stringtranslate.com

Криптон

Криптон (от древнегреческого : κρυπτός , романизированного :  kryptos «скрытый») — химический элемент ; имеет символ Kr и атомный номер 36. Это бесцветный, не имеющий запаха благородный газ , который в следовых количествах встречается в атмосфере и часто используется вместе с другими инертными газами в люминесцентных лампах . Криптон химически инертен .

Криптон, как и другие благородные газы, используется в освещении и фотографии . Криптоновый свет имеет много спектральных линий , а криптоновая плазма полезна в ярких, мощных газовых лазерах (криптоновых ионных и эксимерных лазерах), каждый из которых резонирует и усиливает одну спектральную линию. Фторид криптона также является полезной лазерной средой . С 1960 по 1983 год официальное определение метра основывалось на длине волны одной спектральной линии криптона-86 из-за высокой мощности и относительной простоты эксплуатации криптоновых разрядных трубок .

История

Сэр Уильям Рэмзи , первооткрыватель криптона

Криптон был открыт в Великобритании в 1898 году Уильямом Рамзаем , шотландским химиком, и Моррисом Трэверсом , английским химиком, в остатке, оставшемся после испарения почти всех компонентов жидкого воздуха . Неон был открыт с помощью аналогичной процедуры теми же рабочими всего несколько недель спустя. [12] Уильям Рамзай был удостоен Нобелевской премии по химии 1904 года за открытие ряда благородных газов , включая криптон. [13]

В 1960 году Международное бюро мер и весов определило метр как 1 650 763,73 длины волны света, излучаемого в вакууме, что соответствует переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 в изотопе криптон-86. [14] [15] Это соглашение заменило международный прототип метра 1889 года , который представлял собой металлический брусок, расположенный в Севре . Это также сделало устаревшим определение ангстрема 1927 года , основанное на красной спектральной линии кадмия , [16] заменив его на 1 Å = 10 −10  м. Определение криптона-86 просуществовало до конференции в октябре 1983 года, которая переопределила метр как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 с. [17] [18] [19]

Характеристики

Криптон характеризуется несколькими острыми линиями излучения ( спектральными сигнатурами ), самые сильные из которых — зелёная и жёлтая. [20] Криптон — один из продуктов деления урана . [21] Твердый криптон — белый и имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру , что является общим свойством всех благородных газов (за исключением гелия , который имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру). [22]

Изотопы

Природный криптон в атмосфере Земли состоит из пяти стабильных изотопов , а также одного изотопа ( 78 Kr) с таким длительным периодом полураспада (9,2×10 21  лет), что его можно считать стабильным. (Этот изотоп имеет третий по величине известный период полураспада среди всех изотопов, для которых наблюдался распад; он подвергается двойному захвату электронов до 78 Se ). [11] [23] Кроме того, известно около тридцати нестабильных изотопов и изомеров . [ 24] Следы 81 Kr, космогенного нуклида , образующегося при облучении космическими лучами 80 Kr, также встречаются в природе: этот изотоп радиоактивен с периодом полураспада 230 000 лет. Криптон очень летуч и не остается в растворе в поверхностных водах, но 81 Kr использовался для датирования старых (50 000–800 000 лет) грунтовых вод . [25]

85 Kr — инертный радиоактивный благородный газ с периодом полураспада 10,76 лет. Он образуется при делении уранаи плутония , например, прииспытаниях ядерных бомб и в ядерных реакторах . 85 Kr выделяется при переработке топливных стержней ядерных реакторов. Концентрации на Северном полюсе на 30% выше, чем на Южном полюсе из-за конвективного смешивания. [26]

Химия

Как и другие благородные газы, криптон химически крайне нереакционноспособен. Довольно ограниченная химия криптона в степени окисления +2 параллельна химии соседнего элемента брома в степени окисления +1; из-за скандидного сжатия трудно окислить элементы 4p до их групповых степеней окисления. До 1960-х годов не было синтезировано ни одного соединения благородного газа. [27]

После первого успешного синтеза соединений ксенона в 1962 году был начат синтез дифторида криптона ( KrF
2) было сообщено в 1963 году. В том же году KrF
4было сообщено Гроссе и др. [28] , но впоследствии было показано, что это ошибочная идентификация. [29] В экстремальных условиях криптон реагирует с фтором, образуя KrF 2 в соответствии со следующим уравнением:

Криптоновый газ в лазере на фториде криптона поглощает энергию из источника, заставляя криптон реагировать с фтористым газом, образуя эксиплекс фторида криптона, временный комплекс в возбужденном энергетическом состоянии: [30]

Комплекс может подвергаться спонтанному или вынужденному излучению, снижая свое энергетическое состояние до метастабильного, но сильно отталкивающего основного состояния . Комплекс основного состояния быстро диссоциирует на несвязанные атомы:

Результатом является эксиплексный лазер , который излучает энергию на длине волны 248 нм, вблизи ультрафиолетовой части спектра , что соответствует разнице энергий между основным состоянием и возбужденным состоянием комплекса. [31]

Твердые вещества Kr(H 2 ) 4 и H 2 образуются в ячейке с алмазной наковальней [32]
Структура Kr(H 2 ) 4 . Октаэдры криптона (зеленые) окружены хаотично ориентированными молекулами водорода. [32]

Также были обнаружены соединения с криптоном, связанным с атомами, отличными от фтора . Также имеются неподтвержденные сообщения о бариевой соли оксокислоты криптона . [33] Были исследованы полиатомные ионы Ar Kr + и Kr H +, и есть доказательства для Kr Xe или KrXe + . [34]

Реакция KrF
2с B(OTeF
5)
3производит нестабильное соединение Kr(OTeF
5)
2, который содержит связь криптон- кислород . Связь криптон- азот обнаружена в катионе [HC≡N–Kr–F]+
, полученный в результате реакции KrF
2с [HC≡NH]+
[АсФ−
6] ниже −50 °C. [ 35] [36] Сообщалось, что HKrCN и HKrC≡CH (гидрид-цианид криптона и гидрокриптоацетилен) стабильны до 40 K. [27]

Кристаллы гидрида криптона (Kr(H 2 ) 4 ) можно выращивать при давлениях выше 5 ГПа. Они имеют гранецентрированную кубическую структуру, в которой октаэдры криптона окружены хаотично ориентированными молекулами водорода. [32]

Естественное явление

Земля сохранила все благородные газы, которые присутствовали при ее формировании, за исключением гелия . Концентрация криптона в атмосфере составляет около 1  ppm . Его можно извлечь из жидкого воздуха путем фракционной перегонки . [37] Количество криптона в космосе неизвестно, поскольку измерения производятся на основе метеоритной активности и солнечных ветров. Первые измерения указывают на обилие криптона в космосе. [38]

Приложения

Криптоновая газоразрядная трубка

Многочисленные линии излучения Криптона делают разряды ионизированного криптонового газа белесыми, что в свою очередь делает лампы на основе криптона полезными в фотографии в качестве источника белого света. Криптон используется в некоторых фотографических вспышках для высокоскоростной фотографии . Криптон также смешивается с ртутью для создания светящихся знаков, которые светятся ярким зеленовато-голубым светом. [39]

Криптон смешивают с аргоном в энергосберегающих люминесцентных лампах, что снижает потребление энергии, но также снижает световой поток и повышает стоимость. [40] Криптон стоит примерно в 100 раз дороже аргона. Криптон (вместе с ксеноном) также используется для заполнения ламп накаливания, чтобы уменьшить испарение нити и обеспечить более высокие рабочие температуры . [41]

Белый разряд Криптона иногда используется как художественный эффект в газоразрядных «неоновых» трубках. Криптон производит гораздо большую мощность света, чем неон в области красной спектральной линии, и по этой причине красные лазеры для мощных лазерных световых шоу часто являются криптоновыми лазерами с зеркалами, которые выбирают красную спектральную линию для лазерного усиления и излучения, а не более привычными гелий-неоновыми, которые не могли достичь тех же многоваттных выходов. [42]

Криптон -фторидный лазер важен в исследованиях энергии ядерного синтеза в экспериментах по ограничению. Лазер имеет высокую однородность пучка, короткую длину волны , а размер пятна может изменяться для отслеживания взрывающейся гранулы. [43]

В экспериментальной физике элементарных частиц жидкий криптон используется для построения квазиоднородных электромагнитных калориметров . Ярким примером является калориметр эксперимента NA48 в ЦЕРНе, содержащий около 27 тонн жидкого криптона. Такое использование встречается редко, поскольку жидкий аргон менее затратен. Преимуществом криптона является меньший радиус Мольера 4,7 см, что обеспечивает превосходное пространственное разрешение с небольшим перекрытием. Другие параметры, имеющие отношение к калориметрии: длина излучения X 0 =4,7 см и плотность 2,4 г/см 3 .

Криптон-83 применяется в магнитно-резонансной томографии (МРТ) для визуализации дыхательных путей. В частности, он позволяет рентгенологу различать гидрофобные и гидрофильные поверхности, содержащие дыхательные пути. [44]

Хотя ксенон имеет потенциал для использования в компьютерной томографии (КТ) для оценки региональной вентиляции, его анестезирующие свойства ограничивают его фракцию в дыхательном газе до 35%. Дыхательная смесь из 30% ксенона и 30% криптона по эффективности для КТ сопоставима с 40% фракцией ксенона, при этом избегая нежелательных эффектов высокого парциального давления ксенонового газа. [45] Метастабильный изотоп криптон-81m используется в ядерной медицине для сканирования вентиляции легких /перфузии , где он вдыхается и визуализируется с помощью гамма-камеры . [46] Криптон-85 в атмосфере использовался для обнаружения подпольных установок по переработке ядерного топлива в Северной Корее [47] и Пакистане . [48] Эти установки были обнаружены в начале 2000-х годов и, как предполагалось, производили оружейный плутоний. Криптон-85 является среднеживущим продуктом деления и, таким образом, высвобождается из отработанного топлива при удалении оболочки. [49]

Криптон иногда используется в качестве изолирующего газа между оконными стеклами. [50] SpaceX Starlink использует криптон в качестве топлива для своей электрической двигательной установки . [51]

Меры предосторожности

Криптон в сравнении с другими анестезирующими газами (минимальная альвеолярная концентрация является обратным показателем эффективности)

Криптон считается нетоксичным удушающим веществом . [52] Будучи липофильным , криптон обладает значительным анестезирующим эффектом (хотя механизм этого явления до сих пор не полностью ясен , [53] есть веские доказательства того, что эти два свойства механистически связаны), с наркотической силой в семь раз большей, чем у воздуха, и вдыхание атмосферы, состоящей из 50% криптона и 50% природного воздуха (что может произойти в месте утечки), вызывает у людей наркоз, аналогичный вдыханию воздуха под давлением в четыре раза больше атмосферного. Это сопоставимо с подводным плаванием на глубине 30 м (100 футов) и может повлиять на любого, кто им дышит.

Ссылки

  1. ^ "Стандартные атомные веса: Криптон". CIAAW . 2001.
  2. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  3. ^ Криптон. encyclopedia.airliquide.com
  4. ^ "Раздел 4, Свойства элементов и неорганических соединений; Температуры плавления, кипения, тройные и критические температуры элементов". CRC Handbook of Chemistry and Physics (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. 2005.
  5. ^ ab Haynes, William M., ред. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92-е изд.). Boca Raton, FL: CRC Press . стр. 4.121. ISBN 1-4398-5511-0.
  6. ^ Шуэнь-Чен Хванг, Роберт Д. Лейн, Дэниел А. Морган (2005). «Благородные газы». Энциклопедия химической технологии Кирка Отмера. Wiley. С. 343–383. doi:10.1002/0471238961.0701190508230114.a01.
  7. ^ Арбластер, Джон В. (2018). Избранные значения кристаллографических свойств элементов . Materials Park, Огайо: ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
  8. ^ Магнитная восприимчивость элементов и неорганических соединений, в Lide, DR, ред. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86-е изд.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  9. ^ Уист, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  10. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  11. ^ ab Patrignani, C.; et al. ( Particle Data Group ) (2016). "Обзор физики элементарных частиц". Chinese Physics C. 40 ( 10): 100001. Bibcode :2016ChPhC..40j0001P. doi :10.1088/1674-1137/40/10/100001.См. стр. 768.
  12. ^ Уильям Рэмзи ; Моррис В. Трэверс (1898). «О новом компоненте атмосферного воздуха». Труды Лондонского королевского общества . 63 (1): 405–408. doi :10.1098/rspl.1898.0051.
  13. ^ Дэвис, Элвин Г. (март 2012 г.). «Сэр Уильям Рамсей и благородные газы». Science Progress . 95 (1): 23–49. doi :10.3184/003685012X13307058213813. ISSN  0036-8504. PMC 10365523. PMID 22574384.  S2CID 12592582  . 
  14. ^ "BIPM и эволюция определения метра". Международное бюро мер и весов. 2014-07-26 . Получено 2016-06-23 .
  15. ^ Пензес, Уильям Б. (2009-01-08). "Временная шкала для определения метра". Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано из оригинала 2016-08-12 . Получено 2016-06-23 .
  16. ^ Бурдун, ГД (1958). «О новом определении метра». Measurement Techniques . 1 (3): 259–264. Bibcode :1958MeasT...1..259B. doi :10.1007/BF00974680. S2CID  121450003.
  17. ^ Кимоти, Шри Кришна (2002). Неопределенность измерений: физическая и химическая метрология: влияние и анализ. Американское общество качества. стр. 122. ISBN 978-0-87389-535-4.
  18. ^ Гиббс, Филип (1997). «Как измеряется скорость света?». Кафедра математики Калифорнийского университета. Архивировано из оригинала 21-08-2015 . Получено 19-03-2007 .
  19. ^ Единица длины (метр), NIST
  20. ^ "Спектры газовых разрядов". Архивировано из оригинала 2011-04-02 . Получено 2009-10-04 .
  21. ^ "Криптон" (PDF) . Аргоннская национальная лаборатория, EVS. 2005. Архивировано из оригинала (PDF) 29-09-2009 . Получено 17-03-2007 .
  22. ^ Борден, Бретт; Радин, Чарльз (1981-08-15). «Кристаллическая структура благородных газов». Журнал химической физики . 75 (4): 2012–2013. Bibcode : 1981JChPh..75.2012B. doi : 10.1063/1.442240. ISSN  0021-9606.
  23. ^ Гаврилюк, Ю. М.; Гангапшев, АМ; Казалов, ВВ; Кузьминов, ВВ; Панасенко, СИ; Раткевич, СС (4 марта 2013 г.). "Признаки захвата 2ν2K в 78 Kr". Phys. Rev. C . 87 (3): 035501. Bibcode :2013PhRvC..87c5501G. doi :10.1103/PhysRevC.87.035501.
  24. ^ Lide, DR, ред. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86-е изд.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  25. ^ Тоннард, Норберт; Микей, Ларри Д.; Лаботка, Теодор К. (2001-02-05). «Разработка методов резонансной ионизации на основе лазера для измерений 81-Kr и 85-Kr в геонауках» (PDF) . Университет Теннесси, Институт измерений редких изотопов. стр. 4–7 . Получено 20 марта 2007 г.
  26. ^ "Ресурсы по изотопам". Геологическая служба США. Архивировано из оригинала 2001-09-24 . Получено 2007-03-20 .
  27. ^ ab Bartlett, Neil (2003). "Благородные газы". Chemical & Engineering News . Получено 2006-07-02 .
  28. ^ Гроссе, AV; Киршенбаум, AD; Стренг, AG; Стренг, LV (1963). «Тетрафторид криптона: Получение и некоторые свойства». Science . 139 (3559): 1047–1048. Bibcode :1963Sci...139.1047G. doi :10.1126/science.139.3559.1047. PMID  17812982.
  29. ^ Прусаков, В. Н.; Соколов, В. Б. (1971). «Дифторид криптона». Советская атомная энергия . 31 (3): 990–999. doi :10.1007/BF01375764. S2CID  189775335.
  30. ^ Джонсон, Томас Х.; Хантер, Аллен М. (1980-05-01). «Физика лазера на фториде криптона». Журнал прикладной физики . 51 (5): 2406–2420. Bibcode : 1980JAP....51.2406J. doi : 10.1063/1.328010 . ISSN  0021-8979.
  31. ^ Preston, SG; Sanpera, A.; Zepf, M.; Blyth, WJ; Smith, CG; Wark, JS; Key, MH; Burnett, K.; Nakai, M.; Neely, D.; Offenberger, AA (1996-01-01). "Высокие гармоники 248,6-нм KrF-лазера из ионов гелия и неона". Physical Review A. 53 ( 1): R31–R34. Bibcode : 1996PhRvA..53...31P. doi : 10.1103/PhysRevA.53.R31. PMID  9912935.
  32. ^ abc Kleppe, Annette K.; Amboage, Mónica; Jephcoat, Andrew P. (2014). "Новое высоконапорное ван-дер-ваальсово соединение Kr(H2)4 обнаружено в бинарной системе криптон-водород". Scientific Reports . 4 : 4989. Bibcode :2014NatSR...4E4989K. doi : 10.1038/srep04989 .
  33. ^ Streng, A.; Grosse, A. (1964). «Криптоновая кислота и ее бариевая соль». Science . 143 (3603): 242–243. Bibcode :1964Sci...143..242S. doi :10.1126/science.143.3603.242. PMID  17753149. S2CID  11607538.
  34. ^ "Периодическая таблица элементов" (PDF) . Отдел химии Национальной лаборатории Лос-Аламоса. стр. 100–101. Архивировано из оригинала (PDF) 25 ноября 2006 г. Получено 2007-04-05 .
  35. ^ Холлоуэй, Джон Х.; Хоуп, Эрик Г. (1998). Сайкс, А. Г. (ред.). Достижения в неорганической химии . Academic Press. стр. 57. ISBN 978-0-12-023646-6.
  36. ^ Lewars, Errol G. (2008). Моделирование чудес: вычислительное предвосхищение новых молекул. Springer. стр. 68. ISBN 978-1-4020-6972-7.
  37. ^ "Как производятся продукты: Криптон" . Получено 2006-07-02 .
  38. ^ Карделли, Джейсон А.; Мейер, Дэвид М. (1996). «Обилие межзвездного криптона». The Astrophysical Journal Letters . 477 (1): L57–L60. Bibcode : 1997ApJ...477L..57C. doi : 10.1086/310513 .
  39. ^ "Mercury in Lighting" (PDF) . Cape Cod Cooperative Extension. Архивировано из оригинала (PDF) 29-09-2007 . Получено 20-03-2007 .
  40. ^ Освещение: полноразмерные люминесцентные лампы. McGraw-Hill Companies, Inc. (2002)
  41. ^ Свойства, применение и использование «редких газов» неона, криптона и ксенона. Uigi.com. Получено 30.11.2015.
  42. ^ "Лазерные устройства, лазерные шоу и эффекты" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-02-21 . Получено 2007-04-05 .
  43. ^ Sethian, J.; M. Friedman; M. Myers. "Разработка лазера на фториде криптона для получения энергии инерциального термоядерного синтеза" (PDF) . Plasma Physics Division, Naval Research Laboratory. стр. 1–8. Архивировано из оригинала (PDF) 29-09-2011 . Получено 20-03-2007 .
  44. ^ Павловская, GE; Кливленд, ZI; Ступич, KF; Басараба, RJ; и др. (2005). «Гиперполяризованный криптон-83 как контрастный агент для магнитно-резонансной томографии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (51): 18275–9. Bibcode : 2005PNAS..10218275P. doi : 10.1073/pnas.0509419102 . PMC 1317982. PMID  16344474 . 
  45. ^ Чон, Д.; Бек, К. К.; Саймон, БА; Шиката, Х.; и др. (2007). «Влияние добавления низкого содержания ксенона и криптона на сигнал/шум измерений региональной вентиляции на основе КТ». Журнал прикладной физиологии . 102 (4): 1535–44. doi :10.1152/japplphysiol.01235.2005. PMID  17122371.
  46. ^ Bajc, M.; Neilly, JB; Miniati, M.; Schuemichen, C.; Meignan, M.; Jonson, B. (27 июня 2009 г.). «Руководство EANM по вентиляционно-перфузионной сцинтиграфии». European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging . 36 (8): 1356–1370. doi : 10.1007/s00259-009-1170-5 . hdl : 2158/774307 . PMID  19562336.
  47. ^ Sanger, David E.; Shanker, Thom (2003-07-20). "N. Korea may be hide new nuclear site". Oakland Tribune . Архивировано из оригинала 2016-04-09 . Получено 2015-05-01 .
  48. ↑ Брэдли, Эд; Мартин, Дэвид (16.03.2000). «Разведка США нашла доказательства производства ядерного оружия в Пакистане, CBS». Вечерние новости CBS с Дэном Разером . Архивировано из оригинала 18.10.2016 . Получено 1.05.2015 .
  49. ^ Różański, K. (1979-01-01). «Криптон-85 в атмосфере 1950–1977: обзор данных». Environment International . 2 (3): 139–143. Bibcode : 1979EnInt...2..139R. doi : 10.1016/0160-4120(79)90071-0. ISSN  0160-4120.
  50. ^ Эйр, Джеймс (28.04.2018). «Изолированные окна 101 — Двойное остекление, тройное остекление, тепловые характеристики и потенциальные проблемы». cleantechnica.com . Получено 17 мая 2018 г. .
  51. ^ SpaceX (23 мая 2019 г.). "Starlink Mission". YouTube . Событие происходит в 7:10. Архивировано из оригинала 2021-11-03.
  52. ^ Свойства Криптона Архивировано 19 февраля 2009 г. на Wayback Machine . Pt.chemicalstore.com. Получено 30 ноября 2015 г.
  53. ^ Кеннеди, RR; Стоукс, JW; Даунинг, P. (февраль 1992 г.). «Анестезия и «инертные» газы с особым акцентом на ксенон». Анестезия и интенсивная терапия . 20 (1): 66–70. doi : 10.1177/0310057X9202000113 . ISSN  0310-057X. PMID  1319119. S2CID  29886337.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки