à la fin du XIXe siècle.

Pendant ce temps, l'astronome britannique Joseph Norman Lockyer a découvert un nouvel élément en 1868. En analysant la lumière du soleil, il a détecté un élément inconnu qu'il a nommé hélium, du mot grec helios (soleil). L'hélium n'était pas connu sur Terre pendant plus d'un quart de siècle.

En 1894, le physicien anglais Lord Rayleigh (John William Strutt) et le L'air filtré est comprimé sous haute pression, augmentant sa température. L'air comprimé est ensuite codé en se dilatant rapidement à l'intérieur d'une chambre. Cette expansion soudaine absorbe la chaleur des serpentins, refroidissant l'air comprimé. Le processus de compression et de détente est répété jusqu'à ce que la plupart des gaz présents dans l'air soient transformés en liquides. le chimiste William Ramsay a découvert une différence dans la densité de l'azote obtenu à partir de l'air et de l'azote obtenu à partir de l'ammoniac. Ils découvrirent bientôt que l'azote atmosphérique était mélangé à une petite quantité d'une substance inconnue. En utilisant du magnésium pour absorber l'azote, ils ont pu isoler la substance, qu'ils ont nommée argon, du mot grec argos (inactif), car il n'a pas réagi avec d'autres substances.

En 1895, Ramsay et son assistant Morris William Travers ont découvert que le minéral clevite libérait de l'argon et de l'hélium lorsqu'il était chauffé. C'était la première fois que de l'hélium était détecté sur Terre. En 1898, Ramsay et Travers ont obtenu trois nouveaux éléments de l'air, qui avait été refroidi dans un liquide. Ils ont nommé ces éléments krypton, du mot grec kryptos (caché); néon, du mot grec neos (Nouveau); et xénon, du mot grec xenos (étrange).

En 1900, le chimiste allemand Friedrich Dom nota que l'élément radioactif radium libérait de l'hélium et un gaz radioactif inconnu lors de sa désintégration. En 1910, Ramsay et son assistant Robert Whytlaw-Gray déterminèrent la densité de ce gaz inconnu et le nommèrent niton, du mot latin nitere (briller), parce que sa radioactivité l'a fait briller lorsqu'il est refroidi en un liquide. Le niton, plus tard connu sous le nom de radon, a été le dernier gaz noble à être découvert. En 1904, Ramsay a reçu le prix Nobel de chimie pour ses recherches sur les gaz rares.

Les gaz rares étaient autrefois appelés gaz rares ou gaz inertes. Il a été montré plus tard que certains étaient assez courants et que certains n'étaient pas complètement non réactifs. L'hélium est le deuxième élément le plus répandu dans l'univers et l'argon représente environ 1% de l'atmosphère terrestre. En 1962, Neil Bartlett a créé l'hexafluorure de platine xénon, le premier composé chimique d'un gaz noble. Des composés de radon ont été créés la même année et des composés de krypton en 1963. N'étant plus considérés comme rares ou inertes, ces éléments sont devenus les gaz rares. Comme les métaux dits nobles (or, argent, platine, etc.), ils ne réagissaient pas avec l'oxygène.

Le krypton a joué un rôle important dans la science de 1960 à 1983, lorsque la longueur du mètre était définie comme 1 650 763,73 fois la longueur d'onde de la lumière orange-rouge émise par le krypton-86. Le mètre a ensuite été défini en termes de vitesse de la lumière dans le vide, mais le krypton continue d'être utilisé dans la recherche scientifique.

Afin de séparer le krypton, ainsi que les autres gaz, de l'air liquide, l'air est lentement réchauffé dans un processus appelé distillation fractionnée. Fonctionnant en supposant que chaque liquide a sa propre température distincte à laquelle il se transforme en gaz, la distillation fractionnée sépare les gaz dans l'air un à la fois.

Matériaux bruts

Bien que des traces de krypton se trouvent dans divers minéraux, la source la plus importante de krypton est l'atmosphère terrestre. L'air est également la source la plus importante pour les autres gaz rares, à l'exception de l'hélium (obtenu à partir du gaz naturel) et du radon (obtenu comme sous-produit de la désintégration des éléments radioactifs). Au niveau de la mer, l'air sec contient 78,08 % d'azote et 20,95 % d'oxygène. Il contient également 0,93 % d'argon, 0,0018% de néon, 0,00052% d'hélium, 0,00011% de krypton et 0,0000087 % de xénon. Les autres composants de l'air sec comprennent le dioxyde de carbone, l'hydrogène, le méthane, l'oxyde nitrique et l'ozone.

Le krypton peut également être obtenu à partir de la fission de l'uranium, qui se produit dans les centrales nucléaires. Contrairement à l'air, qui ne contient que les isotopes stables du krypton, ce processus produit à la fois des isotopes stables et des isotopes radioactifs du krypton.

Le processus de fabrication

Faire de l'air liquide

Séparation des gaz

Séparation du krypton du xénon

Séparation des isotopes du krypton

Emballage et expédition

Contrôle qualité

Le facteur le plus important dans le contrôle de la qualité de la production de krypton est de s'assurer que le produit final ne contient que du krypton. Le procédé de distillation fractionnée s'est développé au point de produire des produits très purs à partir de l'air, notamment du krypton.

Des échantillons aléatoires de krypton sont testés pour la pureté par analyse spectroscopique. Ce processus consiste à chauffer une substance jusqu'à ce qu'elle émette de la lumière. La lumière passe ensuite à travers un prisme ou un réseau afin de produire un spectre, de la même manière que la lumière du soleil produit un arc-en-ciel. L'analyse spectroscopique est particulièrement bien adaptée à l'étude des gaz, car les gaz chauffés ont tendance à produire des raies nettes et lumineuses sur un spectre de krypton pur, il est possible de dire si des impuretés sont présentes.

Sous-produits/Déchets

Le krypton n'est qu'un des nombreux éléments précieux produits par la distillation fractionnée de l'air liquide. Plus des trois quarts de l'air sont constitués d'azote. L'azote est utilisé pour produire une grande variété de composés chimiques, en particulier l'ammoniac. Parce qu'il est beaucoup moins réactif que l'oxygène, l'azote est utilisé pour protéger de nombreuses substances de l'oxydation. L'azote liquide est utilisé dans la lyophilisation et la réfrigération.

Environ un cinquième de l'air est constitué d'oxygène. L'industrie sidérurgique est la plus grande consommatrice d'oxygène pur. L'oxygène est utilisé pour éliminer l'excès de carbone de l'acier sous forme de dioxyde de carbone. L'oxygène est également utilisé pour traiter les eaux usées et pour incinérer les déchets solides. L'oxygène liquide est utilisé comme carburant de fusée.

Les gaz rares obtenus à partir de l'air autres que le krypton sont l'argon, le néon et le xénon. L'argon est utilisé dans certains types d'ampoules. Le passage d'un courant électrique à travers un tube de verre contenant du néon sous basse pression produit l'enseigne au néon bien connue. Le xénon est utilisé dans les lumières stroboscopiques pour produire des éclats de lumière intenses et courts.

Le futur

La production future de krypton est susceptible d'être influencée par l'avenir de la production d'énergie nucléaire. Étant donné que le krypton peut être produit en tant que sous-produit de la fission nucléaire, les centrales nucléaires pourraient devenir une source importante de krypton à l'avenir. D'un autre côté, si la fission nucléaire est largement remplacée par la fusion nucléaire ou par d'autres formes de production d'énergie, le krypton restera probablement presque entièrement un produit de l'atmosphère.


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