Криптон

Криптон
← Бром | Рубидий →
36 Ar ↑ Kr ↓ Xe Периодическая система элементов 36Kr
Внешний вид простого вещества
Свечение криптона в газоразрядной трубке
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] 3d^104s^24p^6 1s^22s^22p^63s^23p^63d^104s^24p^6
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/см^3, при н.у. 0,003749 г/см³
Температура плавления	115,78 К (−157,37 °C)
Температура кипения	119,93 К (−153,415 °C)
Мол. теплота плавления	1,6 кДж/моль
Мол. теплота испарения	9,05 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	20,79[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	22,4⋅10^3 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
Kr 83,798
3d^104s^24p^6

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

Простое вещество криптон — тяжёлый 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 др.-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/см^3[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/см^{3[уточнить][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 нм^3[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 криптонорганическое соединение со связью C−Kr (HKrC≡CH — гидрокриптоацетилен) путём УФ фотолиза твёрдой смеси криптона и ацетилена на криптонной матрице при температуре 8 К^[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.
• Единственным ЯМР-активным из стабильных изотопов криптона является ⁸³Kr. Гиперполяризованный ⁸³Kr использовался в экспериментах 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][19].

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][18].

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. Архивировано 4 сентября 2009 года.
4. Криптон: история открытия элемента  (неопр.). www.chem.msu.su. Дата обращения: 13 мая 2020. Архивировано 17 февраля 2020 года.
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. Архивировано 5 августа 2020 года.
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. Архивировано 27 июня 2018 года.
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. Khriachtchev L. et al. A Gate to Organokrypton Chemistry:  HKrCCH (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2003. — Vol. 125, no. 23. — P. 6876—6877. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja0355269. [исправить]
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. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
13. Криптон // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
14. Стеклопакет с аргоном или криптоном: что лучше?  (неопр.) Архивировано из оригинала 18 апреля 2021 года.
15. Choosing your windows. Energy rating of thermal insulation glass improved.
16. Метр // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
17. Cleveland Z. I. et al. Hyperpolarized ⁸³Kr MRI of lungs (англ.) // Journal of Magnetic Resonance. — 2008. — 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 Архивная копия от 6 октября 2011 на Wayback Machine. — Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук. — М., 2007;
19. Куссмауль А. Р. Физиологические эффекты газовых смесей, содержащих криптон и ксенон Архивная копия от 6 августа 2017 на Wayback Machine. Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук. — М., 2007. — 191 с.

Литература

• 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.

Ссылки

• Физические демонстрационные опыты с криптоном в программе «Галилео» (на сайте YouTube)
• Криптон на Webelements
• Криптон в Популярной библиотеке химических элементов