КРИПТОН: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, РИЗИКИ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Криптону є благородний газ , який представлений символ Kr і знаходиться в групі 18 періодичної таблиці. Саме газ слідує за аргоном, і його достаток настільки низький, що його вважали прихованим; ось звідки походить його назва. Він не зустрічається майже в мінеральних каменях, але в масі природних газів і майже не розчиняється в морях і океанах.

Тільки його ім'я викликає образ Супермена, його планети Криптон і знаменитого криптоніту, каменю, який послаблює супергероя і позбавляє його супердержав. Ви також можете подумати про криптовалюти чи криптовалюту, коли почуєте про них, а також інші терміни, далекі від цього газу за своєю суттю.

Флакон з криптоном збуджується електричним розрядом і світиться білим світлом. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Однак цей благородний газ є менш екстравагантним і "прихованим" порівняно з цими фігурами, згаданими вище; хоча його недостатня реакційна здатність не віднімає усього потенційного інтересу, який може викликати дослідження, орієнтовані на різні сфери, особливо фізичні.

На відміну від інших благородних газів, світло, що випромінюється криптоном при збудженні в електричному полі, є білим (верхнє зображення). Через це його використовують для різних цілей у освітлювальній галузі. Він може замінити практично будь-яке неонове світло і випромінювати своє, що відрізняється тим, що має жовтувато-зелений колір.

Він зустрічається в природі як суміш шести стабільних ізотопів, не кажучи вже про деякі радіоізотопи, призначені для ядерної медицини. Для отримання цього газу повітря, яке ми дихаємо, повинно бути зрідженим, а отримана в ньому рідина піддана фракційній перегонці, де криптон очищується і відокремлюється в складові ізотопи.

Завдяки криптону вдалося просунутися в дослідженнях ядерного синтезу, а також у застосуванні лазерів для хірургічних цілей.

Історія

- Відкриття прихованого елемента

У 1785 році англійський хімік і фізик Генрі Кавендіш виявив, що повітря містить невелику частку речовини, навіть менш активну, ніж азот.

Через століття англійський фізик лорд Релей виділив із повітря газ, який він вважав чистим азотом; але потім він виявив, що це важче.

У 1894 р. Шотландський хімік, сер Вільям Рамзі, співпрацював для виділення цього газу, який виявився новим елементом: аргоном. Через рік він виділив гелієвий газ, нагрівши мінеральний клейвіт.

Сам сер Вільям Рамзі разом зі своїм помічником, англійським хіміком Моррісом Траверсом, 30 травня 1898 року в Лондоні виявили криптон.

Рамзі і Траверс вважали, що в періодичній таблиці між елементами аргон і гелій є пробіл, і цей елемент повинен був заповнити цей простір. Рамзі, через місяць після відкриття криптону, червень 1898 року, виявив неону; елемент, який заповнив простір між гелієм та аргоном.

Методика

Рамзі підозрював існування нового елемента, прихованого в його попередньому відкритті, - аргону. Рамзі і Траверс, щоб перевірити свою ідею, вирішили дістати з повітря великий об'єм аргону. Для цього їм довелося виробляти зрідження повітря.

Потім вони переганяли рідке повітря, щоб розділити його на фракції і досліджувати в більш легких фракціях на наявність потрібного газоподібного елемента. Але вони помилилися, мабуть, перегріли скраплене повітря і випарували багато зразка.

Зрештою, у них було лише 100 мл зразка, і Рамзі був впевнений, що присутність елемента легшого за аргон у цьому обсязі малоймовірне; але він вирішив дослідити можливість елемента, важчого за аргон, у залишковому обсязі зразка.

Слідуючи своїй думці, він видалив кисень та азот із газу, використовуючи розжарену мідь та магній. Потім він помістив зразок газу, що залишився у вакуумній трубці, приклавши до нього високу напругу, щоб отримати спектр газу.

Як і очікувалося, аргон був присутній, але вони помітили появу двох нових яскравих ліній у спектрі; одна жовта та інша зелена, яких обох ніколи не спостерігали.

- Поява назви

Рамзі та Траверс розраховували залежність між питомою теплоти газу при постійному тиску та його питомою теплоти при постійному об'ємі, знаходячи для цього співвідношення 1,66. Це значення відповідало газу, утвореному окремими атомами, показуючи, що це не з'єднання.

Тому вони були в присутності нового газу і криптону були виявлені. Рамзі вирішив назвати його Криптоном, словом, похідним від грецького слова "крипто", що означає "приховано". Вільям Рамзі отримав Нобелівську премію з хімії в 1904 році за відкриття цих благородних газів.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

Це безбарвний газ, який проявляє біле розжарювання в електричному полі.

Стандартна атомна маса

83,798 u

Атомне число (Z)

36

Точка плавлення

-157,37 ºC

Точка кипіння

153,415 ºC

Щільність

За стандартних умов: 3949 г / л

Рідкий стан (температура кипіння): 2,413 г / см ³

Відносна щільність газу

2,9 по відношенню до повітря зі значенням = 1. Тобто криптон втричі щільніший за повітря.

Розчинність у воді

59,4 см ³ /1000 г при 20 ° С

Потрійна точка

115,775 К і 73,53 кПа

Критична точка

209,48 К та 5,525 МПа

Тепло синтезу

1,64 кДж / моль

Тепло випаровування

9,08 кДж / моль

Молярна калорійність

20,95 Дж / (моль К)

Тиск пари

При температурі 84 К вона має тиск 1 кПа.

Електронегативність

3,0 за шкалою Полінга

Енергія іонізації

По-перше: 1350,8 кДж / моль.

Другий: 2350,4 кДж / моль.

Третє: 3,565 кДж / моль.

Швидкість звуку

Газ (23 ºC): 220 м / с

Рідина: 1120 м / с

Теплопровідність

9,43 · 10 ^-3 Вт / (м · К)

Замовлення

Діамагнітний

Номер окислення

Криптон, будучи благородним газом, не дуже реагує і не втрачає і не набирає електронів. Якщо йому вдасться утворити тверду речовину визначеного складу, як це відбувається з клатратом Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ або його гідридом Kr (H ₂ ) ₄ , то кажуть, що він бере участь у кількості чи стані окислення 0 (Kr ⁰ ) ; тобто його нейтральні атоми взаємодіють з матрицею молекул.

Однак криптон формально може втрачати електрони, якщо утворює зв’язки з самим електронегативним елементом із усіх: фтором. У KrF ₂ його число окислення дорівнює +2, тому припускається існування двовалентного катіону Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^- ).

Реактивність

У 1962 році повідомлялося про синтез дифториду криптону (KrF ₂ ). Ця сполука є дуже летючим, безбарвним кристалічним твердим речовиною і повільно розкладається при кімнатній температурі; але стабільний при температурі -30 ° C. Фторид криптону є потужним окислювальним та фторуючим агентом.

Криптон реагує з фтором при поєднанні в електричній розрядній трубці при температурі -183 ° C, утворюючи KrF ₂ . Реакція також виникає, коли криптон і фтор опромінюються ультрафіолетовим світлом при температурі -196 ° C.

KrF ⁺ і Kr ₂ F ₃ ^{+ -} це сполуки, що утворюються в результаті реакції KrF ₂ з сильними акцепторами фтору. Криптон є частиною нестабільної сполуки: K (OTeF ₅ ) ₂ , яка має зв’язок між криптоном і киснем (Kr-O).

Криптон-азотний зв’язок виявляється в катіоні HCΞN-Kr-F. Гідриди криптону, KrH ₂ , можна вирощувати при тиску більше 5 ГПа.

На початку XX століття всі ці сполуки вважалися неможливими, враховуючи нульову реакційну здатність, яка була задумана цим благородним газом.

Структура та електронна конфігурація

Атом Криптона

Криптон, будучи благородним газом, має весь валентний октет; тобто його орбіталі s і p повністю заповнені електронами, що можна перевірити в їх електронній конфігурації:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

Це одноатомний газ незалежно від (на сьогоднішній день) тиску чи температурних умов, що діють на нього. Тому його три стани визначаються міжатомними взаємодіями його атомів Kr, які можна уявити як мармур.

Ці атоми КР, як і їхні конгенери (He, Ne, Ar та ін.), Нелегко поляризувати, оскільки вони відносно невеликі і також мають високу електронну щільність; тобто поверхня цих мармурів не деформується помітно, щоб створити миттєвий диполь, який індукує інший у сусідньому мармурі.

Взаємодія взаємодії

Саме з цієї причини єдиною силою, яка утримує атоми Kr разом, є сила розсіювання Лондона; але вони дуже слабкі у випадку криптону, тому для його атомів необхідні низькі температури для визначення рідини або кристала.

Однак ці температури (температури кипіння та плавлення відповідно) вищі порівняно з аргоном, неоном та гелієм. Це пояснюється більшою атомною масою криптону, що еквівалентно більшому атомному радіусу і, отже, більш поляризується.

Наприклад, температура кипіння криптону становить близько -153 ° C, тоді як у аргону благородних газів (-186 ° C), неону (-246 ° C) та гелію (-269 ° C) нижче; тобто його гази потребують більш холодних температур (ближче до -273,15 ºC або 0 К), щоб вони могли конденсуватися в рідку фазу.

Тут ми бачимо, як розмір їх атомних радіусів безпосередньо пов'язаний з їх взаємодіями. Те саме відбувається з їх відповідними температурами плавлення, температура, при якій криптон нарешті кристалізується при температурі -157 ° С.

Криптон-кришталь

Коли температура падає до -157 ° C, атоми Kr наближаються досить повільно, щоб далі зростати і визначати білий кристал з кутовою структурою, орієнтованою на обличчя (fcc). Таким чином, зараз існує структурний порядок, керований його силами розгону.

Хоча відомостей про нього не так багато, кристал криптону FCC може зазнавати кристалічних переходів у більш щільні фази, якщо він зазнає величезного тиску; як компактний шестикутний (hcp), в якому атоми Kr будуть більш згруповані.

Крім того, не залишаючи цю точку в стороні, атоми Kr можуть бути захоплені у крижаних клітках, званих клатратами. Якщо температура досить низька, можливо, тут можуть бути змішані кристали криптон-вода з атомами Kr, розташованими та оточеними молекулами води.

Де знайти та отримати

Атмосфера

Криптон розсіяний по всій атмосфері, не в змозі уникнути гравітаційного поля Землі на відміну від гелію. У повітрі, яке ми дихаємо, його концентрація становить близько 1 проміле, хоча це може змінюватися залежно від викидів газів; будь то вулканічні виверження, гейзери, гарячі джерела чи, можливо, родовища природного газу.

Оскільки він погано розчинний у воді, його концентрація у гідросфері, ймовірно, незначна. Те саме відбувається з мінералами; декілька атомів криптону можуть бути захоплені всередині них. Тому єдиним джерелом цього благородного газу є повітря.

Зрідження та фракційна дистиляція

Для його отримання повітря має пройти процес зрідження, щоб усі його складові гази конденсувалися і утворювали рідину. Потім цю рідину нагрівають, застосовуючи фракційну перегонку при низьких температурах.

Після відгону кисню, аргону та азоту криптон та ксенон залишаються в рідини, що залишилася, яка адсорбується на активованому вугіллі чи силікагелі. Цю рідину нагрівають до -153 ° С для відгонки криптону.

Нарешті, зібраний криптон очищають, пропускаючи через гарячий металевий титан, який видаляє газоподібні домішки.

Якщо потрібне розділення його ізотопів, газ піднімається через скляну колонку, де він зазнає теплової дифузії; легші ізотопи піднімуться до вершини, тоді як важчі залишатимуться внизу. Так, наприклад, ізотоп ⁸⁴ Kr і ⁸⁶ Kr збирають окремо внизу.

Криптон можна зберігати в скляних колбах Pyrex при атмосферному тиску або в герметичних сталевих баках. Перед упаковкою його піддають контролю якості за допомогою спектроскопії, щоб підтвердити, що його спектр унікальний і не містить ліній інших елементів.

Ядерний поділ

Інший спосіб отримання криптону полягає в ядерному поділі урану і плутонію, з якого також утворюється суміш їх радіоактивних ізотопів.

Ізотопи

Криптон зустрічається в природі як шість стійких ізотопів. Вони, з відповідним достатку на Землі, складають: ⁷⁸ Кр (0,36%), ⁸⁰ Кр (2,29%), ⁸² Кр (11,59%), ⁸³ Кр (11,50%), ⁸⁴ Кр (56,99%) і ⁸⁶ Кр (17,28%). ⁷⁸ Кр є радіоактивним ізотопом; але його період напіввиведення (t _1/2 ) настільки довгий (9,2 · 10 ²¹ рік), що він практично вважається стабільним.

Ось чому його стандартна атомна маса (атомна маса) становить 83,798 u, ближче до 84 u ізотопу ⁸⁴ Kr.

У мікроелементах також виявляється радіоізотоп ⁸¹ Кр (t _1/2 = 2,3 · 10 ⁵ ), який виробляється, коли ⁸⁰ Кр отримує космічні промені. Окрім вже згаданих ізотопів, є два синтетичних радіоізотопів: ⁷⁹ Кр (t _1/2 = 35 годин) та ⁸⁵ Кр (t _1/2 = 11 років); останнє - це те, що виробляється як продукт ядерного поділу урану та плутонію.

Ризики

Криптон є нетоксичним елементом, оскільки він не реагує в нормальних умовах, а також не становить небезпеки пожежі при змішуванні з сильними окислювачами. Витік цього газу не представляє ніякої небезпеки; якщо ви не дихаєте безпосередньо, витісняючи кисень і викликаючи задуху.

Атоми КР потрапляють і викидаються з організму, не беручи участі в жодній метаболічній реакції. Однак вони можуть витіснити кисень, який повинен досягти легенів і транспортуватися через кров, тому індивід може страждати наркозом або гіпоксією, а також іншими станами.

В іншому випадку ми постійно дихаємо криптоном при кожному подиху повітря. Зараз щодо його сполук історія інша. Наприклад, KrF ₂ є потужним фторуючим агентом; і, отже, він буде "давати" аніони F ^- будь-якій молекулі біологічної матриці, з якою він стикається, будучи потенційно небезпечним.

Криптоновий клатрат (захоплений у крижаній клітці) може не бути суттєво небезпечним, якщо не існують певні домішки, які додають токсичності.

Програми

Спалахи від високошвидкісних камер частково зумовлені збудженням криптону. Джерело: Mhoistion

Криптон присутній у різних програмах навколо артефактів чи пристроїв, призначених для освітлення. Наприклад, це частина «неонових вогнів» жовтувато-зеленого кольору. "Легальні" світильники Криптона білі, оскільки їх спектр випромінювання охоплює всі кольори у видимому спектрі.

Біле світло криптону насправді використовувалося для фотографій, оскільки вони дуже інтенсивні та швидкі, вони ідеально підходять для швидкісних спалахів камери або для миттєвих спалахів на аеродромних посадкових смугах.

Так само електричні розрядні трубки, що випромінюють це біле світло, можуть бути покриті кольоровими паперами, створюючи ефект відображення вогнів багатьох кольорів без необхідності збудження за допомогою інших газів.

Він додається до лампочок з вольфрамової нитки для збільшення терміну їх експлуатації та до аргонових люмінесцентних ламп з тією ж метою, також знижуючи їх інтенсивність та збільшуючи витрати (оскільки це дорожче аргону).

Коли криптон утворює газоподібні залишки лампочок розжарювання, він збільшує його яскравість і робить синішим.

Лазери

Червоні лазери, помічені у світлих шоу, базуються на спектральних лініях криптону, а не на гелій-неоновій суміші.

З іншого боку, потужні лазери ультрафіолетового випромінювання можна виготовити з криптоном: фторидом криптону (KrF). Цей лазер застосовується для фотолітографії, медичних операцій, досліджень у галузі ядерного синтезу та мікрообробки твердих матеріалів та сполук (модифікуючи їх поверхню дією лазера).

Визначення лічильника

У період з 1960 по 1983 рік була використана довжина хвилі червоно-помаранчевої спектральної лінії ізотопу ⁸⁶ Кр (помножена на 1650 763,73), щоб визначити точну довжину одного метра.

Виявлення ядерної зброї

Оскільки радіоізотоп ⁸⁵ КР є одним із продуктів ядерної діяльності, де його виявляють, це є свідченням того, що сталася детонація ядерної зброї, або що здійснюються незаконні чи підпільні дії зазначеної енергетики.

Ліки

Криптон використовується в медицині як знеболюючий засіб, поглинач рентгенівських променів, детектор серцевих порушень, а також вирізати сітківку очей лазерами точно та контрольовано.

Її радіоізотопи також мають застосування в ядерній медицині, щоб вивчити і сканувати потік повітря і крові всередині легенів, а також отримати зображення ядерно-магнітного резонансу дихальних шляхів пацієнта.

Список літератури

1. Гері Дж. Шробільген. (28 вересня 2018 р.). Криптон. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
2. Вікіпедія. (2019). Криптон. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Майкл Пільгард. (2016 р., 16 липня). Хімічні реакції Криптона. Відновлено з: pilgaardelements.com
4. Кристалографія365. (16 листопада 2014 р.). Супер класний матеріал - кристалічна структура Криптона. Відновлено з: crystallography365.wordpress.com
5. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти криптону. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
6. Маркес Мігель. (sf). Криптон. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
7. Адвомег. (2019). Криптон. Як виготовляються вироби Відновлено з: madehow.com
8. AZoOptics. (25 квітня 2014 р.). Криптоновий флюорид-ексимерний лазер - властивості та застосування. Відновлено з: azooptics.com