KRYPTON: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, POZYSKIWANIE, ZAGROŻENIA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Krypton jest gazem szlachetnym, który jest reprezentowany przez symbol Kr i znajduje się w grupy 18 układu okresowego pierwiastków. Jest to gaz występujący po argonie, a jego obfitość jest tak mała, że ​​uznano go za ukryty; stąd jego nazwa. Nie występuje prawie w kamieniach mineralnych, ale w masach naturalnych gazów i prawie nie rozpuszcza się w morzach i oceanach.

Już samo jego imię przywołuje obraz Supermana, jego planety Krypton i słynnego kryptonitu, kamienia, który osłabia superbohatera i pozbawia go supermocy. Możesz także pomyśleć o kryptowalutach lub kryptowalutach, kiedy o tym usłyszysz, a także o innych terminach, które w swej istocie są dalekie od tego gazu.

Fiolka z kryptonem wzbudzona wyładowaniem elektrycznym i świecąca białym światłem. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Jednak ten szlachetny gaz jest mniej ekstrawagancki i „ukryty” w porównaniu z figurami wymienionymi powyżej; chociaż jego brak reaktywności nie odbiera całego potencjalnego zainteresowania, jakie może wzbudzić w badaniach skupionych na różnych dziedzinach, zwłaszcza fizycznej.

W przeciwieństwie do innych gazów szlachetnych, światło emitowane przez krypton pod wpływem pola elektrycznego jest białe (górne zdjęcie). Z tego powodu znajduje różnorodne zastosowanie w przemyśle oświetleniowym. Może zastąpić praktycznie każdy neon i emitować własne, które wyróżnia się żółtawozielonym kolorem.

Występuje w naturze jako mieszanina sześciu stabilnych izotopów, nie wspominając o niektórych radioizotopach przeznaczonych dla medycyny nuklearnej. Aby uzyskać ten gaz, powietrze, którym oddychamy, należy skroplić, a powstałą w ten sposób ciecz poddać destylacji frakcjonowanej, podczas której krypton jest następnie oczyszczany i rozdzielany na składowe izotopy.

Dzięki kryptonowi możliwy był postęp w badaniach nad syntezą jądrową, a także w zastosowaniach laserów do celów chirurgicznych.

Historia

- Odkrycie ukrytego elementu

W 1785 roku angielski chemik i fizyk Henry Cavendish odkrył, że powietrze zawiera niewielką ilość substancji, nawet mniej aktywnej niż azot.

Sto lat później angielski fizyk Lord Rayleigh wyodrębnił z powietrza gaz, który uważał za czysty azot; ale potem odkrył, że jest cięższy.

W 1894 roku szkocki chemik Sir William Ramsey współpracował przy izolacji tego gazu, który okazał się nowym pierwiastkiem: argonem. Rok później wyodrębnił hel, ogrzewając mineralny cleveite.

Sam Sir William Ramsey, wraz ze swoim asystentem, angielskim chemikiem Morrisem Traversem, odkryli krypton 30 maja 1898 roku w Londynie.

Ramsey i Travers wierzyli, że w układzie okresowym między pierwiastkami argonu i helu jest przestrzeń i nowy pierwiastek musiał wypełnić tę przestrzeń. Ramsey, miesiąc po odkryciu kryptonu, czerwiec 1898, odkrył neon; pierwiastek wypełniający przestrzeń między helem a argonem.

Metodologia

Ramsey podejrzewał istnienie nowego pierwiastka ukrytego w jego poprzednim odkryciu, argonu. Ramsey i Travers, aby przetestować swój pomysł, zdecydowali się pobrać dużą ilość argonu z powietrza. W tym celu musieli spowodować upłynnienie powietrza.

Następnie destylowali ciekłe powietrze, aby rozdzielić je na frakcje i zbadać w lżejszych frakcjach pod kątem obecności pożądanego pierwiastka gazowego. Ale popełnili błąd, najwyraźniej przegrzali skroplone powietrze i odparowali dużo próbki.

Ostatecznie mieli tylko 100 ml próbki i Ramsey był przekonany, że obecność pierwiastka lżejszego od argonu w tej objętości jest mało prawdopodobna; postanowił jednak zbadać możliwość pierwiastka cięższego od argonu w pozostałej objętości próbki.

Idąc za jego myślami, usunął tlen i azot z gazu za pomocą rozgrzanej do czerwoności miedzi i magnezu. Następnie umieścił próbkę pozostałego gazu w rurze próżniowej, przykładając do niej wysokie napięcie, aby uzyskać widmo gazu.

Zgodnie z oczekiwaniami, obecny był argon, ale zauważyli pojawienie się dwóch nowych jasnych linii w widmie; jeden żółty, a drugi zielony, których nigdy nie zaobserwowano.

- Pojawienie się nazwy

Ramsey i Travers obliczyli zależność między ciepłem właściwym gazu przy stałym ciśnieniu a jego ciepłem właściwym przy stałej objętości, znajdując dla tej zależności wartość 1,66. Wartość ta odpowiadała gazowi utworzonemu przez pojedyncze atomy, co wskazuje, że nie był to związek.

Dlatego znajdowali się w obecności nowego gazu i odkryto krypton. Ramsey zdecydował się nazwać to Krypton, słowo pochodzące od greckiego słowa „krypto”, które oznacza „ukryty”. William Ramsey otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1904 roku za odkrycie tych szlachetnych gazów.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd

Jest to bezbarwny gaz, który w polu elektrycznym ma żarzący się biały kolor.

Standardowa masa atomowa

83,798 u

Liczba atomowa (Z)

36

Temperatura topnienia

-157,37 ° C

Temperatura wrzenia

153,415 ° C

Gęstość

W warunkach standardowych: 3,949 g / l

Stan ciekły (temperatura wrzenia): 2,413 g / cm ³

Względna gęstość gazu

2,9 w stosunku do powietrza o wartości = 1. Oznacza to, że krypton jest trzykrotnie gęstszy od powietrza.

Rozpuszczalność w wodzie

59,4 cm ³ /1000 g w temperaturze 20 ° C

Potrójny punkt

115,775 K i 73,53 kPa

Punkt krytyczny

209,48 K i 5,525 MPa

Ciepło topnienia

1,64 kJ / mol

Ciepło parowania

9,08 kJ / mol

Molowa pojemność kaloryczna

20,95 J / (mol K)

Ciśnienie pary

W temperaturze 84 K ma ciśnienie 1 kPa.

Elektroujemność

3.0 w skali Paulinga

Energia jonizacji

Pierwsza: 1350,8 kJ / mol.

Po drugie: 2350,4 kJ / mol.

Po trzecie: 3565 kJ / mol.

Szybkość dźwięku

Gaz (23 ºC): 220 m / s

Ciecz: 1120 m / s

Przewodność cieplna

9,43 · ^10-3 W / (m · K)

Zamówienie

Diamagnetyczny

Numer utleniania

Krypton jako gaz szlachetny jest mało reaktywny i nie traci ani nie zyskuje elektronów. Jeśli uda mu się utworzyć ciało stałe o określonym składzie, jak to ma miejsce w przypadku klatratu Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ lub jego wodorku Kr (H ₂ ) ₄ , to mówi się, że uczestniczy w liczbie lub stopniu utlenienia 0 (Kr ⁰ ) ; to znaczy, że jego neutralne atomy oddziałują z matrycą cząsteczek.

Jednak krypton może formalnie tracić elektrony, jeśli tworzy wiązania z najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem ze wszystkich: fluorem. W KrF ₂ jego stopień utlenienia wynosi +2, więc zakłada się istnienie dwuwartościowego kationu Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^- ).

Reaktywność

W 1962 roku odnotowano syntezę difluorku kryptonu (KrF ₂ ). Związek ten jest wysoce lotną, bezbarwną, krystaliczną substancją stałą i powoli rozkłada się w temperaturze pokojowej; ale jest stabilny w temperaturze -30 ºC. Krypton Fluoride jest silnym środkiem utleniającym i fluorującym.

Krypton reaguje z fluorem po połączeniu w rurze wyładowczej w temperaturze -183 ° C, tworząc KrF ₂ . Reakcja zachodzi również, gdy krypton i fluor są naświetlane światłem ultrafioletowym o temperaturze -196 ° C.

KrF ⁺ i Kr ₂ F ₃ ⁺ to związki powstałe w wyniku reakcji KrF ₂ z silnymi akceptorami fluoru. Krypton jest częścią niestabilnego związku: K (OTeF ₅ ) ₂ , który ma wiązanie między kryptonem i tlenem (Kr-O).

W kationie HCΞN-Kr-F znajduje się wiązanie krypton-azot. Wodorki kryptonu, KrH ₂ , można hodować pod ciśnieniem wyższym niż 5 GPa.

Na początku XX wieku wszystkie te związki uważano za niemożliwe, biorąc pod uwagę zerową reaktywność, która została wymyślona dla tego szlachetnego gazu.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Atom kryptonu

Krypton, będąc gazem szlachetnym, posiada cały oktet walencyjny; czyli jego orbitale s i p są całkowicie wypełnione elektronami, co można zweryfikować w ich konfiguracji elektronicznej:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

Jest to gaz jednoatomowy niezależnie od (do tej pory) panujących na nim warunków ciśnieniowych czy temperaturowych. Dlatego jego trzy stany są zdefiniowane przez międzyatomowe interakcje atomów Kr, które można sobie wyobrazić jako kulki.

Te atomy Kr, podobnie jak ich kongenery (He, Ne, Ar itp.), Nie są łatwe do spolaryzowania, ponieważ są stosunkowo małe i mają również dużą gęstość elektronów; to znaczy, powierzchnia tych kulek nie jest znacząco zdeformowana, aby wytworzyć chwilowy dipol, który indukuje inny w sąsiedniej kulce.

Interakcje interakcji

Z tego powodu jedyną siłą, która utrzymuje razem atomy Kr, są siły rozpraszające w Londynie; ale w przypadku kryptonu są one bardzo słabe, więc atomy muszą być w niskich temperaturach, aby zdefiniować ciecz lub kryształ.

Jednak te temperatury (odpowiednio temperatury wrzenia i topnienia) są wyższe w porównaniu z argonem, neonem i helem. Wynika to z większej masy atomowej kryptonu, równoważnej większemu promieniu atomowemu, a zatem bardziej podatnej na polaryzację.

Na przykład temperatura wrzenia kryptonu wynosi około -153 ° C, podczas gdy dla gazów szlachetnych argonu (-186 ° C), neonu (-246 ° C) i helu (-269 ° C) są niższe; to znaczy, że jego gazy potrzebują niższych temperatur (bliżej -273,15 ° C lub 0 K), aby mogły skraplać się do fazy ciekłej.

Tutaj widzimy, jak rozmiar ich promieni atomowych jest bezpośrednio powiązany z ich interakcjami. To samo dzieje się z ich odpowiednimi temperaturami topnienia, temperaturą, w której krypton ostatecznie krystalizuje przy -157 ºC.

Kryształ kryptonowy

Kiedy temperatura spada do -157 ° C, atomy Kr zbliżają się wystarczająco wolno, aby dalej się zlewać i definiować biały kryształ o strukturze sześciennej centrowanej na twarz (fcc). Tak więc istnieje teraz porządek strukturalny, którym rządzą siły rozpraszające.

Chociaż nie ma na ten temat zbyt wielu informacji, kryształ kryptonu fcc może ulegać przemianom krystalicznym do bardziej gęstych faz, jeśli jest poddawany ogromnym ciśnieniom; jak zwarty sześciokąt (hcp), w którym atomy Kr będą bardziej zgrupowane.

Ponadto, nie pomijając tego punktu, atomy Kr mogą zostać uwięzione w lodowych klatkach zwanych klatratami. Jeśli temperatura jest dostatecznie niska, być może pojawią się mieszane kryształy krypton-wody, z atomami Kr ułożonymi i otoczonymi cząsteczkami wody.

Gdzie znaleźć i uzyskać

Atmosfera

Krypton jest rozproszony w atmosferze, nie mogąc uciec z pola grawitacyjnego Ziemi w przeciwieństwie do helu. W powietrzu, którym oddychamy, jego stężenie wynosi około 1 ppm, chociaż może się różnić w zależności od emisji gazów; czy to erupcje wulkanów, gejzery, gorące źródła, czy może złoża gazu ziemnego.

Ponieważ jest słabo rozpuszczalny w wodzie, jego stężenie w hydrosferze będzie prawdopodobnie nieistotne. To samo dzieje się z minerałami; można w nich uwięzić kilka atomów kryptonu. Dlatego jedynym źródłem tego szlachetnego gazu jest powietrze.

Upłynnianie i destylacja frakcyjna

Aby go uzyskać, powietrze musi przejść proces skraplania, tak aby wszystkie zawarte w nim gazy uległy kondensacji i utworzyły ciecz. Ciecz ta jest następnie podgrzewana przez zastosowanie destylacji frakcjonowanej w niskich temperaturach.

Po oddestylowaniu tlenu, argonu i azotu krypton i ksenon pozostają w pozostałej cieczy, która jest adsorbowana na węglu aktywnym lub żelu krzemionkowym. Płyn ten jest podgrzewany do -153 ºC w celu destylacji kryptonu.

Ostatecznie zebrany krypton jest oczyszczany poprzez przepuszczanie przez gorący metaliczny tytan, który usuwa zanieczyszczenia gazowe.

Jeśli pożądane jest oddzielenie jego izotopów, gaz unosi się przez szklaną kolumnę, gdzie ulega dyfuzji termicznej; lżejsze izotopy będą rosły w górę, podczas gdy cięższe będą miały tendencję do pozostawania na dole. I tak na przykład izotop ⁸⁴ Kr i ⁸⁶ Kr zbiera się oddzielnie na dnie.

Krypton można przechowywać w szklanych bańkach Pyrex pod ciśnieniem otoczenia lub w hermetycznych zbiornikach stalowych. Przed zapakowaniem poddawany jest kontroli jakości metodą spektroskopii, aby poświadczyć, że jego widmo jest unikalne i nie zawiera linii innych pierwiastków.

Fizja jądrowa

Inną metodą otrzymywania kryptonu jest rozszczepienie jądrowe uranu i plutonu, z którego również powstaje mieszanina ich radioaktywnych izotopów.

Izotopy

Krypton występuje w naturze jako sześć stabilnych izotopów. Te, wraz z ich odpowiednią obfitością na Ziemi, to: ⁷⁸ Kr (0,36%), ⁸⁰ Kr (2,29%), ⁸² Kr (11,59%), ⁸³ Kr (11,50%), ⁸⁴ Kr (56,99%) i ⁸⁶ Kr (17,28%). ⁷⁸ Kr jest izotopem radioaktywnym; ale jego okres półtrwania (t _1/2 ) jest tak długi (9,2 · 10 ²¹ lat), że praktycznie uważa się go za stabilny.

Dlatego jego standardowa masa atomowa (masa atomowa) wynosi 83,798 u, bliżej 84 u izotopu ⁸⁴ Kr.

Radioizotop ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2,3 · 10 ⁵ ) znajduje się również w śladowych ilościach , które powstają, gdy ⁸⁰ Kr otrzymuje promieniowanie kosmiczne. Oprócz wspomnianych już izotopów istnieją dwa syntetyczne radioizotopy: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 godzin) i ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 lat); to ostatnie jest tym, co powstaje jako produkt rozszczepienia jądra atomowego uranu i plutonu.

Ryzyka

Krypton jest pierwiastkiem nietoksycznym, ponieważ nie reaguje w normalnych warunkach, ani nie stanowi zagrożenia pożarowego po zmieszaniu z silnymi utleniaczami. Wyciek tego gazu nie stwarza żadnego zagrożenia; chyba że oddychasz bezpośrednio, wypierając tlen i powodując uduszenie.

Atomy Kr wchodzą i są wydalane z organizmu bez udziału w żadnej reakcji metabolicznej. Mogą jednak wypierać tlen, który powinien dotrzeć do płuc i być transportowany przez krew, więc osoba może cierpieć na narkozę lub niedotlenienie, a także na inne schorzenia.

W przeciwnym razie nieustannie wdychamy krypton w każdym oddechu powietrza. Teraz, jeśli chodzi o jego związki, historia jest inna. Na przykład KrF ₂ jest silnym środkiem fluorującym; i dlatego „da” aniony F ^- każdej napotkanej cząsteczce matrycy biologicznej, będąc potencjalnie niebezpiecznym.

Prawdopodobnie klatrat kryptonu (uwięziony w lodowej klatce) nie jest szczególnie niebezpieczny, chyba że istnieją pewne zanieczyszczenia, które zwiększają toksyczność.

Aplikacje

Błyski z szybkich kamer są częściowo spowodowane wzbudzeniem kryptonu. Źródło: Mhoistion

Krypton jest obecny w różnych aplikacjach związanych z artefaktami lub urządzeniami przeznaczonymi do oświetlenia. Na przykład jest częścią „neonów” o żółtawo-zielonym kolorze. „Legalne” światła Kryptona są białe, ponieważ ich widmo emisyjne obejmuje wszystkie kolory w widmie widzialnym.

W rzeczywistości do zdjęć wykorzystano białe światło kryptonu, ponieważ są one bardzo intensywne i szybkie, dzięki czemu doskonale sprawdzają się przy szybkich błyskach aparatów fotograficznych lub chwilowych błyskach na pasach startowych lotnisk.

Również lampy wyładowcze, które emitują to białe światło, można pokryć kolorowymi papierami, dając efekt wyświetlania świateł o wielu kolorach bez konieczności wzbudzania innymi gazami.

Dodawany jest do żarówek z żarnikiem wolframowym w celu zwiększenia ich żywotności, a także do świetlówek argonowych w tym samym celu, zmniejszając również ich intensywność i zwiększając ich koszty (ponieważ jest droższy niż argon).

Kiedy krypton stanowi gazowe wypełnienie żarowych żarówek, zwiększa jego jasność i sprawia, że ​​jest bardziej niebieskawy.

Lasery

Czerwone lasery widoczne na pokazach świetlnych są oparte na liniach widmowych kryptonu, a nie na mieszaninie helu i neonu.

Z drugiej strony, przy użyciu kryptonu można wykonać potężne lasery na promieniowanie ultrafioletowe: te z fluorku kryptonu (KrF). Laser ten znajduje zastosowanie w fotolitografii, zabiegach medycznych, badaniach z zakresu syntezy jądrowej oraz mikroobróbce materiałów i związków stałych (modyfikacja ich powierzchni poprzez działanie lasera).

Definicja miernika

W latach 1960–1983 wykorzystano długość fali czerwono-pomarańczowej linii widmowej izotopu ⁸⁶ Kr (pomnożonej przez 1 650 763,73) w celu określenia dokładnej długości jednego metra.

Wykrywanie broni jądrowej

Ponieważ radioizotop ⁸⁵ Kr jest jednym z produktów działalności jądrowej, wykrycie go wskazuje na to, że nastąpiła detonacja broni jądrowej lub że prowadzona jest nielegalna lub tajna działalność tej energii.

Medycyna

Krypton był stosowany w medycynie jako środek znieczulający, pochłaniacz promieni rentgenowskich, detektor wad serca oraz do precyzyjnego i kontrolowanego przecinania siatkówki oczu za pomocą laserów.

Jego radioizotopy znajdują również zastosowanie w medycynie nuklearnej, do badania i skanowania przepływu powietrza i krwi w płucach oraz do uzyskiwania obrazów dróg oddechowych pacjenta metodą magnetycznego rezonansu jądrowego.

Bibliografia

1. Gary J. Schrobilgen. (28 września 2018). Krypton. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
2. Wikipedia. (2019). Krypton. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (16 lipca 2016). Reakcje chemiczne kryptonów. Odzyskane z: pilgaardelements.com
4. Krystalografia 365. (16 listopada 2014). Super fajny materiał - krystaliczna struktura Kryptonu. Odzyskany z: crystallography365.wordpress.com
5. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące elementu kryptonowego. Chemicool. Źródło: chemicool.com
6. Marques Miguel. (sf). Krypton. Odzyskany z: nautilus.fis.uc.pt
7. Advameg. (2019). Krypton. Jak powstają produkty. Odzyskany z: madehow.com
8. AZoOptics. (25 kwietnia 2014). Krypton Fluoride Excimer Laser - właściwości i zastosowania. Odzyskany z: azooptics.com