stringtranslate.com

Криптон

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

Криптон, как и другие благородные газы, используется в освещении и фотографии . Криптоновый свет имеет множество 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 средой для лазеров . 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 газоразрядных трубок .

История

Сэр Уильям Рамзи , первооткрыватель криптона

Криптон был открыт в Великобритании в 1898 году Уильямом Рамзи , шотландским химиком, и Моррисом Трэверсом , английским химиком, в остатках, оставшихся от испарения почти всех компонентов жидкого воздуха . Неон был обнаружен с помощью аналогичной процедуры теми же исследователями всего несколько недель спустя. [12] Уильям Рамзи 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 криптоне-86. [14] [15] Это соглашение заменило международный прототип счетчика 1889 года , который представлял собой металлический стержень, 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 резкими эмиссионными линиями ( спектральными сигнатурами ), самые сильные из которых — зеленая и желтая. [20] Криптон — один из продуктов деления урана . [21] Твердый криптон имеет белый цвет и имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру , которая является общим свойством всех благородных газов (кроме гелия , который имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру). [22]

изотопы

Природный криптон в атмосфере Земли состоит из пяти стабильных изотопов плюс один изотоп ( 78 Kr) с таким длительным периодом полураспада (9,2×10 21  год), что его можно считать стабильным. (Этот изотоп имеет второй по продолжительности период полураспада среди всех изотопов, распад которых наблюдался; 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 в результате облучения 80 Kr космическими лучами , также встречаются в природе: этот изотоп радиоактивен с периодом полураспада 230 000 лет. Криптон очень летуч и не остается в растворе в приповерхностных водах, но 81 Kr использовался для датирования старых (50 000–800 000 лет) подземных вод . [25]

85 Kr — инертный радиоактивный благородный газ с периодом полураспада 10,76 года. Он производится в результате деления уранаи плутония , например, при испытаниях ядерной бомбы и 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 перемешивания. [26]

Химия

Как и другие благородные газы, криптон химически крайне инертен. Довольно ограниченный химический состав криптона в степени окисления +2 аналогичен химическому составу соседнего элемента брома в степени окисления +1; из-за сжатия скандида трудно окислить элементы 4p до их групповых степеней окисления. До 1960-х годов не было синтезировано никаких соединений благородных газов. [27]

После первого успешного синтеза соединений ксенона в 1962 году был синтез дифторида криптона ( KrF
2) сообщалось в 1963 году. В том же году КрФ
4сообщили Grosse et al. , [28] , но впоследствии было показано, что это ошибочная идентификация. [29] В экстремальных условиях криптон реагирует с фтором с образованием KrF 2 по следующему уравнению:

Газ криптон в лазере на фториде криптона поглощает энергию источника, вызывая реакцию криптона с газообразным фтором, образуя эксиплекс фторида криптона, временный комплекс в возбужденном энергетическом состоянии: [30]

Комплекс может подвергаться спонтанному или стимулированному излучению, приводя его энергетическое состояние к метастабильному, но сильно отталкивающему основному состоянию . Комплекс основного состояния быстро диссоциирует на несвязанные атомы:

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

Твердые частицы Kr(H 2 ) 4 и H 2 образуются в ячейке с алмазными наковальнями [32]
Структура Кр(Н 2 ) 4 . Криптоновые октаэдры (зеленые) окружены хаотично ориентированными молекулами водорода. [32]

Также были обнаружены соединения, в которых криптон связан с атомами, отличными от фтора . Имеются также непроверенные сообщения о бариевой соли оксокислоты криптона . [33] Многоатомные ионы Ar Kr + и Kr H + были исследованы и есть доказательства существования Kr Xe или KrXe + . [34]

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

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

Естественное явление

Земля сохранила все благородные газы, которые присутствовали при ее формировании, кроме 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 основаны на метеорной активности и солнечном ветре. Первые измерения указывают на обилие криптона в космосе. [38]

Приложения

Криптоновая газоразрядная трубка

Множественные линии излучения криптона делают разряды ионизированного криптона беловатыми, что, в свою очередь, делает лампы на основе криптона полезными в фотографии в качестве источника белого света. Криптон используется в некоторых фотовспышках для высокоскоростной съемки . Газ криптон также соединяется с ртутью, образуя светящиеся знаки, светящиеся ярким зеленовато-голубым светом. [39]

Криптон смешивается с аргоном в энергосберегающих люминесцентных лампах, что снижает энергопотребление, но также снижает светоотдачу и повышает стоимость. [40] Криптон стоит примерно в 100 раз дороже аргона. Криптон (наряду с ксеноном) также используется для наполнения ламп накаливания, чтобы уменьшить испарение нитей накала и обеспечить более высокие рабочие температуры . [41]

Белый разряд криптона иногда используется в качестве художественного эффекта в газоразрядных «неоновых» трубках. Криптон производит гораздо более высокую мощность света, чем неон, в области красной спектральной линии, и по этой причине красные лазеры для мощных лазерных световых шоу часто представляют собой криптоновые лазеры с зеркалами, которые выбирают красную спектральную линию для лазерного усиления и излучения, а не более знакомая гелий-неоновая разновидность, которая не могла достичь такой же мощности в несколько ватт. [42]

Лазер на фториде криптона играет важную роль в исследованиях энергии ядерного синтеза в экспериментах по удержанию. Лазер имеет высокую однородность луча, короткую длину волны , а размер пятна можно изменять для отслеживания взрывающейся гранулы. [43]

В экспериментальной физике элементарных частиц жидкий криптон используется для создания квазиоднородных электромагнитных калориметров . Ярким примером является калориметр эксперимента NA48 в ЦЕРН , содержащий около 27 тонн жидкого криптона. Такое использование встречается редко, поскольку жидкий аргон дешевле. Преимуществом криптона является меньший радиус Мольера (4,7 см), что обеспечивает превосходное пространственное разрешение с небольшим перекрытием. Другими параметрами, важными для калориметрии, являются: 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, это позволяет рентгенологу различать гидрофобные и гидрофильные поверхности, содержащие дыхательные пути. [44]

Хотя ксенон потенциально может использоваться в компьютерной томографии (КТ) для оценки регионарной вентиляции, его анестезирующие свойства ограничивают его долю в дыхательном газе до 35%. Дыхательная смесь из 30% ксенона и 30% криптона сравнима по эффективности для КТ с 40% фракцией ксенона, при этом позволяет избежать нежелательных эффектов высокого парциального давления газа ксенона. [45] Метастабильный изотоп криптон-81м используется в ядерной медицине для сканирования вентиляции/перфузии легких , где он вдыхается и визуализируется с помощью гамма-камеры . [46] Криптон-85 в атмосфере использовался для обнаружения тайных предприятий по переработке ядерного топлива в Северной Корее [47] и Пакистане . [48] ​​Эти объекты были обнаружены в начале 2000-х годов и предположительно производили оружейный плутоний. Криптон-85 является среднеживущим продуктом деления и поэтому выделяется из отработавшего топлива при снятии 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 по сравнению с другими анестезирующими газами (минимальная альвеолярная концентрация является обратным показателем эффективности)

Криптон считается нетоксичным удушающим веществом . [52] Будучи липофильным , криптон оказывает значительное анестезирующее действие (хотя механизм этого явления до сих пор не до конца ясен , [53] имеются веские доказательства того, что эти два свойства механистически связаны), при этом наркотическая сила в семь раз превышает силу воздуха, а вдыхание атмосферы, состоящей из 50% криптона и 50% природного воздуха (что может произойти в месте утечки), вызывает у людей наркоз , аналогично вдыханию воздуха при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное. Это сравнимо с подводным плаванием на глубине 30 м (100 футов) и может повлиять на любого, кто вдыхает это.

Рекомендации

  1. ^ «Стандартные атомные веса: Криптон». ЦИАВ . 2001.
  2. ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  3. ^ Криптон. энциклопедия.airliquide.com
  4. ^ «Раздел 4, Свойства элементов и неорганических соединений; Плавление, кипение, тройные и критические температуры элементов». Справочник CRC по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. 2005.
  5. ^ аб Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . п. 4.121. ISBN 1-4398-5511-0.
  6. ^ Шуен-Чен Хван, Роберт Д. Лейн, Дэниел А. Морган (2005). "Благородные газы". Энциклопедия химической технологии Кирка Отмера. Уайли. стр. 343–383. doi:10.1002/0471238961.0701190508230114.a01.
  7. ^ Арбластер, Джон В. (2018). Некоторые значения кристаллографических свойств элементов . Парк материалов, Огайо: ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
  8. ^ Магнитная восприимчивость элементов и неорганических соединений, в Лиде, Д.Р., изд. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  9. ^ Уэст, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Издательство компании Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  10. ^ Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  11. ^ аб Патриньяни, К.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2016). «Обзор физики элементарных частиц». Китайская физика C . 40 (10): 100001. Бибкод : 2016ЧФК..40j0001П. дои : 10.1088/1674-1137/40/10/100001.См. стр. 768
  12. ^ Уильям Рамзи ; Моррис В. Трэверс (1898). «О новом составе атмосферного воздуха». Труды Лондонского королевского общества . 63 (1): 405–408. дои : 10.1098/rspl.1898.0051.
  13. ^ Дэвис, Олвин Г. (март 2012 г.). «Сэр Уильям Рамзи и благородные газы». Научный прогресс . 95 (1): 23–49. дои : 10.3184/003685012X13307058213813. ISSN  0036-8504. ПМЦ 10365523 . PMID  22574384. S2CID  12592582. 
  14. ^ «BIPM и эволюция определения метра». Международное бюро мер и веса. 26 июля 2014 г. Проверено 23 июня 2016 г.
  15. ^ Пензес, Уильям Б. (08 января 2009 г.). «Временная шкала определения метра». Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано из оригинала 12 августа 2016 г. Проверено 23 июня 2016 г.
  16. ^ Бурдун, Г.Д. (1958). «О новом определении метра». Методика измерения . 1 (3): 259–264. дои : 10.1007/BF00974680. S2CID  121450003.
  17. ^ Кимоти, Шри Кришна (2002). Неопределенность измерений: физическая и химическая метрология: влияние и анализ. Американское общество качества. п. 122. ИСБН 978-0-87389-535-4.
  18. ^ Гиббс, Филип (1997). «Как измеряется скорость света?». Департамент математики Калифорнийского университета. Архивировано из оригинала 21 августа 2015 г. Проверено 19 марта 2007 г.
  19. ^ Единица длины (метр), NIST.
  20. ^ "Спектры газовых разрядов". Архивировано из оригинала 2 апреля 2011 г. Проверено 4 октября 2009 г.
  21. ^ «Криптон» (PDF) . Аргоннская национальная лаборатория, EVS. 2005. Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2009 г. Проверено 17 марта 2007 г.
  22. ^ Борден, Бретт; Радин, Чарльз (15 августа 1981 г.). «Кристаллическая структура благородных газов». Журнал химической физики . 75 (4): 2012–2013. Бибкод :1981ЖЧФ..75.2012Б. дои : 10.1063/1.442240. ISSN  0021-9606.
  23. ^ Гаврилюк, Ю. М.; Гангапшев А.М.; Казалов В.В.; Кузьминов В.В.; Панасенко С.И.; Раткевич, С.С. (4 марта 2013 г.). «Признаки захвата 2ν2K в 78 Кр». Физ. Преподобный С. 87 (3): 035501. Бибкод : 2013PhRvC..87c5501G. doi : 10.1103/PhysRevC.87.035501.
  24. ^ Лиде, Д.Р., изд. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  25. ^ Тоннард, Норберт; Мекей, Ларри Д.; Лаботка, Теодор К. (05 февраля 2001 г.). «Разработка методов лазерной резонансной ионизации для измерений 81-Kr и 85-Kr в геолого-геофизических исследованиях» (PDF) . Университет Теннесси, Институт измерений редких изотопов. стр. 4–7 . Проверено 20 марта 2007 г.
  26. ^ «Ресурсы по изотопам». Геологическая служба США. Архивировано из оригинала 24 сентября 2001 г. Проверено 20 марта 2007 г.
  27. ^ аб Бартлетт, Нил (2003). «Благородные газы». Новости химии и техники . Проверено 2 июля 2006 г.
  28. ^ Гросс, А.В.; Киршенбаум, А.Д.; Стренг, АГ; Стренг, Л.В. (1963). «Тетрафторид криптона: получение и некоторые свойства». Наука . 139 (3559): 1047–1048. Бибкод : 1963Sci...139.1047G. дои : 10.1126/science.139.3559.1047. ПМИД  17812982.
  29. ^ Прусаков, В.Н.; Соколов В.Б. (1971). «Криптона дифторид». Советская атомная энергия . 31 (3): 990–999. дои : 10.1007/BF01375764. S2CID  189775335.
  30. ^ Джонсон, Томас Х.; Хантер, Аллен М. (1 мая 1980 г.). «Физика фторидного криптонового лазера». Журнал прикладной физики . 51 (5): 2406–2420. Бибкод : 1980JAP....51.2406J. дои : 10.1063/1.328010 . ISSN  0021-8979.
  31. ^ Престон, СГ; Санпера, А.; Цепф, М.; Блит, штат Вашингтон; Смит, К.Г.; Уорк, Дж. С.; Ки, МХ; Бернетт, К.; Накаи, М.; Нили, Д.; Оффенбергер, А.А. (1 января 1996 г.). «Высокие гармоники KrF-лазера с длиной волны 248,6 нм на ионах гелия и неона». Физический обзор А. 53 (1): Р31–Р34. Бибкод : 1996PhRvA..53...31P. doi :10.1103/PhysRevA.53.R31. ПМИД  9912935.
  32. ^ abc Клеппе, Аннетт К.; Амбоаж, Моника; Джефкоат, Эндрю П. (2014). «Новое соединение Ван-дер-Ваальса высокого давления Kr(H2)4, обнаруженное в бинарной системе криптон-водород». Научные отчеты . 4 : 4989. Бибкод : 2014NatSR...4E4989K. дои : 10.1038/srep04989 .
  33. ^ Стренг, А.; Гросс, А. (1964). «Кислота криптона и ее бариевая соль». Наука . 143 (3603): 242–243. Бибкод : 1964Sci...143..242S. дои : 10.1126/science.143.3603.242. PMID  17753149. S2CID  11607538.
  34. ^ «Периодическая таблица элементов» (PDF) . Химический отдел Лос-Аламосской национальной лаборатории. стр. 100–101. Архивировано из оригинала (PDF) 25 ноября 2006 г. Проверено 5 апреля 2007 г.
  35. ^ Холлоуэй, Джон Х.; Надежда, Эрик Г. (1998). Сайкс, А.Г. (ред.). Достижения неорганической химии . Академическая пресса. п. 57. ИСБН 978-0-12-023646-6.
  36. ^ Льюарс, Эррол Г. (2008). Чудеса моделирования: вычислительное предвидение новых молекул. Спрингер. п. 68. ИСБН 978-1-4020-6972-7.
  37. ^ «Как производятся продукты: Криптон» . Проверено 2 июля 2006 г.
  38. ^ Карделли, Джейсон А.; Мейер, Дэвид М. (1996). «Изобилие межзвездного криптона». Письма астрофизического журнала . 477 (1): L57–L60. Бибкод : 1997ApJ...477L..57C. дои : 10.1086/310513 .
  39. ^ «Ртуть в освещении» (PDF) . Расширение кооператива Кейп-Код. Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2007 г. Проверено 20 марта 2007 г.
  40. ^ Освещение: полноразмерные люминесцентные лампы. McGraw-Hill Companies, Inc. (2002 г.)
  41. ^ Свойства, применение и использование «редких газов» неона, криптона и ксенона. Уиги.com. Проверено 30 ноября 2015 г.
  42. ^ «Лазерные устройства, лазерные шоу и эффекты» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2007 г. Проверено 5 апреля 2007 г.
  43. ^ Сетиан, Дж.; М. Фридман; М. Майерс. «Разработка лазера на фториде криптона для энергии инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . Отдел физики плазмы Военно-морской исследовательской лаборатории. стр. 1–8. Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2011 г. Проверено 20 марта 2007 г.
  44. ^ Павловская, Г.Э.; Кливленд, ЗИ; Ступик, К.Ф.; Басараба, Р.Дж.; и другие. (2005). «Гиперполяризованный криптон-83 как контрастное вещество для магнитно-резонансной томографии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (51): 18275–9. Бибкод : 2005PNAS..10218275P. дои : 10.1073/pnas.0509419102 . ПМК 1317982 . ПМИД  16344474. 
  45. ^ Чон, Д; Бек, КЦ; Саймон, бакалавр; Шиката, Х; и другие. (2007). «Влияние добавок с низким содержанием ксенона и криптона на сигнал/шум региональных измерений вентиляции на основе КТ». Журнал прикладной физиологии . 102 (4): 1535–44. doi : 10.1152/japplphysicalol.01235.2005. ПМИД  17122371.
  46. ^ Байц, М.; Нейли, Дж. Б.; Миниати, М.; Шумихен, К.; Мейньян, М.; Джонсон, Б. (27 июня 2009 г.). «Руководство EANM по вентиляционной/перфузионной сцинтиграфии». Европейский журнал ядерной медицины и молекулярной визуализации . 36 (8): 1356–1370. дои : 10.1007/s00259-009-1170-5 . hdl : 2158/774307 . ПМИД  19562336.
  47. ^ Сэнгер, Дэвид Э.; Шанкер, Том (20 июля 2003 г.). «Северная Корея, возможно, скрывает новый ядерный объект». Окленд Трибьюн . Архивировано из оригинала 9 апреля 2016 г. Проверено 1 мая 2015 г.
  48. ^ Брэдли, Эд; Мартин, Дэвид (16 марта 2000 г.). «Разведка США нашла доказательства производства ядерного оружия в Пакистане, CBS». Вечерние новости CBS с Дэном Разером . Архивировано из оригинала 18 октября 2016 г. Проверено 1 мая 2015 г.
  49. ^ Рожански, К. (1979-01-01). «Криптон-85 в атмосфере 1950–1977: обзор данных». Интернационал окружающей среды . 2 (3): 139–143. дои : 10.1016/0160-4120(79)90071-0. ISSN  0160-4120.
  50. ^ Эйр, Джеймс (28 апреля 2018 г.). «Изолированные окна 101 — двойное и тройное остекление, тепловые характеристики и потенциальные проблемы». Cleantechnica.com . Проверено 17 мая 2018 г.
  51. ^ SpaceX. «Миссия Старлинк». YouTube . Событие происходит в 7:10. Архивировано из оригинала 3 ноября 2021 г.
  52. ^ Свойства Криптона. Архивировано 19 февраля 2009 г. в Wayback Machine . Pt.chemicalstore.com. Проверено 30 ноября 2015 г.
  53. ^ Кеннеди, Р.Р.; Стоукс, JW; Даунинг, П. (февраль 1992 г.). «Анестезия и «инертные» газы с особым акцентом на ксенон». Анестезия и интенсивная терапия . 20 (1): 66–70. дои : 10.1177/0310057X9202000113 . ISSN  0310-057X. PMID  1319119. S2CID  29886337.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки