Криптон

<час />

Фон

Криптон - химический элемент под номером 36 в периодической таблице элементов. Он принадлежит к группе элементов, известных как благородные газы. Другие благородные газы - это гелий, неон, аргон, ксенон и радон. В нормальных условиях криптон представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха. Его плотность при нормальной температуре и давлении составляет около 3,7 г на литр, что делает его почти в три раза тяжелее воздуха. При очень низких температурах криптон может существовать в жидком или твердом виде. Точка кипения криптона составляет -243,81 ° F (-153,23 ° C), а его точка замерзания лишь немного ниже - -251,27 ° F (-157,37 ° C).

Природный криптон представляет собой смесь шести стабильных изотопов. Изотопы - это атомы, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Число протонов (атомный номер) определяет, какой элемент присутствует, а общее количество протонов и нейтронов определяет атомный вес атома. Все изотопы криптона состоят из 36 протонов и названы в честь их атомного веса. Криптон-84, содержащий 48 нейтронов, является наиболее распространенным изотопом и составляет 57% природного криптона. Другими стабильными изотопами криптона являются криптон-86 (50 нейтронов, 17,3%); криптон-82 (46 нейтронов, 11,6%); криптон-83 (47 нейтронов, 11,5%); криптон-80 (44 нейтрона, 2,25%); и криптон-78 (42 нейтрона, 0,35%)

Криптон также может существовать как нестабильный радиоактивный изотоп. Эти изотопы создаются в ходе ядерных реакций. Произведено около 20 радиоактивных изотопов криптона. Все эти изотопы, кроме криптона-85, очень нестабильны, их период полураспада составляет несколько часов или меньше. (Период полураспада радиоактивного вещества - это время, необходимое для того, чтобы половина атомов в образце вещества подверглась радиоактивному распаду.) Криптон-85, который имеет 36 протонов и 49 нейтронов, намного более стабилен, с половиной -жизнь 10,73 года.

Криптон используется с аргоном в люминесцентных лампах для повышения их яркости и с азотом в лампах накаливания для увеличения срока их службы. Он также используется в лампах-вспышках для получения очень яркого света в течение очень короткого периода времени для использования в высокоскоростной фотографии. Радиоактивный криптон-85 можно использовать для обнаружения мелких дефектов на металлических поверхностях. Газ имеет тенденцию собираться в этих дефектах, и его радиоактивность может быть обнаружена.

История

Благородные газы были совершенно неизвестны человечеству до недавнего времени. Первый намек на их существование появился в 1785 году, когда английский химик Генри Кавендиш обнаружил, что в воздухе содержится небольшое количество неизвестного вещества, которое менее реактивно, чем азот. Больше ничего об этом веществе не было известно до конца девятнадцатого века.

Тем временем британский астроном Джозеф Норман Локьер в 1868 году обнаружил новый элемент. Анализируя солнечный свет, он обнаружил неизвестный элемент, который назвал гелием от греческого слова helios . (солнце). О существовании гелия на Земле не было известно более четверти века.

В 1894 году английский физик лорд Рэлей (Джон Уильям Струтт) и шотландская Отфильтрованный воздух сжимается под высоким давлением, в результате чего его температура повышается. Затем сжатый воздух кодируется путем быстрого расширения внутри камеры. Это внезапное расширение поглощает тепло от змеевиков, охлаждая сжатый воздух. Процесс сжатия и расширения повторяется до тех пор, пока большая часть газов, присутствующих в воздухе, не превратится в жидкости. химик Уильям Рамзи обнаружил разницу в плотности азота, полученного из воздуха, и азота, полученного из аммиака. Вскоре они обнаружили, что атмосферный азот был смешан с небольшим количеством неизвестного вещества. Используя магний для поглощения азота, они смогли выделить вещество, которое они назвали аргон, от греческого слова argos (неактивен), потому что не реагировал с другими веществами.

В 1895 году Рамзи и его помощник Моррис Уильям Трэверс обнаружили, что минерал клевит при нагревании выделяет аргон и гелий. Это был первый случай обнаружения гелия на Земле. В 1898 году Рамзи и Трэверс получили три новых элемента из воздуха, который был охлажден до жидкости. Они назвали эти элементы криптоном от греческого слова криптос . (скрытый); неон, от греческого слова neos (новый); и ксенон, от греческого слова xenos (странный).

В 1900 году немецкий химик Фридрих Дом заметил, что радиоактивный элемент радий при распаде выделяет гелий и неизвестный радиоактивный газ. В 1910 году Рамзи и его помощник Роберт Уитлоу-Грей определили плотность этого неизвестного газа и назвали его нитоном от латинского слова nitere . (сиять), потому что его радиоактивность заставляла его светиться при охлаждении до жидкости. Нитон, позже известный как радон, был последним обнаруженным благородным газом. В 1904 году Рамзи был удостоен Нобелевской премии по химии за исследования благородных газов.

Благородные газы ранее назывались инертными или инертными газами. Позже было показано, что некоторые из них были довольно распространены, а некоторые не были полностью инертными. Гелий - второй по распространенности элемент во Вселенной, а аргон составляет около 1% атмосферы Земли. В 1962 году Нил Бартлетт создал гексафторид ксенон-платины, первое химическое соединение благородного газа. Соединения радона были созданы в том же году, а соединения криптона - в 1963 году. Эти элементы, которые больше не считались редкими или инертными, стали известны как благородные газы. Как и так называемые благородные металлы (золото, серебро, платина и др.), Они не реагировали с кислородом.

Криптон играл важную роль в науке с 1960 по 1983 год, когда длина метра была определена как 1 650 763,73 раза больше длины волны оранжево-красного света, излучаемого криптоном-86. Позже измеритель был определен как скорость света в вакууме, но криптон по-прежнему используется в научных исследованиях.

Чтобы отделить криптон, а также другие газы от жидкого воздуха, воздух медленно нагревается в процессе, называемом фракционной перегонкой. Предполагая, что каждая жидкость имеет свою собственную температуру, при которой она превращается в газ, фракционная перегонка разделяет газы в воздухе по одному.

Необработанные материалы

Хотя следы криптона обнаружены в различных минералах, наиболее важным источником криптона является атмосфера Земли. Воздух также является наиболее важным источником других благородных газов, за исключением гелия (полученного из природного газа) и радона (полученного как побочный продукт распада радиоактивных элементов). На уровне моря сухой воздух содержит 78,08% азота и 20,95% кислорода. Он также содержит 0,93% аргона, 0,0018% неона, 0,00052% гелия, 0,00011% криптона и 0,0000087% ксенона. Другие компоненты сухого воздуха включают диоксид углерода, водород, метан, оксид азота и озон.

Криптон также можно получить при делении урана, которое происходит на атомных электростанциях. В отличие от воздуха, который содержит только стабильные изотопы криптона, этот процесс производит как стабильные изотопы, так и радиоактивные изотопы криптона.

Производственный
процесс

Создание жидкого воздуха

• 1 Воздух сначала пропускается через фильтры для удаления твердых частиц, например пыли. Затем чистый воздух подвергается воздействию щелочи (сильно основного вещества), которая удаляет воду и углекислый газ.
• 2 Чистый сухой воздух сжимается под высоким давлением. Поскольку при сжатии температура воздуха повышается, он охлаждается за счет охлаждения.
• 3 Охлажденный сжатый воздух проходит через змеевики, намотанные через пустую камеру. Часть воздуха, сжатая до давления, примерно в двести раз превышающего нормальное, может расшириться в камеру. Это внезапное расширение поглощает тепло от змеевиков, охлаждая сжатый воздух. Процесс сжатия и расширения повторяется до тех пор, пока воздух не охладится до температуры около -321 F (-196 ° C), после чего большая часть газов в воздухе превращается в жидкости.

Разделение газов

• 4 Газы с очень низкой температурой кипения не превращаются в жидкости и могут быть удалены напрямую из других газов. Эти газы включают гелий, водород и неон.
• 5 Процесс, известный как фракционная перегонка, разделяет различные элементы, содержащиеся в жидком воздухе. Этот процесс основан на том факте, что различные вещества будут превращаться из жидкости в газ при разных температурах.
• 6 Жидкому воздуху дают медленно нагреться. При повышении температуры вещества с самыми низкими точками кипения становятся газами и могут быть удалены из оставшейся жидкости. Аргон, кислород и азот - первые вещества, которые превращаются в газы при нагревании жидкого воздуха. Криптон и ксенон имеют более высокие температуры кипения и остаются в жидком состоянии, когда другие компоненты воздуха превратились в газы.

Отделение криптона от ксенона

• 7 Жидкие криптон и ксенон абсорбируются на силикагеле или активированном угле. Затем их снова подвергают фракционной перегонке. Жидкую смесь медленно нагревают до тех пор, пока криптон не превратится в газ. Ксенон имеет несколько более высокую температуру кипения и остается жидкостью.
• 8 Криптон очищают, пропуская его по горячему металлическому титану. Это вещество удаляет все элементы, кроме благородных газов.

Разделение изотопов криптона

• 9 В большинстве случаев криптон готов к упаковке. Однако для некоторых научных целей нужен только один из шести стабильных изотопов криптона. Для разделения этих изотопов используется процесс, известный как термодиффузия. Этот процесс зависит от того, что изотопы имеют немного разные плотности.
• 10 Криптон помещен в длинную вертикальную стеклянную трубку. Нагретая проволока проходит вертикально через центр этой трубки. Горячая проволока создает в трубке конвекционный ток. Этот поток горячего воздуха имеет тенденцию переносить более легкие изотопы в верхнюю часть трубки, откуда их можно удалить.

Упаковка и доставка

• 11 Газ криптон упакован в колбы из прочного стекла, такого как пирекс, при нормальном давлении или в стальных канистрах при высоком давлении. Поскольку это крайне инертное вещество, криптон очень безопасен. Он нетоксичен, невзрывоопасен и негорючий, поэтому не требует особых мер предосторожности при транспортировке.

Контроль качества

Наиболее важным фактором контроля качества производства криптона является обеспечение того, чтобы конечный продукт содержал только криптон. Процесс фракционной перегонки был развит до такой степени, что из воздуха получаются очень чистые продукты, в том числе криптон.

Произвольные образцы криптона проверяются на чистоту с помощью спектроскопического анализа. Этот процесс включает нагревание вещества до тех пор, пока оно не начнет излучать свет. Затем свет проходит через призму или решетку, чтобы создать спектр, точно так же, как солнечный свет производит радугу. Спектроскопический анализ особенно хорошо подходит для изучения газов, поскольку нагретые газы имеют тенденцию давать резкие яркие линии в спектре чистого криптона, поэтому можно определить наличие каких-либо примесей.

Побочные продукты / отходы

Криптон - лишь один из многих ценных элементов, получаемых путем фракционной перегонки жидкого воздуха. Более трех четвертей воздуха состоит из азота. Азот используется для производства самых разных химических соединений, особенно аммиака. Поскольку он гораздо менее активен, чем кислород, азот используется для защиты многих веществ от окисления. Жидкий азот используется при сублимационной сушке и охлаждении.

Около пятой части воздуха состоит из кислорода. Сталелитейная промышленность является крупнейшим потребителем чистого кислорода. Кислород используется для удаления из стали излишков углерода в виде углекислого газа. Кислород также используется для очистки сточных вод и сжигания твердых отходов. Жидкий кислород используется как ракетное топливо.

Благородные газы, получаемые из воздуха, кроме криптона, - это аргон, неон и ксенон. Аргон используется в некоторых типах лампочек. Пропуская электрический ток через стеклянную трубку, содержащую неон, под низким давлением дает знакомую неоновую вывеску. Ксенон используется в стробоскопах для создания интенсивных коротких вспышек света.

Будущее

На будущее производство криптона, вероятно, повлияет будущее производства ядерной энергии. Поскольку криптон может быть произведен как побочный продукт ядерного деления, атомные электростанции могут стать важным источником криптона в будущем. С другой стороны, если ядерное деление будет в значительной степени заменено ядерным синтезом или другими формами производства энергии, криптон, вероятно, останется почти полностью продуктом атмосферы.