Il kripton è un elemento chimico appartenente alla famiglia dei gas nobili, insieme a elio, neon, argon, xeno e radon. Identificato dal simbolo Kr è caratterizzato da una bassissima reattività chimica, dovuta alla configurazione elettronica particolarmente stabile del suo atomo. La sua presenza nell’atmosfera terrestre è molto ridotta: il kripton costituisce infatti soltanto una piccolissima frazione dell’aria, dell’ordine di pochi parti per milione.
Il kripton fu scoperto nel 1898 dai chimici britannici William Ramsay e Morris W. Travers, durante le loro ricerche sui gas nobili presenti nell’aria. Il suo nome deriva dal termine greco κρυπτός (kryptós), che significa “nascosto”, un riferimento alla sua presenza estremamente ridotta e alla difficoltà di individuarlo. I due chimici riuscirono a identificarlo studiando il residuo ottenuto dall’evaporazione dell’aria liquida, dopo la separazione dei suoi componenti più abbondanti.
Sebbene per lungo tempo i gas nobili siano stati considerati sostanzialmente inerti, gli studi successivi hanno mostrato che questa caratteristica non significa assoluta incapacità di formare composti. In condizioni particolari, il kripton può infatti partecipare a reazioni chimiche e formare alcuni composti, soprattutto con elementi molto elettronegativi come il fluoro. In questo comportamento presenta alcune analogie con lo xeno, il gas nobile che ha mostrato la maggiore capacità di formare composti stabili.
Le particolari proprietà fisiche e chimiche del kripton ne hanno favorito l’impiego in sorgenti luminose, laser e applicazioni scientifiche e tecnologiche, rendendolo un elemento raro ma di interesse per la chimica e la fisica dei gas nobili.
Proprietà chimiche del kripton
Il kripton appartiene al Gruppo 18 e al Periodo 4 della tavola periodica. Ha numero atomico 36 e una configurazione elettronica pari a [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶. È quindi un elemento del blocco p e presenta nel livello energetico più esterno otto elettroni, corrispondenti a un guscio elettronico completo.
configurazione elettronica del kripton
Questa configurazione conferisce all’atomo di kripton una elevata stabilità elettronica e spiega la sua bassissima reattività chimica. Come gli altri gas nobili, infatti, il kripton non tende spontaneamente a perdere, acquistare o condividere elettroni per raggiungere una configurazione più stabile. In condizioni ordinarie si trova quindi prevalentemente sotto forma atomica, senza formare molecole biatomiche come avviene, per esempio, per ossigeno, azoto o idrogeno.
Il principale stato di ossidazione del kripton è 0, caratteristico dell’elemento allo stato libero. Tuttavia, la sua scarsa reattività non deve essere interpretata come una completa inerzia chimica. In condizioni particolari di laboratorio, il kripton può infatti formare alcuni composti, soprattutto con elementi fortemente elettronegativi.
Tra questi assumono particolare interesse i composti del kripton nello stato di ossidazione +2, ottenuti in condizioni specifiche e caratterizzati da una stabilità generalmente limitata. La capacità di formare composti è stata osservata soprattutto in sistemi contenenti fluoro, elemento dotato di un’elevatissima capacità di attrarre gli elettroni.
La chimica del kripton rappresenta quindi un’interessante eccezione alla tradizionale concezione dei gas nobili come elementi completamente inerti. La loro configurazione elettronica li rende poco reattivi, ma non impedisce in assoluto la formazione di composti quando sono presenti condizioni sufficientemente favorevoli.
Proprietà fisiche del kripton
Il kripton è un elemento chimico che presenta le proprietà fisiche tipiche dei gas nobili. A temperatura e pressione ambiente si trova allo stato di gas monoatomico, incolore, inodore e insapore. La sua densità è significativamente maggiore di quella dell’aria: a 0 °C e alla pressione di 1 atm raggiunge circa 3,749 g/L, risultando quindi circa tre volte più denso dell’aria atmosferica.
Il comportamento del kripton cambia quando la temperatura viene abbassata. Il suo punto di fusione è −157,36 °C, temperatura alla quale il solido passa allo stato liquido. Il punto di ebollizione è invece −153,45 °C: tra queste due temperature il kripton può esistere allo stato liquido alla pressione atmosferica. Si tratta di un intervallo di temperatura molto ristretto, di appena 3,91 °C, caratteristica legata alle deboli forze di attrazione intermolecolare che caratterizzano le sostanze costituite da atomi di gas nobili.
Allo stato liquido, il kripton presenta una densità di circa 2,413 g/cm³ al punto di ebollizione. Quando viene ulteriormente raffreddato e solidificato, gli atomi si dispongono secondo una struttura cristallina cubica a facce centrate (fcc).
Un parametro fondamentale è anche il punto critico, corrispondente a una temperatura di circa −63,75 °C e a una pressione di circa 54,9 bar. Al di sopra della temperatura critica, infatti, il kripton non può essere trasformato in un liquido semplicemente aumentando la pressione, perché scompare la distinzione netta tra fase liquida e fase gassosa.
Proprietà ottiche
Il kripton presenta interessanti proprietà ottiche. Quando viene sottoposto a una scarica elettrica a bassa pressione, gli atomi vengono eccitati e successivamente emettono radiazione luminosa. Il risultato è una luminescenza bianco-azzurra, caratterizzata da uno spettro costituito da numerose righe di emissione. Questa proprietà trova applicazione soprattutto nelle sorgenti luminose e in alcuni dispositivi laser.
Composti del kripton
Per molto tempo si sono considerati i gas nobili incapaci di formare composti chimici. La scoperta, nel XX secolo, di specie contenenti gas nobili ha modificato questa concezione, mostrando che in condizioni particolari alcuni di essi possono partecipare a legami chimici. Tra i composti più importanti vi è il difluoruro di kripton (KrF₂), ottenibile in condizioni specifiche in presenza di fluoro.
KrF2
La formazione di KrF₂ è favorita dall’elevata elettronegatività del fluoro e di stabilizzare specie contenenti un gas nobile. La molecola presenta una geometria lineare, con l’atomo di kripton al centro e un atomo di fluoro a ciascuna estremità:
F–Kr–F
Modello del legame a 3 centri e 4 elettroni
Per comprendere la natura del legame in questa molecola è utile ricorrere al modello del legame a 3 centri e 4 elettroni (3c–4e). Prima di esaminarlo, è importante distinguere il numero complessivo di elettroni di valenza della molecola dagli elettroni direttamente coinvolti nel particolare sistema di legame descritto dal modello.
Il kripton possiede 8 elettroni di valenza, mentre ciascun atomo di fluoro ne possiede 7. KrF₂ contiene quindi complessivamente 22 elettroni di valenza:
8 + 7 + 7 = 22
Non tutti questi elettroni partecipano allo stesso sistema di orbitali molecolari. Il modello 3c–4e l’interazione elettronica lungo l’unità F–Kr–F, coinvolgendo tre centri atomici e quattro elettroni distribuiti in tre orbitali molecolari.
L’interazione degli orbitali dei tre atomi genera tre orbitali molecolari: un orbitale legante, un orbitale non legante e un orbitale antilegante. I quattro elettroni occupano i primi due orbitali secondo il principio di esclusione di Pauli: due nell’orbitale legante e due nell’orbitale non legante, mentre l’orbitale antilegante rimane vuoto.
Si può quindi rappresentare il modello schematicamente come:
(orbitale legante)² (orbitale non legante)² (orbitale antilegante)⁰
Il modello 3c–4e costituisce una descrizione della parte del sistema elettronico che determina il particolare legame a tre centri lungo l’unità F–Kr–F.
Questa descrizione aiuta a comprendere perché non sia corretto rappresentare KrF₂ semplicemente come una molecola costituita da due normali legami covalenti Kr–F indipendenti. Gli elettroni coinvolti nel legame risultano infatti delocalizzati sull’intera struttura a tre centri, contribuendo alla stabilità della molecola lineare.
KrF₂ è comunque una specie molto reattiva e poco stabile in condizioni ordinarie e la sua preparazione richiede condizioni sperimentali controllate. La sua esistenza costituisce un esempio significativo della capacità, seppur limitata, del kripton di formare legami chimici e mostra come la configurazione elettronica stabile dei gas nobili non implichi un’inerzia chimica assoluta.
Composti del kripton e dello xeno a confronto
Il confronto tra KrF₂ e XeF₂ è particolarmente interessante perché entrambi sono difluoruri di gas nobili e possono essere descritti attraverso il modello del legame a 3 centri e 4 elettroni (3c–4e). I due composti presentano però una differenza importante nella loro stabilità: KrF₂ è molto meno stabile di XeF₂ e tende più facilmente a decomporsi.
Il legame Kr–F e la stabilità di KrF₂
Nel KrF₂ il legame tra kripton e fluoro è fortemente polarizzato, perché il fluoro esercita una forte attrazione sulla densità elettronica. Gli elettroni coinvolti nel sistema di legame risultano quindi fortemente spostati verso i due atomi di fluoro, mentre il kripton assume un marcato carattere positivo.
La molecola presenta una geometria lineare F–Kr–F e può essere interpretata attraverso il modello 3c–4e. I tre atomi partecipano alla formazione di tre orbitali molecolari: un orbitale legante, un orbitale non legante e un orbitale antilegante. I quattro elettroni del sistema occupano i primi due orbitali, mentre quello antilegante rimane vuoto. Il legame risultante è quindi delocalizzato sui tre atomi e non può essere rappresentato semplicemente come la somma di due normali legami covalenti Kr–F indipendenti.
KrF₂ è una specie molto reattiva e poco stabile in condizioni ordinarie. La sua instabilità è legata anche alla difficoltà del kripton di interagire efficacemente con il fluoro: i suoi orbitali di valenza 4p sono relativamente compatti e fortemente legati al nucleo, rendendo meno favorevole l’interazione con gli orbitali del fluoro.
Perché XeF₂ è più stabile di KrF₂
La situazione cambia passando dal kripton allo xeno. Gli elettroni di valenza dello xeno occupano gli orbitali 5p, che sono più lontani dal nucleo e maggiormente schermati dagli elettroni dei livelli interni rispetto agli orbitali 4p del kripton. Gli elettroni esterni dello xeno risultano quindi meno fortemente trattenuti dal nucleo e l’atomo è più facilmente polarizzabile.
Queste caratteristiche favoriscono una diversa interazione tra l’atomo centrale e gli atomi di fluoro. Anche XeF₂ presenta una struttura lineare F–Xe–F e il suo legame può essere descritto mediante il modello 3c–4e, ma il sistema risulta complessivamente più stabile.
Di conseguenza, XeF₂ è molto più stabile e più facilmente isolabile di KrF₂. Il confronto tra i due composti mostra come la capacità dei gas nobili di formare composti non dipenda esclusivamente dalla presenza di un ottetto elettronico completo, ma anche dalle dimensioni dell’atomo, dalla polarizzabilità e dall’energia e distribuzione degli orbitali di valenza.
Il passaggio dal kripton allo xeno costituisce quindi un interessante esempio di come le proprietà elettroniche di un elemento possano influenzare in modo decisivo la formazione e la stabilità dei suoi composti chimici.
Come si ottiene il kripton
Il kripton è ottenuto principalmente dall’aria atmosferica, nella quale è presente soltanto in quantità molto piccole, pari a circa 1,1 ppm. La sua bassa concentrazione rende antieconomica l’estrazione diretta e richiede processi industriali capaci di separarlo dagli altri componenti dell’aria.
Il processo parte dalla liquefazione dell’aria. L’aria è prima purificata per eliminare acqua, anidride carbonica e altre impurità che potrebbero solidificare alle basse temperature. Successivamente è compressa e raffreddata fino a raggiungere condizioni nelle quali i suoi principali componenti passano allo stato liquido.
L’aria liquida è quindi sottoposta a una distillazione frazionata, basata sulle diverse temperature di ebollizione di azoto, ossigeno e degli altri componenti. I gas più abbondanti sono separati progressivamente, mentre kripton e xeno, caratterizzati da temperature di ebollizione più elevate rispetto a ossigeno e azoto, tendono ad accumularsi nella frazione più pesante.
Il kripton non è quindi generalmente isolato direttamente durante le prime fasi della distillazione. Si ottiene invece da una frazione concentrata contenente soprattutto ossigeno e piccole quantità di kripton e xeno, che è successivamente sottoposta ad ulteriori processi di separazione e purificazione.
La separazione finale di kripton e xeno può sfruttare le loro differenti proprietà fisiche, in particolare le diverse temperature di ebollizione. Attraverso successive fasi di distillazione e purificazione è possibile ottenere kripton con un grado di purezza elevato.
La produzione del kripton è quindi strettamente collegata all’industria della separazione criogenica dell’aria. La sua estrazione è effettuata soprattutto quando esiste una richiesta industriale per questo gas o quando è prodotto come sottoprodotto insieme ad altri gas nobili
Applicazioni del kripton
Nonostante la sua scarsa abbondanza nell’atmosfera, il kripton trova diverse applicazioni grazie alle sue proprietà fisiche, in particolare alla bassa reattività chimica, alla densità relativamente elevata, alle caratteristiche di emissione luminosa e alla capacità di essere utilizzato in particolari sistemi ottici e tecnologici. Il suo costo è generalmente superiore a quello di gas più abbondanti, come argon e azoto, per cui viene impiegato soprattutto quando le sue proprietà offrono vantaggi specifici.
Kripton nell’illuminazione
Una delle applicazioni più note del kripton riguarda le sorgenti luminose. Quando viene sottoposto a una scarica elettrica, il gas emette una caratteristica radiazione luminosa, sfruttata in alcune lampade e sorgenti speciali.
Il kripton può inoltre essere utilizzato come gas di riempimento delle lampade a incandescenza, comprese alcune lampade alogene. Rispetto all’argon, la sua maggiore massa atomica contribuisce a ridurre l’evaporazione del tungsteno dal filamento e può consentire di ottenere un funzionamento più efficiente del sistema.
Il kripton è stato impiegato anche in lampade flash e sorgenti luminose ad alta intensità, dove le sue proprietà di emissione risultano particolarmente utili.
Kripton nelle vetrate isolanti
Un’importante applicazione del kripton riguarda il settore dell’edilizia ad alta efficienza energetica. Il gas può essere introdotto nelle intercapedini dei doppi e tripli vetri isolanti, dove contribuisce a ridurre il trasferimento di calore.
vetrate isolanti
Rispetto all’aria e all’argon, il kripton può offrire buone prestazioni termiche anche quando lo spazio tra le lastre è relativamente ridotto. Per questo viene utilizzato soprattutto nelle vetrate ad alte prestazioni, dove le dimensioni contenute dell’intercapedine possono rappresentare un vantaggio progettuale.
Laser a fluoruro di kripton
Il kripton trova un’importante applicazione nella tecnologia laser sotto forma di fluoruro di kripton (KrF). Il laser KrF appartiene alla famiglia dei laser a eccimeri e produce radiazione ultravioletta con una lunghezza d’onda di circa 248 nm.
Questa radiazione è stata utilizzata soprattutto nella fotolitografia dei semiconduttori, dove permette di trasferire strutture estremamente piccole sui wafer impiegati nella produzione dei circuiti integrati. I laser a eccimeri hanno inoltre trovato applicazioni nella ricerca scientifica, nella lavorazione di materiali e in alcune procedure mediche.
Kripton nella propulsione spaziale
Il kripton può essere utilizzato anche come propellente nei propulsori elettrici spaziali, in particolare nei sistemi a propulsione ionica e nei propulsori a effetto Hall.
Lo xeno è stato a lungo il propellente di riferimento per molti di questi sistemi, ma il kripton rappresenta un’alternativa interessante perché è più abbondante e generalmente meno costoso. Questa caratteristica ne ha favorito l’impiego in alcune applicazioni satellitari moderne, dove la propulsione elettrica viene utilizzata per il controllo orbitale e altre manovre nello spazio.
Il kripton-86 e la definizione del metro
Il kripton ha avuto anche un ruolo importante nella metrologia. Dal 1960 al 1983, la definizione internazionale del metro era basata sulla lunghezza d’onda nel vuoto di una specifica radiazione emessa dall’isotopo kripton-86.
La definizione stabiliva il metro come 1.650.763,73 lunghezze d’onda della radiazione corrispondente a una determinata transizione dell’atomo di 86Kr. La scelta del kripton-86 permetteva di disporre di un riferimento naturale, riproducibile e più preciso rispetto al precedente campione materiale costituito dalla barra di platino-iridio.
Nel 1983, tuttavia, si sostituì questa definizione con quella basata sulla velocità della luce nel vuoto, che costituisce il riferimento adottato ancora oggi per il metro.
Il ruolo storico del kripton nella definizione del metro rappresenta quindi un esempio particolarmente significativo di come le proprietà spettroscopiche di un elemento chimico possano diventare uno strumento fondamentale per la misura scientifica.
Prospettive e possibili sviluppi
Le prospettive future del kripton sono legate soprattutto a quelle applicazioni nelle quali le sue proprietà specifiche possono compensare la sua scarsa disponibilità e il costo relativamente elevato. Più che per un impiego generalizzato, il suo interesse rimane quindi concentrato in settori tecnologici e scientifici specializzati.
Uno degli ambiti più interessanti è quello della propulsione spaziale elettrica. L’utilizzo del kripton come propellente nei propulsori ionici e nei sistemi a effetto Hall potrebbe continuare a svilupparsi, soprattutto nelle missioni satellitari in cui il costo e la disponibilità del propellente rappresentano fattori importanti. La ricerca punta a migliorare l’efficienza dei propulsori e a ottimizzare il funzionamento con differenti gas propellenti.
Un altro settore riguarda la fotonica e la tecnologia laser. I laser a fluoruro di kripton, capaci di produrre raggi ultravioletti a circa 248 nm, possono mantenere un interesse nella ricerca sui laser a eccimeri e nelle applicazioni che richiedono sorgenti ultraviolette ad alta energia e precisione.
Anche l’edilizia ad alta efficienza energetica può rappresentare un campo di applicazione, in particolare per le vetrate isolanti nelle quali sia necessario ottenere elevate prestazioni termiche con intercapedini relativamente sottili. La diffusione di queste soluzioni dipenderà tuttavia dal rapporto tra prestazioni ottenibili e costo del gas.
Infine, il kripton continuerà ad avere un ruolo nella ricerca scientifica e nella spettroscopia, dove le sue caratteristiche atomiche e le sue linee di emissione possono essere sfruttate come riferimenti e strumenti di misura.
