Криптон: свойства, производство и применение

---

Предыстория

Криптон (атомный номер 36) — один из благородных газов, соседствует с гелием, неоном, аргоном, ксеноном, радоном. Газ бесцветен, безвкусен, беззапашен в нормальных условиях. Его плотность — ~0,5 унции на галлон (3,7 г/л) — делает его примерно в три раза тяжелее воздуха. При охлаждении до экстремально низких температур криптон сжижается или затвердевает; точка кипения –243,81 °F (–153,23 °C), замерзания –251,27 °F (–157,37 °C).

В природе криптон встречается как смесь шести стабильных изотопов. Изотопы — атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, определяющим атомный вес. Наиболее обильный изотоп, криптон-84 (48 нейтронов), составляет 57% натурального криптона. Остальные стабильные: криптон-86 (17,3%), криптон-82 (11,6%), криптон-83 (11,5%), криптон-80 (2,25%), криптон-78 (0,35%).

Криптон также образуется как набор нестабильных радиоактивных изотопов при ядерных реакциях. В лабораториях создано ~20 таких изотопов; все, кроме криптона-85, имеют полужизни всего несколько часов. Криптон-85 с 49 нейтронами сравнительно долгоживущ, распадается с полужизнью 10,73 года.

Промышленные применения криптона разнообразны. В смеси с аргоном он повышает яркость люминесцентных ламп. В лампах накаливания смесь криптона и азота продлевает жизнь нити накаливания. Вспышки полагаются на быстрое высвобождение криптона для кратковременной интенсивной вспышки в высокоскоростной фотографии. Кроме того, радиоактивность криптона-85 используется в неразрушающем контроле: газ накапливается в микротрещинах металла, позволяя дефектоскопию через его излучение.

История

Благородные газы были неизвестны ранним химикам. В 1785 году Генри Кавендиш обнаружил инертную компоненту в воздухе, не реагирующую с азотом. Первая однозначная идентификация пришла в 1868 году, когда Джозеф Норман Локьер, анализируя солнечный свет, открыл гелий и назвал его по-гречески «солнце».

В 1894 году лорд Рэле и Уильям Рамзай открыли аргон, заметив разницу плотности между азотом из атмосферы и азотом из аммиака. Они изолировали инертный газ, назвав по-гречески «неактивный». В следующем году Рамзай и Моррис Трэверс заметили, что нагрев клевеита высвобождает гелий и аргон — первое наземное обнаружение гелия. В 1898 году дуо охладили воздух до жидкости и разделили три новых газа — криптон (греч. «скрытый»), неон («новый»), ксенон («странный»).

В 1900 году Фридрих Дорн сообщил, что распад радия высвобождает гелий и ранее неизвестный радиоактивный газ. К 1910 году Рамзай и Роберт Уитлоу-Грей измерили его плотность и окрестили нитон (лат. «светить»), так как он светился при сжижении; позже переименовали в радон. Рамзай получил Нобелевскую премию по химии 1904 года за исследования благородных газов.

Изначально называемые редкими или инертными газами, позже показали, что они обильны в атмосфере и могут образовывать соединения. В 1962 году Нил Бартлетт синтезировал ксенон-гексафторид, первое соединение благородного газа; криптоновые последовали в 1963. Период 1960–1983 определил метр длиной волны оранжево-красной эмиссии криптона-86; определение позже заменили скоростью света.

Сырьё и материалы

Хотя следовые количества криптона встречаются в различных минералах, атмосферный воздух остается основным источником. Уровня моря сухой воздух: 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,0018% неона, 0,00052% гелия, 0,00011% криптона, 0,0000087% ксенона, с малыми примесями CO₂, H₂, CH₄, NO, O₃.

На АЭС криптон также можно извлечь из уранового деления. В отличие от атмосферного, деление дает и стабильные, и радиоактивные изотопы.

Производственный процесс

Получение жидкого воздуха

• Воздух сначала фильтруют для удаления частиц, затем обрабатывают щелочью для поглощения воды и CO₂.
• Сухой воздух сжимают под высоким давлением, повышая температуру; затем охлаждают холодильной установкой.
• При последующем расширении в камере резкое падение давления поглощает тепло, охлаждая воздух до ~–321 °F (–196 °C) и сжижая большинство атмосферных газов.

Разделение газов

• Газы с очень низкими точками кипения — гелий, водород, неон — удаляют напрямую.
• Фракционная ректификация эксплуатирует отличные точки кипения оставшихся газов.
• При нагревании жидкого воздуха аргон, кислород, азот испаряются первыми; криптон и ксенон остаются жидкими до более высоких температур.

Разделение криптона от ксенона

• Жидкий криптон и ксенон адсорбируют на силикагеле или активированном угле и подвергают дальнейшей фракционной ректификации.
• Нагревание смеси высвобождает криптон как газ, пока ксенон остается жидким из-за более высокой точки кипения.
• Криптон очищают пропусканием через горячий титан, удаляющий все неблагородные элементы.

Разделение изотопов криптона

• Для применений, требующих единичного изотопа, термическая диффузия разделяет криптон по плотностным различиям.
• Нагретый провод в вертикальной стеклянной трубе создает конвекцию, перенося легкие изотопы вверх для сбора.

Упаковка и отгрузка

• Криптон герметизируют в пирексовых ампулах при атмосферном давлении или в стальных баллонах под высоким давлением. Его инертность делает безопасным, нетоксичным, невизрывным, негорючим, исключая спец. требования к перевозке.

Контроль качества

Чистота верифицируется спектроскопическим анализом: газ нагревают, испускаемый свет рассеивают призмой или решеткой для получения спектра. Резкие яркие линии, характерные для криптона, подтверждают чистоту; любое отклонение сигнализирует о загрязнении.

Побочные продукты и отходы

Фракционная ректификация дает крупные объемы азота (~75% воздуха), необходимого для аммиака и защиты материалов от окисления. Жидкий азот используется в криоконсервации и холодильниках.

Кислород, ~20% воздуха, интенсивно потребляется сталелитей для окисления угля и экологическими применениями — очистка сточных вод, сжигание отходов. Жидкий кислород служит ракетным топливом.

Другие благородные газы — аргон, неон, ксенон — находят нишевые применения: аргон в лампах и как экранирующий газ; неон в знаковых вывесках; ксенон в стробоскопах и высокоинтенсивных лампах.

Будущее

Будущее предложение криптона может зависеть от траектории ядерной энергетики. Как продукт деления, реакторы могут стать значительным источником. Однако если термоядерный синтез или альтернативные источники вытеснят деление, атмосферная экстракция, вероятно, останется доминирующим методом.