Криптон

Крипто́н (химический символ — Kr, от лат. Krypton) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — восьмой группы главной подгруппы, VIIIA), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 36.

Криптон
← Бром | Рубидий →
36 Ar
↑
Kr
↓
Xe
Периодическая система элементов
36Kr
Внешний вид простого вещества
Криптоновая разрядная трубка
Свойства атома
Название, символ, номер Крипто́н / Krypton (Kr), 36
Группа, период, блок 18 (устар. 8), 4,
p-элемент
Атомная масса
(молярная масса)		 83,798(2)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ar] 3d104s24p6
1s22s22p63s23p63d104s24p6
Радиус атома 198 пм[2]; 88[3] пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 109 пм[2]; 116[3] пм
Радиус иона 169[3] пм
Электроотрицательность 3,0 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 0, +2
Энергия ионизации
(первый электрон)		  1350,0 (13,99) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) (жидкий, при −153 °C) 2,155 г/см3, при н.у. 0,003749 г/см³
Температура плавления 115,78 К (−157,37 °C)
Температура кипения 119,93 К (−153,415 °C)
Уд. теплота плавления 1,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения 9,05 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 20,79[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём 22,4⋅103 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки Кубическая
гранецентрированая
Параметры решётки 5,638 Å
Температура Дебая 72 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 0,0095 Вт/(м·К)
Номер CAS 7439-90-9
Эмиссионный спектр
36
Криптон
83,798
3d104s24p6

Простое вещество криптон — это инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

История

В 1898 году Уильям Рамзай совместно со своим ассистентом Морисом Уильямом Траверсом выделил из жидкого воздуха, предварительно удалив кислород, азот и аргон, смесь, в которой спектральным методом были открыты два газа: криптон (от греч. κρυπτός — «скрытый», «секретный») и ксенон («чуждый», «необычный»)[4]

Нахождение в природе

Содержание в атмосферном воздухе 1,14⋅10-4% по объёму, общие запасы в атмосфере 5,3⋅1012м³. В 1 м³ воздуха содержится около 1 см³ криптона.

Получение криптона из воздуха является энергоёмким процессом. Для получения единицы объёма криптона ректификацией сжиженного воздуха нужно переработать более миллиона единиц объёмов воздуха.

В литосфере Земли стабильные изотопы криптона (через цепочку распадов нестабильных нуклидов) образуются при спонтанном ядерном делении долгоживущих радиоактивных элементов (торий, уран), этот процесс обогащает атмосферу этим газом. В газах ураносодержащих минералов содержится 2,5—3,0 % криптона (по массе)[2].

В остальной части Вселенной криптон встречается в более высоких пропорциях, сравнимых с литием, галлием и скандием[5]. Соотношение криптона и водорода во Вселенной в основном постоянно. Из этого можно сделать вывод, что межзвёздное вещество богато криптоном[6]. Криптон также обнаружили в белом карлике RE 0503–289. Измеренное количество в 450 раз превышало солнечное, но причина такого высокого содержания криптона до сих пор неизвестна[7].

Определение

Качественно криптон обнаруживают с помощью эмиссионной спектроскопии (характеристические линии 557,03 нм и 431,96 нм). Количественно его определяют масс-спектрометрически, хроматографически, а также методами абсорбционного анализа[2].

Физические свойства

Криптон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха (при давлении 6 атмосфер приобретает острый запах, похожий на запах хлороформа[8]). Плотность при стандартных условиях 3,745 кг/м3 (в 3 раза тяжелее воздуха)[2]. При нормальном давлении криптон сжижается при температуре 119,93 К (−153,415 °C), затвердевает при 115,78 К (−157,37 °C), образуя кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm3m, параметры ячейки a = 0,572 нм, Z = 4. Таким образом, в жидкой фазе он существует лишь в диапазоне температур около четырёх градусов. Плотность жидкого криптона при температуре кипения составляет 2,412 г/см3, плотность твёрдого криптона при абсолютном нуле равна 3,100 г/см3[2].

Критическая температура 209,35 К, критическое давление 5,50 МПа (55,0 бар), критическая плотность 0,908 г/см3. Тройная точка криптона находится при температуре 115,78 К, его плотность при этом 2,826 г/см3[2].

Молярная теплоёмкость при постоянном давлении 20,79 Дж/(моль·К). Теплота плавления 1,6 кДж/моль, теплота испарения 9,1 кДж/моль[2].

При стандартных условиях динамическая вязкость криптона составляет 23,3 мкПа·с, теплопроводность 8,54 мВт/(м·К), коэффициент самодиффузии 7,9·10−6 м2/с[2].

Диамагнитен. Магнитная восприимчивость −2,9·10−5. Поляризуемость 2,46·10−3 нм3[2].

Энергия ионизации 13,9998 эВ (Kr0 → Kr+), 24,37 эВ (Kr+ → Kr2+)[2].

Сечение захвата тепловых нейтронов у природного криптона около 28 барн[2].

Растворимость в воде при стандартном давлении 1 бар равна 0,11 л/кг (0 °C), 0,054 л/кг (25 °C). Образует с водой клатраты состава Kr·5,75H2O, разлагающиеся при температуре выше −27,7 °C. Образует клатраты также с некоторыми органическими веществами (фенол, толуол, ацетон и др.)[2].

Заполненная криптоном газоразрядная трубка

Химические свойства

Криптон химически инертен. В жёстких условиях реагирует со фтором, образуя дифторид криптона. Относительно недавно было получено первое соединение со связями Kr−O (Kr(OTeF5)2)[9].

В 1965 году было заявлено о получении соединений состава KrF4, KrO3·H2O и BaKrO4. Позже их существование было опровергнуто[10].

В 2003 году в Финляндии было получено первое соединение со связью C−Kr (HKrC≡CH — гидрокриптоацетилен) путём фотолиза криптона и ацетилена на криптонной матрице[11].

Изотопы
Основная статья: Изотопы криптона

На данный момент известны 32 изотопа криптона и ещё 10 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе криптон представлен пятью стабильными нуклидами и одним слаборадиоактивным (период полураспада 2 · 1021 лет): 78Kr (изотопная распространённость 0,35 %), 80Kr (2,28 %), 82Kr (11,58 %), 83Kr (11,49 %), 84Kr (57,00 %), 86Kr (17,30 %)[12].

Получение

Получается как побочный продукт в виде криптоно-ксеноновой смеси в процессе разделения воздуха на промышленных установках.

В процессе разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации производится постоянный отбор фракции жидкого кислорода, содержащей жидкие углеводороды, криптон и ксенон (отбор фракции кислорода с углеводородами необходим для обеспечения взрывобезопасности).

Для извлечения криптона и ксенона из отбираемой фракции удаляют углеводороды в каталитических печах и направляют в дополнительную ректификационную колонну для удаления кислорода, после обогащения Kr+Xe смеси до 98—99 % её повторно очищают в каталитических печах от углеводородов, а затем в блоке адсорберов, заполненных силикагелем (или другим адсорбентом).

После очистки смеси газов от остатков углеводородов и влаги её закачивают в баллоны для транспортировки на установку разделения Kr и Xe (это связано с тем, что не на каждом предприятии, эксплуатирующем воздухоразделительные установки, существует установка разделения Kr и Xe).

Дальнейший процесс разделения Kr и Xe на чистые компоненты происходит по следующей цепочке: удаление остатков углеводородов на контактной каталитической печи, заполненной окисью меди при температуре 300—400 °C, очистка от влаги в адсорбере, заполненном цеолитом, охлаждение в теплообменнике, многостадийное разделение в нескольких ректификационных колоннах.

Процесс разделения смеси криптона и ксенона может вестись как непрерывно, так и циклично, по мере накопления сырья (смеси) для переработки.

Применение
  • Производство сверхмощных эксимерных лазеров (Kr-F).
  • Криптон используется для заполнения ламп накаливания, увеличивая срок службы нити накала[13].
  • Как теплоизолятор и шумоизолятор в стеклопакетах.[14][15]
  • Фториды криптона предложены в качестве окислителей ракетного топлива.
  • В период между 1960 и 1983 годом длина волны оранжевой линии спектра излучения 86Kr служила для определения метра[16].
  • Рабочее тело для электроракетных двигателей.
  • Единственный ЯМР-активный из стабильных изотопов криптона является 83Kr. Гиперполяризованный 83Kr использовался в экспериментах на животных на крысах при магнитно-резонансной томографии при исследовании лёгких[17].

Биологическая роль

Воздействие криптона на живые организмы изучено плохо. Исследуются возможности его использования в водолазном деле в составе дыхательных смесей и при повышенном давлении как средство для анестезии[18].

Физиологическое действие

Большое количество вдыхаемого криптона при недостаточном количестве кислорода может привести к удушью.

При вдыхании газовых смесей, содержащих криптон, при давлении более 3,5 атмосфер наблюдается наркотический эффект[19].

Примечания
  1. Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 265—291. — doi:10.1515/pac-2015-0305.
  2. Легасов В. А., Соколов В. Б. Криптон // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даффа—Меди. — С. 523. — 671 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-035-5.
  3. Size of krypton in several environments (англ.). www.webelements.com. Дата обращения: 6 августа 2009.
  4. Криптон: история открытия элемента. www.chem.msu.su. Дата обращения: 13 мая 2020.
  5. A. G. W. Cameron. Abundances of the Elements in the Solar System (англ.) // Space Science Reviews. — 1973-09. — Vol. 15, iss. 1. — P. 121–146. — ISSN 0038-6308. — doi:10.1007/BF00172440.
  6. Stefan I. B. Cartledge, J. T. Lauroesch, David M. Meyer, Ulysses J. Sofia, Geoffrey C. Clayton. Interstellar Krypton Abundances: The Detection of Kiloparsec-scale Differences in Galactic Nucleosynthetic History* (англ.) // The Astrophysical Journal. — 2008 November 10. — Vol. 687, iss. 2. — P. 1043. — ISSN 0004-637X. — doi:10.1086/592132.
  7. Klaus Werner, Thomas Rauch, Ellen Ringat, Jeffrey W. Kruk. FIRST DETECTION OF KRYPTON AND XENON IN A WHITE DWARF (англ.) // The Astrophysical Journal. — 2012-06-13. — Vol. 753, iss. 1. — P. L7. — ISSN 2041-8213 2041-8205, 2041-8213. — doi:10.1088/2041-8205/753/1/l7.
  8. О чём пишут научно-популярные журналы мира // Наука и жизнь. — М., 1989. — № 6. — С. 66.
  9. Four Decades of Fluorine Chemistry at McMaster. Архивная копия от 7 июня 2009 на Wayback Machine (англ.)
  10. Успехи химии. — 1974. — Т. 43, № 12, стр. 2179
  11. A Gate to Organokrypton Chemistry: HKrCCH — J. Am. Chem. Soc., 2003, Volume 125, Issue 23, pp. 6876—6877. (англ.)
  12. Данные приведены по Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — .
  13. Криптон — статья из Большой советской энциклопедии. 
  14. Стеклопакет с аргоном или криптоном: что лучше?
  15. http://www.double-glazing-info.com/Choosing-your-windows/Air-or-Argon-gap/Argon-and-other-inert-Gases
  16. Метр — статья из Большой советской энциклопедии. 
  17. Zackary I. Cleveland, Galina E. Pavlovskaya, Nancy D. Elkins, Karl F. Stupic, John E. Repine. Hyperpolarized 83Kr MRI of lungs (англ.) // Journal of Magnetic Resonance. — 2008-12-01. — Vol. 195, iss. 2. — P. 232–237. — ISSN 1090-7807. — doi:10.1016/j.jmr.2008.09.020.
  18. Куссмауль А. Р. Биологическое действие криптона на животных и человека в условиях повышенного давления — Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук — Москва — 2007
  19. Б. Н. Павлов, Н. Б. Павлов, А. Р. Куссмауль, М. А. Богачева, А. И. Григорьев Физиологические эффекты газовых смесей, содержащих криптон и ксенон

Литература
  • Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 (Даф-Мед). — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.