Huomautus: Tämä alun perin vuonna 1998 julkaistu artikkeli päivitettiin vuonna 2006 e-kirjapainosta varten.
Yleiskatsaus
Krypton oli yksi kolmesta jalokaasusta, jotka skotlantilainen kemisti ja fyysikko Sir William Ramsay (1852-1916) ja englantilainen kemisti Morris William Travers (1872-1961) löysivät vuonna 1898. Ramsay ja Travers löysivät kaasut antamalla nestemäisen ilman haihtua. Tällöin kukin tavallisen ilman muodostavista kaasuista kiehui pois yksi kerrallaan. Kolme näistä kaasuista, krypton, ksenon ja neon, löydettiin ensimmäistä kertaa tällä tavoin.
Käsitteellä jalokaasu tarkoitetaan jaksollisen järjestelmän ryhmän 18 (VIIIA) alkuaineita. Jaksollinen järjestelmä on kaavio, joka osoittaa, miten kemialliset alkuaineet liittyvät toisiinsa. Nämä kaasut ovat saaneet nimen ”jalokaasu”, koska ne käyttäytyvät ikään kuin ”liian ylimielisesti” reagoidakseen muiden alkuaineiden kanssa. Näiden kaasujen yhdisteitä ei tunnettu 1960-luvulle asti. Koska ne ovat niin inaktiivisia, niitä kutsutaan myös inertiksi kaasuiksi. Inertti tarkoittaa inaktiivista.
SYMBOLI
Kr
ATOMINUMERO
36
ATOMIMASSA
83.80
SUKUPUOLI
Ryhmä 18 (VIIIA)
Nobelkaasu
ESIMERKKI
KRIP-ton
Kryptonilla on suhteellisen vähän kaupallista käyttöä. Kaikki ne liittyvät tavalla tai toisella valaistusjärjestelmiin.
Löytäminen ja nimeäminen
Vuoteen 1898 mennessä oli löydetty kaksi jalokaasuperheen jäsentä. Ne olivat helium (atomiluku 2) ja argon (atomiluku 18). Mutta muita perheen alkuaineita ei ollut löydetty. Jaksollisessa järjestelmässä oli tyhjiä laatikoita heliumin ja argonin välissä ja argonin alapuolella. Puuttuvilla jalokaasuilla oli atomiluvut 10, 36, 54 ja 86. Kemistit pitävät jaksollisen järjestelmän tyhjiä laatikoita ”alkuaineina, jotka odottavat löytämistä.”
Koska kaksi tunnettua jalokaasua, helium ja argon, ovat molemmat kaasuja, Ramsay ja Travers toivoivat, että puuttuvat alkuaineet olisivat myös kaasuja. Ja jos ne olisivat, niitä saattaisi löytyä ilmasta. Ongelmana oli, että ilma oli jo analysoitu huolellisesti ja sen oli todettu koostuvan noin 99,95-prosenttisesti hapesta , typestä ja argonista. Oliko mahdollista, että puuttuvat kaasut olivat viimeisessä 0,05 prosentissa ilmaa?
Kysymykseen vastaamiseksi kemistit eivät työskennelleet itse ilmalla vaan nestemäisellä ilmalla. Ilma muuttuu nestemäiseksi yksinkertaisesti jäähdyttämällä sitä tarpeeksi pitkälle. Mitä kylmemmäksi ilma muuttuu, sitä enemmän siinä olevia kaasuja muuttuu nesteiksi. Happi muuttuu kaasusta nesteeksi -182,96 °C:ssa (-297,33 °F). Kun lämpötila on -195,79 °C (-320,42 °F), typpi muuttuu kaasusta nesteeksi. Ja niin edelleen. Lopulta kaikki ilmassa olevat kaasut voidaan saada nesteytymään (muuttumaan nesteeksi).
Mutta myös käänteinen prosessi tapahtuu. Oletetaan, että nestemäistä ilmaa sisältävässä astiassa on 100 litraa. Nestemäinen ilma lämpenee hitaasti. Kun sen lämpötila saavuttaa -195,79 °C, nestemäinen typpi muuttuu takaisin kaasuksi. Koska ilmasta noin 78 prosenttia on typpeä, alkuperäisestä nestemäisestä ilmasta (22 litraa) jää jäljelle vain 22 prosenttia.
Kun lämpötila saavuttaa -182,96 °C, happi muuttuu nesteestä takaisin kaasuksi. Koska hapen osuus ilmasta on 21 prosenttia, nestemäisestä ilmasta haihtuu toiset 21 prosenttia (21 litraa).
Ramsayn ja Traversin työ oli kuitenkin hyvin vaikeaa, koska kaasuja, joita he etsivät, ei ole ilmassa runsaasti. Esimerkiksi kryptonia on ilmassa vain noin 0,000114 prosenttia. Jokaista 100 litraa nestemäistä ilmaa kohti olisi vain 0,00011 eli noin millilitran kymmenesosa kryptonia. Millilitran kymmenesosa on noin pisara. Ramsay ja Travers – vaikkeivät he sitä tienneetkään – etsivät siis yhtä pisaraa kryptonia 100 litrassa nestemäistä ilmaa!
Hämmästyttävää kyllä, he löysivät sen. Näiden kolmen kaasun löytäminen oli suuri kunnia heidän tutkijantaidoistaan. He ehdottivat uudelle alkuaineelle nimeä krypton. Nimi otettiin kreikan kryptos-sanasta, joka tarkoittaa ”piilossa”.
Fysikaaliset ominaisuudet
Krypton on väritön, hajuton kaasu. Sen kiehumispiste on -152,9 °C (-243,2 °F) ja tiheys 3,64 grammaa litrassa. Näin ollen krypton on noin 2,8 kertaa tiheämpää kuin ilma.
”Katso, ylhäällä taivaalla! Se on lintu! Se on lentokone….
Se kuuluisalla sarjakuvahahmolla Teräsmiehellä on monia supervoimia. Kaikki tietävät sen. Hän on Teräsmies. Hänellä on röntgennäkö. Hänen kuulonsa on niin hyvä, että hän voi virittäytyä yhteen ääneen täpötäydessä kaupungissa. Ja tietysti: Hän on nopeampi kuin luoti! Voimakkaampi kuin veturi! Pystyy hyppäämään korkeiden rakennusten yli kertaheitolla!
Mutta on yksi aine, joka heikentää Teräsmiestä: kryptoniitti! Jos altistuu kryptoniitille. Teräsmies kokee kipua ja menettää supervoimansa. Jos hän altistuu liian pitkään, hän voi jopa kuolla.
Kryptoniitti on tietysti puhtaasti fiktiivistä. Nimien samankaltaisuudesta huolimatta kryptoniitilla ei ole mitään tekemistä alkuaineen 36, kryptonin, kanssa. Sarjakuvalegendan mukaan Teräsmies on kotoisin Krypton-planeetalta.
Kal-El, kuten häntä alun perin kutsuttiin, laitettiin vanhempiensa toimesta avaruusalukseen hetkeä ennen planeetan räjähdystä.
Epäonnekseen nuoren Teräsmiehen räjähtäessä pois Kryptonilta, pala kryptoniittia jäi jumiin avaruusalukseen. Samat kauheat voimat, jotka saivat planeetan räjähtämään, olivat luoneet myös tappavan kryptoniitin. Ja kuten Teräsmiehelle myöhemmin selvisi, arkkipahikset tuntuvat aina saavan käsiinsä tämän vihreänä hehkuvan kiven!
Kryptoniitin fiktiivisen luonteen lisäksi sen ja kryptonin välillä on toinenkin ero. Kryptoniitti on kivi – sellainen, joka voi aiheuttaa suurta vahinkoa, no, ainakin yhdelle ihmiselle. Krypton on inertti kaasu, joka ei vaikuta mihinkään.
Kemialliset ominaisuudet
Monien vuosien ajan kryptonia pidettiin täysin inertinä. Sitten 1960-luvun alussa havaittiin, että alkuaineesta oli mahdollista valmistaa tiettyjä yhdisteitä. Englantilainen kemisti Neil Bartlett (1932-) löysi keinoja yhdistää jalokaasuja kaikkein aktiivisimman alkuaineen, fluorin, kanssa. Vuonna 1963 valmistettiin ensimmäiset kryptoniyhdisteet, kryptondifluoridi (KrF2) ja kryptontetrafluoridi (KrF4). Siitä lähtien on valmistettu myös muita kryptoniyhdisteitä. Niillä ei kuitenkaan ole kaupallista käyttöä. Ne ovat vain laboratorion kuriositeetteja.
Esiintyminen luonnossa
Kryptonin runsauden ilmakehässä arvellaan olevan noin 0,000108-0,000114 prosenttia. Alkuaine muodostuu myös maankuoressa uraanin ja muiden radioaktiivisten alkuaineiden hajotessa. Määrä maankuoressa on kuitenkin liian pieni arvioitavaksi.
Isotoopit
Kryptonilla on kuusi luonnossa esiintyvää isotooppia. Ne ovat krypton-78, krypton-80, krypton-82, krypton-83, krypton-84 ja krypton-86. Isotoopit ovat alkuaineen kaksi tai useampia muotoja. Isotoopit eroavat toisistaan massaluvun perusteella. Alkuaineen nimen oikealle puolelle kirjoitettu luku on massaluku. Massaluku kuvaa alkuaineen atomin ytimessä olevien protonien ja neutronien lukumäärää. Protonien määrä määrää alkuaineen, mutta neutronien määrä minkä tahansa alkuaineen atomissa voi vaihdella. Jokainen variaatio on isotooppi.
Kryptonista tunnetaan myös ainakin kuusitoista radioaktiivista isotooppia. Radioaktiivinen isotooppi on isotooppi, joka hajoaa ja luovuttaa jonkinlaista säteilyä. Radioaktiivisia isotooppeja syntyy, kun atomeihin ammutaan hyvin pieniä hiukkasia. Nämä hiukkaset tarttuvat atomeihin ja tekevät niistä radioaktiivisia.
Yhtä kryptonin radioaktiivista isotooppia käytetään kaupallisesti, krypton-85:tä. Sitä voidaan yhdistää fosforien kanssa, jolloin saadaan materiaaleja, jotka loistavat pimeässä. Fosfori on materiaali, joka loistaa, kun siihen osuu elektroneja. Krypton-85:n lähettämä säteily osuu fosforiin. Tämän jälkeen fosfori säteilee valoa. Samaa isotooppia käytetään myös säiliön vuotojen havaitsemiseen. Radioaktiivinen kaasu sijoitetaan testattavan säiliön sisälle. Koska kaasu on inerttiä, kryptoni ei reagoi minkään muun säiliössä olevan aineen kanssa. Jos säiliössä on kuitenkin vuoto, osa radioaktiivisesta krypton-85:stä pääsee ulos. Isotooppi voidaan havaita erityisillä säteilyn havaitsemislaitteilla.
Krypton-85:tä käytetään myös veren virtauksen tutkimiseen ihmiskehossa. Se hengitetään kaasuna ja imeytyy sitten vereen. Se kulkee verenkierron ja sydämen läpi veren mukana. Sen kulkua voi seurata teknikko, joka pitää havaintolaitetta potilaan kehon päällä. Laite näyttää, minne radioaktiivinen aine kulkee ja kuinka nopeasti se liikkuu. Lääkäri voi määrittää, onko tämä käyttäytyminen normaalia vai ei.
Minkä pituinen on metri?
Metri on metrijärjestelmän vakiopituuden yksikkö. Se määriteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1791. Osana Ranskan vallankumouksen mukanaan tuomia suuria muutoksia luotiin kokonaan uusi mittajärjestelmä: metrijärjestelmä.
Aluksi metri määriteltiin hyvin yksinkertaisella tavalla. Se oli kahden viivan välinen etäisyys, joka oli raaputettu Pariisin ulkopuolella säilytettyyn metallitankoon. Monien vuosien ajan tämä määritelmä oli tyydyttävä useimpiin tarkoituksiin. Tietenkin se loi ongelman. Kuvitellaan, että joku Yhdysvalloissa valmistaisi mittatikkuja. Hänen olisi pitänyt matkustaa Pariisiin valmistamaan kopio virallisesta mittarista. Sitten kopiota olisi käytettävä muiden kopioiden tekemiseen. Virhemahdollisuudet tässä prosessissa ovat valtavat.
Vuonna 1960 tutkijat saivat toisen idean. He ehdottivat, että pituuden mittana käytettäisiin kuuman kryptonin tuottamaa valoa. Seuraavassa kerrotaan, miten tuo standardi kehitettiin:
Kun elementtiä kuumennetaan, se absorboi energiaa lämmöstä. Alkuaineessa olevat atomit ovat ”virittyneessä” eli energisessä tilassa. Atomit eivät yleensä pysy kiihottuneessa tilassa kovin pitkään. Ne luovuttavat äsken absorboimansa energian ja palaavat normaaliin, ”kiihottumattomaan” tilaansa.
Atomien luovuttama energia voi olla eri muodoissa. Yksi näistä muodoista on valo.
Kunkin alkuaineen ja isotoopin luovuttama valo on erilaista. Valo koostuu yleensä sarjasta hyvin kirkkaita viivoja, joita kutsutaan spektriksi. Tuotettujen viivojen määrä ja väri on kullekin alkuaineelle ja isotoopille ominainen.
Kun yhtä kryptonin isotooppia, krypton-86:ta, kuumennetaan, se tuottaa hyvin selkeän, selvän, kirkkaan, punertavan oranssin värisen viivan. Tutkijat päättivät määritellä mittarin tämän viivan perusteella. He sanoivat, että metri on 1 650 763,73 kertaa tuon viivan leveys.
Tällä standardilla oli monia etuja. Ensinnäkin lähes kuka tahansa missä tahansa pystyi löytämään metrin virallisen pituuden. Tarvittiin vain laitteet krypton-86-näytteen lämmittämiseen. Sitten täytyi etsiä tuotettua oranssinpunaista viivaa. Mittarin pituus oli siis 1 650 763,73 kertaa tuon viivan leveys.
Tämä metrin määritelmä oli voimassa vain vuoteen 1983 asti. Sen jälkeen tutkijat päättivät määritellä metrin sen mukaan, kuinka nopeasti valo kulkee tyhjiössä. Tämä järjestelmä on vielä tarkempi kuin krypton-86:een perustuva järjestelmä.
Extraktio
Kryptonia saadaan edelleen antamalla nestemäisen ilman haihtua.
Käyttökohteet
Kryptonin ainoat kaupalliset käyttökohteet ovat erilaisissa lampuissa. Kun sähkövirta johdetaan kryptonkaasun läpi, se antaa hyvin kirkkaan valon. Tämän periaatteen ehkä yleisin sovellus on lentokenttien kiitotievaloissa. Nämä valot ovat niin kirkkaita, että ne näkyvät jopa sumussa jopa 300 metrin (1 000 jalan) päähän. Valot eivät pala jatkuvasti. Sen sijaan ne lähettävät hyvin lyhyitä valopulsseja. Pulssit kestävät enintään noin 10 mikrosekuntia (10 miljoonasosasekuntia). Ne vilkkuvat ja sammuvat noin 40 kertaa minuutissa. Kryptonia käytetään myös dia- ja elokuvaprojektoreissa.
Kryptonkaasua käytetään myös ”neon”-valojen valmistuksessa. Neonvalot ovat värillisiä valoja, joita käytetään usein mainonnassa. Ne ovat samanlaisia kuin loistelamput. Ne antavat kuitenkin värillistä valoa sisältämänsä kaasun vuoksi. Jotkin neonvalot sisältävät neonkaasua, mutta toiset sisältävät muita jalokaasuja. Esimerkiksi kryptonilla täytetty neonvalo hehkuu keltaisena.
Yhdisteet
Kryptonin yhdisteitä on valmistettu laboratoriossa, mutta niitä ei esiinny luonnossa. Synteettisiä (keinotekoisia) yhdisteitä käytetään vain tutkimustarkoituksiin.
Vaikka neonvalot sisältävät joskus neonia, käytetään usein kryptonia kaasuna.
Terveysvaikutukset
Ei ole todisteita siitä, että krypton olisi haitallista ihmiselle, eläimille tai kasveille.