Krypton wurde am 30. Mai 1898 von den britischen Chemikern William Ramsay (1852-1916) und Morris Travers (1872-1961) am University College London entdeckt. Diese Entdeckung war Teil einer bemerkenswerten Serie von Edelgasidentifikationen durch Ramsay, der bereits 1894 mit Lord Rayleigh Argon und 1895 terrestrisches Helium entdeckt hatte.
Ramsay und Travers suchten systematisch nach neuen Elementen in der atmosphärischen Luft, indem sie die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft nutzten. Nach der Isolierung von Argon vermuteten sie die Existenz weiterer inerter Gase in der Atmosphäre. Durch langsames Verdampfen von flüssiger Luft und Analyse der verschiedenen Fraktionen mittels Spektroskopie entdeckten sie im Mai 1898 zunächst Neon und Krypton, gefolgt von Xenon einige Wochen später.
Krypton wurde durch sein charakteristisches Emissionsspektrum identifiziert, das besonders intensive, helle grüne und gelb-orangefarbene Linien zeigte. Ramsay und Travers wählten den Namen Krypton vom griechischen kryptos, was versteckt bedeutet, in Anspielung auf die Schwierigkeit, es in der Erdatmosphäre nachzuweisen, wo es nur ein Teil pro Million ausmacht.
Die Entdeckung von Krypton, zusammen mit Neon und Xenon, vervollständigte die Gruppe der Edelgase im Periodensystem von Mendeleev und bestätigte die Periodizität der chemischen Eigenschaften. William Ramsay erhielt 1904 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten über Edelgase, einschließlich der Entdeckung von Argon, Helium, Neon, Krypton und Xenon.
Im Jahr 1960 erlangte Krypton grundlegende metrologische Bedeutung, als die Wellenlänge der orangefarbenen Linie von Krypton-86 als neue Definition des Meters gewählt wurde, die den Platin-Iridium-Stab des Internationalen Büros für Maß und Gewicht ersetzte. Diese Definition blieb bis 1983 in Kraft, als der Meter basierend auf der Lichtgeschwindigkeit neu definiert wurde.
Krypton (Symbol Kr, Ordnungszahl 36) ist ein Edelgas der Gruppe 18 des Periodensystems. Sein Atom besitzt 36 Protonen, in der Regel 48 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{84}\mathrm{Kr}\)) und 36 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶.
Krypton ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses einatomiges Gas unter normalen Bedingungen. Es ist etwa dreimal dichter als Luft, mit einer Dichte von 3,749 g/L bei 0 °C und 1 Atmosphäre. Diese hohe Dichte macht es schwerer als die meisten gängigen atmosphärischen Gase.
Wie alle Edelgase hat Krypton eine vollständig gefüllte äußere Elektronenschale (stabile Oktett-Konfiguration), was ihm eine außergewöhnliche chemische Stabilität und fast keine Reaktivität unter normalen Bedingungen verleiht. Diese gesättigte Elektronenstruktur erklärt, warum Krypton in der Natur als isolierte Atome und nicht als Moleküle existiert.
Krypton verflüssigt sich bei -153,4 °C (119,8 K) unter normalem atmosphärischem Druck und erstarrt bei -157,4 °C (115,8 K). Flüssiges Krypton ist farblos und transparent, während festes Krypton Kristalle mit einer kubisch flächenzentrierten Struktur bildet, die für verflüssigte Edelgase charakteristisch ist.
Verflüssigungspunkt von Krypton: 119,8 K (-153,4 °C).
Erstarrungspunkt von Krypton: 115,8 K (-157,4 °C).
Kritischer Punkt von Krypton: 209,4 K (-63,8 °C) bei 55,0 bar.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Krypton-78 — \(\,^{78}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 42 | 77,920365 u | ≈ 0,355 % | Stabil | Leichtestes stabiles Isotop von natürlichem Krypton, das seltenste der stabilen Isotope. |
| Krypton-80 — \(\,^{80}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 44 | 79,916378 u | ≈ 2,286 % | Stabil | Zweit seltenstes stabiles Isotop von natürlichem Krypton. |
| Krypton-82 — \(\,^{82}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 46 | 81,913484 u | ≈ 11,593 % | Stabil | Dritthäufigstes stabiles Isotop von natürlichem Krypton. |
| Krypton-83 — \(\,^{83}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 47 | 82,914136 u | ≈ 11,500 % | Stabil | Besitzt einen Kernspin, der in der NMR-Spektroskopie und medizinischen Bildgebung verwendet wird. |
| Krypton-84 — \(\,^{84}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 48 | 83,911507 u | ≈ 56,987 % | Stabil | Häufigstes Isotop von Krypton, das mehr als die Hälfte des natürlichen Kryptons ausmacht. |
| Krypton-86 — \(\,^{86}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 50 | 85,910610 u | ≈ 17,279 % | Stabil | Historisch (1960-1983) zur Definition des Meters über seine orange Emissionslinie verwendet. |
| Krypton-81 — \(\,^{81}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 45 | 80,916592 u | Spuren | ≈ 229.000 Jahre | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Durch kosmische Strahlung erzeugt, zur Datierung von altem Grundwasser verwendet. |
| Krypton-85 — \(\,^{85}\mathrm{Kr}\,\) | 36 | 49 | 84,912527 u | Synthetisch | ≈ 10,76 Jahre | Radioaktiv (β⁻). Kernspaltungsprodukt, als Tracer und in Leckdetektoren verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern angeordnet sind.
Krypton hat 36 Elektronen, die auf vier Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶, oder vereinfacht: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(8) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): Enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): Enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): Enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese Schale ist vollständig gefüllt, einschließlich der vollständigen d-Unterschale.
N-Schale (n=4): Enthält 8 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶. Diese vollständige äußere Schale verleiht Krypton seine außergewöhnliche Stabilität.
Die Elektronenkonfiguration von Krypton mit seiner vollständig gesättigten Valenzschale (vollständiges Oktett) erklärt seine bemerkenswerte chemische Trägheit. Lange Zeit galten Edelgase als völlig inert und unfähig, chemische Verbindungen zu bilden.
1962 revolutionierte jedoch der britische Chemiker Neil Bartlett dieses Konzept, indem er die erste Xenon-Verbindung synthetisierte. Diese Entdeckung ebnete den Weg für die Chemie der schweren Edelgase. Obwohl Krypton weniger reaktiv ist als Xenon aufgrund seiner höheren Ionisierungsenergie, wurden einige Krypton-Verbindungen unter extremen Bedingungen synthetisiert.
Kryptondifluorid (KrF₂) war die erste stabile Krypton-Verbindung, die 1963 synthetisiert wurde. Dieser weiße Feststoff bildet sich durch Bestrahlung einer Mischung aus Krypton und Fluor bei niedriger Temperatur. KrF₂ ist ein extrem starkes Oxidationsmittel, bleibt jedoch bei Raumtemperatur instabil und zersetzt sich langsam in Krypton und Fluor.
Andere Verbindungen wie die Ionen KrF⁺ und Kr₂F₃⁺ wurden charakterisiert, sowie Clathrate, bei denen Krypton-Moleküle physikalisch in Käfigen aus Wassermolekülen (Krypton-Hydrate) oder anderen Wirtsstrukturen gefangen sind. Diese Clathrate sind keine echten chemischen Verbindungen, sondern Einschlusskomplexe, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden.
Krypton kann auch metastabile Verbindungen mit Wasserstoff und Stickstoff unter elektrischer Entladung oder Bestrahlung bilden, aber diese Spezies sind extrem instabil und existieren nur bei sehr niedrigen Temperaturen oder für sehr kurze Zeiträume.
Krypton zeigt ein besonders reiches und komplexes Emissionsspektrum, wenn es durch eine elektrische Entladung angeregt wird. Sein charakteristisches Spektrum umfasst viele Linien im sichtbaren Bereich, insbesondere intensive grüne Linien (557,0 nm), gelb-grüne Linien (587,1 nm) und orangefarbene Linien (605,6 nm und 645,6 nm).
Die orangefarbene Linie von Krypton-86 bei 605,78 nm (Übergang zwischen den Niveaus 2p10 und 5d5) hat eine außergewöhnlich schmale spektrale Breite, was sie zur idealen Wahl für die Definition des Meters von 1960 bis 1983 machte. Ein Meter war definiert als 1.650.763,73 Wellenlängen dieser Strahlung im Vakuum, eine Definition von bisher unerreichter Präzision.
Wenn es angeregt wird, emittiert Krypton ein helles weißes Licht mit einer starken grünen Komponente und erzeugt hochwertiges Licht mit hervorragender Farbwiedergabe. Diese Eigenschaft wird in Krypton-Entladungslampen genutzt, die für professionelle Beleuchtung, Fotografie und Projektoren verwendet werden.
Krypton ist auch an Fluoreszenz- und Phosphoreszenzphänomenen in bestimmten dotierten Materialien beteiligt. Krypton-Excimer-Verbindungen (angeregte Dimere Kr₂*) emittieren im Ultraviolettbereich und werden in bestimmten Excimer-Lasern für die Lithographie und Augenchirurgie verwendet.
Krypton wird in Sternen durch mehrere stellare Nukleosyntheseprozesse synthetisiert. Krypton-Isotope werden hauptsächlich während des Siliziumbrennens in Supernovae vom Typ II sowie durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) und den r-Prozess (schneller Neutroneneinfang) produziert. Die sechs stabilen Isotope von Krypton spiegeln die Beiträge dieser verschiedenen Nukleosyntheseprozesse wider.
Die kosmische Häufigkeit von Krypton beträgt etwa das 5×10⁻⁹-fache der Häufigkeit von Wasserstoff in der Anzahl der Atome, was es zu einem der seltensten Edelgase nach Xenon macht. Diese relative Seltenheit erklärt sich durch die Schwierigkeiten bei der Synthese von Kernen in diesem Bereich der Atommasse (A ≈ 78-86) und durch die Position von Krypton jenseits des Eisenpeaks in der Kernstabilitätskurve.
Krypton spielt eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der Nukleosynthese und der chemischen Entwicklung des Universums. Die Isotopenverhältnisse von Krypton in primitiven Meteoriten, präsolaren Körnern und in Mineralien eingeschlossenen Edelgasen liefern wertvolle Informationen über die Bedingungen im frühen Sonnensystem und die verschiedenen Sternpopulationen, die zu seiner Entstehung beigetragen haben.
Isotopenanomalien von Krypton wurden in bestimmten refraktären Einschlüssen von Meteoriten entdeckt, was auf das Vorhandensein von Komponenten hinweist, die in unterschiedlichen stellaren Umgebungen vor dem Kollaps der solaren Nebelwolke gebildet wurden. Das Isotop Krypton-81, das durch kosmische Strahlung erzeugt wird, wird zur Datierung von kosmischen Expositionsereignissen von Meteoriten und zur Verfolgung ihrer Geschichte im interplanetaren Raum verwendet.
Die Spektrallinien von ionisiertem Krypton (Kr II, Kr III, Kr IV) wurden in den Spektren bestimmter heißer Sterne der Typen B und A sowie in planetarischen Nebeln und Supernova-Überresten beobachtet. Die Analyse dieser Linien ermöglicht die Untersuchung der physikalischen Bedingungen (Temperatur, Dichte, Ionisation) dieser astrophysikalischen Objekte.
Hinweis:
Krypton ist in der Erdatmosphäre in einer Konzentration von etwa 1,14 Teilen pro Million (Volumen) (1,14 ppm oder 0,000114%) vorhanden, was es zu einem der seltenen atmosphärischen Gase macht. Diese scheinbar geringe Konzentration entspricht dennoch etwa 15 Milliarden Tonnen Krypton in der gesamten Erdatmosphäre.
Krypton wird industriell durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen, ein Verfahren, das Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde. Die Luft wird zunächst durch Kompression und Kühlung verflüssigt, dann werden die verschiedenen Komponenten nach ihren Siedepunkten getrennt. Krypton, mit einem Siedepunkt zwischen Sauerstoff und Xenon, wird in einer angereicherten Fraktion isoliert und dann weiter gereinigt.
Die weltweite Kryptonproduktion ist relativ bescheiden und beträgt etwa 8 bis 10 Tonnen pro Jahr, hauptsächlich in der Ukraine, in Polen, den Vereinigten Staaten, Island und China. Krypton ist eines der teuersten Industriegase aufgrund seiner atmosphärischen Seltenheit und des komplexen Prozesses, der für seine Extraktion und Reinigung erforderlich ist. Der Preis für hochreines Krypton kann mehrere tausend Euro pro Kilogramm erreichen.
Krypton-85, ein radioaktives Isotop, das durch Kernspaltung in Reaktoren erzeugt wird, hat sich seit Beginn des Atomzeitalters allmählich in der Erdatmosphäre angereichert. Seine atmosphärische Konzentration hat sich seit 1950 mehr als verhundertfacht, bleibt aber extrem niedrig (etwa 1,5 Bq/m³). Krypton-85 wird hauptsächlich bei der Wiederaufarbeitung von abgebranntem Kernbrennstoff freigesetzt und ist ein nützlicher Tracer für die Untersuchung der globalen atmosphärischen Zirkulation.
Aufgrund seiner vollständigen chemischen Trägheit stellt Krypton kein toxikologisches Risiko dar. Wie alle inerten Gase kann es jedoch in geschlossenen Räumen durch Verdrängung von Sauerstoff Erstickung verursachen. Flüssiges Krypton bei -153 °C birgt die üblichen kryogenen Risiken (Kälteverbrennungen, Materialversprödung).
Hyperpolarisiertes Krypton-83 stellt eine jüngste Innovation in der medizinischen Bildgebung dar und ermöglicht die detaillierte Visualisierung der Lunge durch MRT. Diese Technik bietet eine vielversprechende Alternative zur Röntgenbildgebung für die Diagnose von Lungenerkrankungen, mit dem Vorteil, dass keine ionisierende Strahlung ausgesetzt wird.
