КРИПТОН: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, РИСКИ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Криптона представляет собой благородный газ , который представлен символ Kr и находится в группе 18 периодической таблицы. Это газ, который следует за аргоном, и его содержание настолько мало, что считалось скрытым; отсюда и его название. Он содержится почти не в минеральных камнях, а в массах природных газов и почти не растворяется в морях и океанах.

Одно только его имя вызывает образ Супермена, его планеты Криптон и знаменитого криптонита, камня, который ослабляет супергероя и лишает его сверхспособностей. Вы также можете подумать о криптовалютах или криптовалютах, когда услышите об этом, а также о других терминах, которые по своей сути далеки от этого газа.

Флакон с криптоном, возбуждаемый электрическим разрядом и светящийся белым светом. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Однако этот благородный газ менее экстравагантен и «скрыт» по сравнению с упомянутыми выше цифрами; хотя его отсутствие реактивности не отменяет всего потенциального интереса, который может вызвать исследования в различных областях, особенно в физических.

В отличие от других благородных газов, свет, излучаемый криптоном при возбуждении в электрическом поле, имеет белый цвет (верхнее изображение). Из-за этого он используется для различных целей в осветительной промышленности. Он может заменить практически любой неоновый свет и излучать собственный, который отличается желтовато-зеленым светом.

Он встречается в природе как смесь шести стабильных изотопов, не говоря уже о некоторых радиоизотопах, предназначенных для ядерной медицины. Чтобы получить этот газ, воздух, которым мы дышим, должен быть сжижен, а образующаяся жидкость должна быть подвергнута фракционной перегонке, где криптон затем очищается и разделяется на составляющие изотопы.

Благодаря криптону стало возможным продвинуться вперед в исследованиях ядерного синтеза, а также в применении лазеров в хирургических целях.

история

- Обнаружение скрытого элемента

В 1785 году английский химик и физик Генри Кавендиш обнаружил, что в воздухе содержится небольшая часть вещества, даже менее активного, чем азот.

Спустя столетие английский физик лорд Рэлей выделил из воздуха газ, который, по его мнению, был чистым азотом; но потом он обнаружил, что оно тяжелее.

В 1894 году шотландский химик сэр Уильям Рэмси совместно выделил этот газ, который оказался новым элементом: аргоном. Год спустя он изолировал газообразный гелий путем нагревания минерала клевеита.

Сам сэр Уильям Рэмси вместе со своим помощником, английским химиком Моррисом Трэверсом, открыл криптон 30 мая 1898 года в Лондоне.

Рэмси и Трэверс считали, что в периодической таблице между элементами аргона и гелия есть промежуток, который должен заполнить новый элемент. Рэмси через месяц после открытия криптона, в июне 1898 года, открыл неон; элемент, заполнивший пространство между гелием и аргоном.

методология

Рэмси подозревал существование нового элемента, скрытого в его предыдущем открытии, - аргона. Рэмси и Трэверс, чтобы проверить свою идею, решили получить из воздуха большой объем аргона. Для этого они должны были произвести сжижение воздуха.

Затем они дистиллировали жидкий воздух, чтобы разделить его на фракции и исследовать более легкие фракции на наличие желаемого газообразного элемента. Но допустили ошибку, видимо, перегрели сжиженный воздух и испарили большую часть пробы.

В итоге у них было всего 100 мл образца, и Рэмси был убежден, что присутствие в этом объеме элемента легче аргона маловероятно; но он решил изучить возможность наличия элемента тяжелее аргона в остаточном объеме образца.

Следуя его мысли, он удалил кислород и азот из газа, используя раскаленную медь и магний. Затем он поместил образец оставшегося газа в вакуумную трубку, приложив к нему высокое напряжение, чтобы получить спектр газа.

Как и ожидалось, присутствовал аргон, но они заметили появление двух новых ярких линий в спектре; один желтый, а другой зеленый, оба из которых никогда не наблюдались.

- Появление названия

Рэмси и Трэверс рассчитали взаимосвязь между удельной теплоемкостью газа при постоянном давлении и его удельной теплотой при постоянном объеме, найдя для этого отношения значение 1,66. Это значение соответствует газу, образованному отдельными атомами, показывая, что это не соединение.

Таким образом, они были в присутствии нового газа, и был открыт криптон. Рэмси решил назвать его Криптоном, слово происходит от греческого слова «крипто», что означает «скрытый». Уильям Рэмси получил Нобелевскую премию по химии в 1904 году за открытие этих благородных газов.

Физические и химические свойства

Внешность

Это бесцветный газ, который светится белым цветом в электрическом поле.

Стандартный атомный вес

83,798 ед.

Атомный номер (Z)

36

Температура плавления

-157,37 ºC

Точка кипения

153 415 ºC

плотность

В стандартных условиях: 3949 г / л

Жидкое состояние (точка кипения): 2,413 г / см ³

Относительная плотность газа

2.9 по отношению к воздуху со значением = 1. То есть криптон в три раза плотнее воздуха.

Растворимость воды

59,4 см ³ /1000 г при 20 ° С

Тройная точка

115,775 К и 73,53 кПа

Критическая точка

209,48 К и 5,525 МПа

Теплота плавления

1,64 кДж / моль

Теплота испарения

9,08 кДж / моль

Молярная калорийность

20,95 Дж / (моль К)

Давление газа

При температуре 84 К он имеет давление 1 кПа.

Электроотрицательность

3,0 по шкале Полинга

Энергия ионизации

Первая: 1350,8 кДж / моль.

Второй: 2350,4 кДж / моль.

Третий: 3565 кДж / моль.

Скорость звука

Газ (23 ºC): 220 м / с

Жидкость: 1120 м / с

Теплопроводность

9,43 · 10 ^-3 Вт / (м · К)

порядок

диамагнитный

Число окисления

Криптон, будучи благородным газом, не очень реактивен и не теряет и не набирает электроны. Если ему удается образовать твердое вещество с определенным составом, как это происходит с клатратом Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ или его гидридом Kr (H ₂ ) ₄ , то говорят, что он участвует с числом или степенью окисления 0 (Kr ⁰ ). ; то есть его нейтральные атомы взаимодействуют с матрицей молекул.

Однако криптон может формально терять электроны, если он образует связи с наиболее электроотрицательным элементом из всех: фтором. В KrF ₂ его степень окисления составляет +2, поэтому предполагается существование двухвалентного катиона Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^- ).

Реактивность

В 1962 году было сообщено о синтезе дифторида криптона (KrF ₂ ). Это соединение является легколетучим, бесцветным, кристаллическим твердым веществом, медленно разлагающимся при комнатной температуре; но он стабилен при -30 ºC. Фторид криптона - мощный окислитель и фторирующий агент.

Криптон реагирует с фтором при соединении в электроразрядной трубке при -183 ° C, образуя KrF ₂ . Реакция также происходит при облучении криптона и фтора ультрафиолетовым светом при -196 ° C.

KrF ⁺ и Kr ₂ F ₃ ⁺ представляют собой соединения, образующиеся в результате реакции KrF ₂ с сильными акцепторами фторида. Криптон является частью нестабильного соединения: K (OTeF ₅ ) ₂ , которое имеет связь между криптоном и кислородом (Kr-O).

Связь криптон-азот обнаружена в катионе HCΞN-Kr-F. Гидриды криптона, KrH ₂ , можно выращивать при давлениях выше 5 ГПа.

В начале 20-го века все эти соединения считались невозможными из-за нулевой реакционной способности этого благородного газа.

Структура и электронная конфигурация

Атом криптона

Криптон, будучи благородным газом, имеет весь октет валентности; то есть его s- и p-орбитали полностью заполнены электронами, что можно проверить по их электронной конфигурации:

3д ¹⁰ 4с ² 4п ⁶

Это одноатомный газ независимо (на сегодняшний день) от условий давления или температуры, которые на нем действуют. Следовательно, его три состояния определяются межатомными взаимодействиями его атомов Kr, которые можно представить себе как шарики.

Эти атомы Kr, как и их сородичи (He, Ne, Ar и т. Д.), Нелегко поляризовать, поскольку они относительно малы, а также имеют высокую электронную плотность; то есть поверхность этих шариков не деформируется заметно, чтобы генерировать мгновенный диполь, который индуцирует другой в соседнем шарике.

Взаимодействие взаимодействия

По этой причине единственной силой, удерживающей атомы Kr вместе, является лондонская сила рассеяния; но они очень слабы в случае криптона, поэтому для его атомов требуются низкие температуры, чтобы определить жидкость или кристалл.

Однако эти температуры (точки кипения и плавления соответственно) выше по сравнению с аргоном, неоном и гелием. Это связано с большей атомной массой криптона, что эквивалентно большему атомному радиусу и, следовательно, более поляризуемо.

Например, температура кипения криптона составляет около -153 ºC, а у благородных газов аргона (-186 ºC), неона (-246 ºC) и гелия (-269 ºC) ниже; то есть его газы нуждаются в более низких температурах (ближе к -273,15 ºC или 0 K), чтобы иметь возможность конденсироваться в жидкую фазу.

Здесь мы видим, как размер их атомных радиусов напрямую связан с их взаимодействиями. То же самое происходит с их соответствующими температурами плавления, температура, при которой криптон окончательно кристаллизуется при -157 ºC.

Кристалл криптона

Когда температура падает до -157 ° C, атомы Kr сближаются достаточно медленно, чтобы они могли слиться дальше и образовать белый кристалл с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой. Таким образом, теперь существует структурный порядок, управляемый его рассеивающими силами.

Хотя информации об этом немного, кристалл криптона с ГЦК может претерпевать кристаллические переходы в более плотные фазы, если он подвергается воздействию огромных давлений; как компактный гексагональный (ГПУ), в котором атомы Kr будут более сгруппированы.

Кроме того, не забывая об этом, атомы Kr могут быть захвачены в ледяные клетки, называемые клатратами. Если температура достаточно низкая, возможно, там могут быть смешанные кристаллы криптона и воды, в которых атомы Kr расположены и окружены молекулами воды.

Где найти и получить

атмосфера

Криптон рассеивается по всей атмосфере, в отличие от гелия, не в состоянии выйти из гравитационного поля Земли. В воздухе, которым мы дышим, его концентрация составляет около 1 ppm, хотя это может варьироваться в зависимости от газообразных выбросов; будь то извержения вулканов, гейзеры, горячие источники или, возможно, месторождения природного газа.

Поскольку он плохо растворяется в воде, его концентрация в гидросфере, вероятно, будет незначительной. То же самое и с минералами; в них могут быть захвачены несколько атомов криптона. Следовательно, единственным источником этого благородного газа является воздух.

Сжижение и фракционная перегонка

Чтобы получить его, воздух должен пройти процесс сжижения, так что все составляющие его газы конденсируются и образуют жидкость. Затем эту жидкость нагревают путем фракционной перегонки при низких температурах.

После отгонки кислорода, аргона и азота криптон и ксенон остаются в оставшейся жидкости, которая адсорбируется на активированном угле или силикагеле. Эту жидкость нагревают до -153 ºC, чтобы отогнать криптон.

Наконец, собранный криптон очищается путем пропускания через горячий металлический титан, который удаляет газообразные примеси.

Если требуется разделение его изотопов, газ заставляют подниматься через стеклянную колонку, где он подвергается термической диффузии; более легкие изотопы будут подниматься вверх, а более тяжелые - оставаться внизу. Так, например, изотоп ⁸⁴ Kr и ⁸⁶ Kr собираются отдельно внизу.

Криптон можно хранить в стеклянных колбах из пирекса при атмосферном давлении или в герметичных стальных резервуарах. Перед упаковкой он подвергается контролю качества методом спектроскопии, чтобы удостовериться, что его спектр уникален и не содержит линий других элементов.

Ядерное деление

Другой метод получения криптона заключается в делении ядер урана и плутония, из которых также образуется смесь их радиоактивных изотопов.

Изотопы

Криптон встречается в природе в виде шести стабильных изотопов. Это с соответствующими содержаниями на Земле: ⁷⁸ Kr (0,36%), ⁸⁰ Kr (2,29%), ⁸² Kr (11,59%), ⁸³ Kr (11,50%), ⁸⁴ Kr. (56,99%) и ⁸⁶ Kr (17,28%). ⁷⁸ Кр является радиоактивным изотопом; но его период полураспада (t _1/2 ) настолько велик (9,2 · 10 ²¹ года), что практически считается стабильным.

Вот почему его стандартная атомная масса (атомный вес) составляет 83,798 u, что ближе к 84 u изотопа ⁸⁴ Kr.

В следовых количествах также обнаружен радиоизотоп ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2,3 · 10 ⁵ ), который образуется, когда ⁸⁰ Kr получает космические лучи. Помимо уже упомянутых изотопов, существует два синтетических радиоизотопа: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 часов) и ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 лет); последний - то, что производится в результате ядерного деления урана и плутония.

риски

Криптон - нетоксичный элемент, поскольку он не вступает в реакцию при нормальных условиях и не представляет опасности возгорания при смешивании с сильными окислителями. Утечка этого газа не представляет опасности; если вы не дышите напрямую, вытесняя кислород и вызывая удушье.

Атомы Kr входят в организм и выводятся из него, не участвуя ни в каких метаболических реакциях. Однако они могут вытеснять кислород, который должен достигать легких и транспортироваться через кровь, поэтому человек может страдать от наркоза или гипоксии, а также других состояний.

В противном случае мы постоянно вдыхаем криптон каждым глотком воздуха. Что касается его соединений, то история другая. Например, KrF ₂ - мощный фторирующий агент; и, следовательно, он «отдает» анионы F ^- любой молекуле биологической матрицы, с которой сталкивается, что потенциально опасно.

Возможно, клатрат криптона (заключенный в ледяную клетку) не представляет особой опасности, если только не присутствуют определенные примеси, которые добавляют токсичности.

Приложения

Вспышки высокоскоростных камер отчасти связаны с возбуждением криптона. Источник: Mhoistion

Криптон присутствует в различных приложениях, связанных с артефактами или устройствами, предназначенными для освещения. Например, он входит в состав «неоновых огней» желтовато-зеленого цвета. «Законные» огни Криптона белые, так как их спектр излучения включает все цвета видимого спектра.

Белый свет криптона фактически использовался для фотографий, так как они очень интенсивные и быстрые, идеально подходят для высокоскоростных вспышек фотоаппаратов или для мгновенных вспышек на взлетно-посадочных полосах аэропортов.

Точно так же электрические разрядные трубки, излучающие этот белый свет, могут быть покрыты цветной бумагой, что дает эффект отображения разноцветных огней без необходимости возбуждения с помощью других газов.

Его добавляют в вольфрамовые лампы накаливания для увеличения срока их службы и в аргоновые люминесцентные лампы с той же целью, также снижая их интенсивность и увеличивая их стоимость (поскольку он дороже аргона).

Когда криптон составляет газовую начинку в лампах накаливания, он увеличивает яркость и делает его более голубоватым.

Лазеры

Красные лазеры, которые можно увидеть на световых шоу, основаны на спектральных линиях криптона, а не на смеси гелия и неона.

С другой стороны, на криптоне могут быть созданы мощные лазеры ультрафиолетового излучения: лазеры на фториде криптона (KrF). Этот лазер используется для фотолитографии, медицинских операций, исследований в области ядерного синтеза и микрообработки твердых материалов и соединений (модификации их поверхности под действием лазера).

Определение метра

Между 1960 и 1983 годами использовалась длина волны красно-оранжевой спектральной линии изотопа ⁸⁶ Kr (умноженная на 1 650 763,73), чтобы определить точную длину в один метр.

Обнаружение ядерного оружия

Поскольку радиоизотоп ⁸⁵ Kr является одним из продуктов ядерной деятельности, его обнаружение указывает на то, что произошел взрыв ядерного оружия или что осуществляется незаконная или тайная деятельность с использованием указанной энергии.

Лекарство

Криптон использовался в медицине в качестве анестетика, поглотителя рентгеновских лучей, детектора сердечных аномалий и для точного и контролируемого разреза сетчатки глаза с помощью лазеров.

Его радиоизотопы также используются в ядерной медицине для изучения и сканирования потока воздуха и крови в легких, а также для получения изображений ядерного магнитного резонанса дыхательных путей пациента.

Ссылки

1. Гэри Дж. Шробильген. (28 сентября 2018 г.). Криптон. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
2. Wikipedia. (2019). Криптон. Получено с: en.wikipedia.org
3. Майкл Пилгаард. (2016, 16 июля). Криптоновые химические реакции. Получено с: pilgaardelements.com
4. Crystallography365. (16 ноября 2014 г.). Супер крутой материал - кристаллическая структура криптона. Получено с: crystallography365.wordpress.com
5. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе криптона. Chemicool. Получено с: chemicool.com
6. Маркес Мигель. (SF). Криптон. Получено с: nautilus.fis.uc.pt
7. Advameg. (2019). Криптон. Как изготавливаются изделия. Получено с: madehow.com
8. AZoOptics. (25 апреля 2014 г.). Эксимерный лазер на фториде криптона - свойства и применение. Получено с: azooptics.com