KRYPTON: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, ZÍSKÁVÁNÍ, RIZIKA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Kryptonu je vzácný plyn, který je reprezentován symbolem Kr a nachází se ve skupině 18 periodické tabulky. Je to plyn, který následuje argon, a jeho hojnost je tak nízká, že byl považován za skrytý; odtud pochází její název. To se nenachází téměř v minerálních kamenech, ale v množství přírodních plynů a těžko rozpuštěných v mořích a oceánech.

Samotné jméno evokuje obraz Supermana, jeho planety Krypton a slavného kryptonitu, kámen, který oslabuje superhrdinu a zbavuje ho jeho supervelmocí. Můžete také myslet na kryptoměny nebo krypty, když se o nich dozvíte, jakož i na další pojmy, které jsou ve své podstatě daleko od tohoto plynu.

Lahvička s kryptónem vzrušená elektrickým výbojem a zářící bílým světlem. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Tento vzácný plyn je však ve srovnání s výše uvedenými čísly méně extravagantní a „skrytý“; ačkoli jeho nedostatek reaktivity nebere všechny potenciální zájmy, které mohou vzbudit ve výzkumu zaměřeném na různá pole, zejména na fyzickou.

Na rozdíl od ostatních ušlechtilých plynů je světlo vyzařované kryptonem při excitaci v elektrickém poli bílé (horní obrázek). Z tohoto důvodu se používá pro různá použití v osvětlovacím průmyslu. Může nahradit prakticky jakékoli neonové světlo a emitovat své vlastní, což se vyznačuje tím, že je nažloutlá zelená.

Vyskytuje se v přírodě jako směs šesti stabilních izotopů, nemluvě o některých radioizotopech určených pro nukleární medicínu. K získání tohoto plynu musí být vzduch, který dýcháme, zkapalněn a jeho výsledná kapalina musí být podrobena frakční destilaci, kde je potom krypton vyčištěn a rozdělen na jednotlivé složky izotopů.

Díky kryptonu bylo možné pokročit ve studiích jaderné fúze i v aplikacích laserů pro chirurgické účely.

Dějiny

- Objev skrytého prvku

V roce 1785 anglický chemik a fyzik Henry Cavendish zjistil, že vzduch obsahuje malou část látky ještě méně aktivní než dusík.

O století později anglický fyzik Lord Rayleigh izoloval ze vzduchu plyn, který považoval za čistý dusík; ale pak zjistil, že to bylo těžší.

V roce 1894 skotský chemik, Sir William Ramsey, spolupracoval na izolaci tohoto plynu, který se ukázal jako nový prvek: argon. O rok později izoloval plynný helium zahřátím minerálního cleveitu.

Sám William Ramsey sám, spolu s jeho asistentem, anglickým chemikem Morrisem Traversem, objevil krypton 30. května 1898 v Londýně.

Ramsey a Travers věřili, že v periodické tabulce je prostor mezi prvky argonem a heliem, a tento prvek musel vyplnit nový prvek. Ramsey, měsíc po objevu kryptonu, červen 1898, objevil neon; prvek, který vyplnil prostor mezi heliem a argonem.

Metodologie

Ramsey předpokládal existenci nového prvku skrytého v jeho předchozím objevu, argonského. Ramsey a Travers, aby vyzkoušeli svůj nápad, se rozhodli získat velké množství argonu ze vzduchu. Z tohoto důvodu museli produkovat zkapalnění vzduchu.

Poté destilovali tekutý vzduch, aby jej rozdělili na frakce, a v lehčích frakcích prozkoumali přítomnost požadovaného plynného prvku. Ale udělali chybu, zjevně přehřívali zkapalněný vzduch a vypařili hodně vzorku.

Nakonec měli pouze 100 ml vzorku a Ramsey byl přesvědčen, že přítomnost prvku lehčího než argon v tomto objemu je nepravděpodobná; ale rozhodl se prozkoumat možnost prvku těžšího než argon ve zbytkovém objemu vzorku.

Poté, co přemýšlel, odstranil kyslík a dusík z plynu pomocí žhavé mědi a hořčíku. Poté umístil vzorek zbývajícího plynu do vakuové trubice a přivedl na něj vysoké napětí, aby získal spektrum plynu.

Podle očekávání byl přítomen argon, ale všimli si vzhledu dvou nových jasných čar ve spektru; jedna žlutá a druhá zelená, které nebyly nikdy pozorovány.

- Vznik názvu

Ramsey a Travers vypočítali vztah mezi měrným teplem plynu při konstantním tlaku a jeho měrným teplem při konstantním objemu, přičemž pro tento vztah našli hodnotu 1,66. Tato hodnota odpovídala plynu tvořenému jednotlivými atomy, což ukazuje, že to nebyla sloučenina.

Proto byli v přítomnosti nového plynu a byl objeven krypton. Ramsey se rozhodl to nazvat Krypton, slovo odvozené z řeckého slova „krypto“, což znamená „skryté“. William Ramsey obdržel Nobelovu cenu za chemii v roce 1904 za objev těchto vzácných plynů.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Vzhled

Je to bezbarvý plyn, který v elektrickém poli vykazuje žhnoucí bílou barvu.

Standardní atomová hmotnost

83 798 u

Atomové číslo (Z)

36

Bod tání

-157,37 ° C

Bod varu

153,415 ° C

Hustota

Za standardních podmínek: 3 949 g / l

Kapalném stavu (teplota varu): 2,413 g / cm ³

Relativní hustota plynu

2,9 ve vztahu ke vzduchu s hodnotou = 1. To znamená, že krypton je třikrát tak hustý než vzduch.

Rozpustnost ve vodě

59,4 cm ³ /1000 g při teplotě 20 ° C

Triple point

115,775 K a 73,53 kPa

Kritický bod

209,48 K a 5,525 MPa

Teplo fúze

1,64 kJ / mol

Odpařovací teplo

9,08 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

20,95 J / (mol K)

Tlak páry

Při teplotě 84 K má tlak 1 kPa.

Elektronegativita

3.0 na Paulingově stupnici

Ionizační energie

Nejprve: 1350,8 kJ / mol.

Za druhé: 2 350,4 kJ / mol.

Třetí: 3 565 kJ / mol.

Rychlost zvuku

Plyn (23 ° C): 220 m / s

Kapalina: 1 120 m / s

Tepelná vodivost

9,43 · 10 ^-3 W / (m · K)

Objednat

Diamagnetický

Oxidační číslo

Krypton, který je ušlechtilým plynem, není příliš reaktivní a neztrácí ani nezíská elektrony. Pokud se podaří vytvoření pevné látky s definovaným složením, jako je tomu u klatrátu Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ nebo jeho hydrid Kr (H ₂), ₄, pak je, že k účasti s číselným nebo oxidačním stavu 0 (Kr ⁰); to znamená, že jeho neutrální atomy interagují s maticí molekul.

Avšak krypton může formálně ztratit elektrony, pokud vytvoří vazby s nejvíce elektronegativním prvkem ze všech: fluor. V KRF ₂ jeho oxidační číslo je 2, takže existence dvojmocným kationem Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^-) se předpokládá.

Reaktivita

V roce 1962 byla popsána syntéza krypton difluoridu (KrF ₂). Tato sloučenina je vysoce těkavá, bezbarvá krystalická pevná látka a při pokojové teplotě se pomalu rozkládá; ale je stabilní při -30 ° C. Krypton fluorid je silné oxidační a fluorační činidlo.

Krypton reaguje s fluorem, když je kombinován v elektrickém výboji při -183 ° C, čímž vytváří KrF ₂. Reakce také nastane, když jsou krypton a fluor ozářeny ultrafialovým světlem při -196 ° C.

Krf ⁺ a Kr ₂ F ₃ ⁺, jsou sloučeniny, které vznikají reakcí KRF _2, se silnými fluoridových akceptory. Krypton je součástí nestabilní sloučeniny: K (OTeF ₅) ₂, která má vazbu mezi kryptonem a kyslíkem (Kr-O).

V kationtu HCΞN-Kr-F se nachází vazba krypton-dusík. Krypton hydridy, KRH- ₂, mohou být pěstovány při tlaku větším než 5 GPa.

Na začátku 20. století byly všechny tyto sloučeniny považovány za nemožné vzhledem k nulové reaktivitě, která byla vytvořena z tohoto ušlechtilého plynu.

Struktura a elektronická konfigurace

Kryptonův atom

Krypton, který je ušlechtilým plynem, má celou valenční oktet; to znamená, že jeho a or orbitály jsou zcela naplněny elektrony, které lze ověřit v jejich elektronické konfiguraci:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

Je to monatomický plyn bez ohledu na (doposud) tlakových nebo teplotních podmínek, které s ním pracují. Proto jsou jeho tři stavy definovány interatomickými interakcemi jejích atomů Kr, které si lze představit jako kuličky.

Tyto atomy Kr, stejně jako jejich kongenery (He, Ne, Ar atd.), Nelze snadno polarizovat, protože jsou relativně malé a také mají vysokou elektronovou hustotu; to znamená, že povrch těchto kuliček není znatelně zdeformován, aby vytvořil okamžitý dipól, který indukuje další v sousedním mramoru.

Interakční interakce

Z tohoto důvodu jsou jedinými silami, které drží atomy Kr pohromadě, londýnská rozptylová síla; ale v případě kryptonu jsou velmi slabé, takže pro atomy je třeba definovat kapalinu nebo krystal.

Tyto teploty (teploty varu a teploty tání) jsou však ve srovnání s argonem, neonem a heliem vyšší. Toto je kvůli větší atomové hmotnosti kryptonu, ekvivalent k většímu atomovému poloměru a proto více polarizovatelný.

Například teplota varu kryptonu je kolem -153 ° C, zatímco teploty vzácných plynů argon (-186 ° C), neon (-246 ° C) a helium (-269 ° C) jsou nižší; to znamená, že jeho plyny potřebují chladnější teploty (blíže -273,15 ° C nebo 0 K), aby mohly kondenzovat do kapalné fáze.

Zde vidíme, jak velikost jejich atomových poloměrů přímo souvisí s jejich interakcemi. Totéž se děje s jejich příslušnými body tání, teplotou, při které krypton nakonec krystalizuje při -157 ° C.

Krypton krystal

Když teplota klesne na -157 ° C, atomy Kr se přiblíží dostatečně pomalu, aby se dále spojily a definovaly bílý krystal s krychlovou strukturou zaměřenou na obličej (fcc). Tudíž nyní existuje strukturální řád řízený svými rozptylovými silami.

Ačkoli o tom není mnoho informací, krystal krypton fcc může podstoupit krystalické přechody do hustších fází, pokud je vystaven enormním tlakům; jako kompaktní hexagonál (hcp), ve kterém budou atomy Kr více seskupeny.

Aniž by byl tento bod ponechán stranou, atomy Kr mohou být také uvězněny v ledových klecích zvaných klatráty. Pokud je teplota dostatečně nízká, mohou se vyskytnout smíšené krystaly krypton-voda, s atomy Kr uspořádanými a obklopenými molekulami vody.

Kde najít a získat

Atmosféra

Krypton je rozptýlen po celé atmosféře a nemůže uniknout gravitačnímu poli Země na rozdíl od helia. Ve vzduchu, který dýcháme, je jeho koncentrace kolem 1 ppm, i když se to může lišit v závislosti na plynných emisích; ať už jsou to vulkanické erupce, gejzíry, horké prameny nebo možná ložiska zemního plynu.

Protože je ve vodě špatně rozpustná, je její koncentrace v hydrosféře pravděpodobně zanedbatelná. Totéž se děje s minerály; uvnitř nich může být uvězněno několik atomů kryptonu. Jediným zdrojem tohoto vzácného plynu je proto vzduch.

Zkapalňování a frakční destilace

K jeho získání musí vzduch projít zkapalňovacím procesem, takže všechny jeho složky plyny kondenzují a vytvářejí kapalinu. Tato kapalina se potom zahřívá aplikací frakční destilace při nízkých teplotách.

Po destilaci kyslíku, argonu a dusíku zůstávají krypton a xenon ve zbývající kapalině, která je adsorbována na aktivním uhlí nebo silikagelu. Tato kapalina se zahřeje na -153 ° C, aby se destiloval krypton.

Nakonec se sebraný krypton čistí průchodem horkým kovovým titanem, který odstraňuje plynné nečistoty.

Pokud je požadováno oddělení jeho izotopů, plyn se nechá stoupat přes skleněnou kolonu, kde podléhá tepelné difúzi; lehčí izotopy stoupají směrem nahoru, zatímco těžší mají tendenci zůstat na dně. Izotop ⁸⁴ Kr a ⁸⁶ Kr se tedy například shromažďuje odděleně na dně.

Krypton lze skladovat ve skleněných žárovkách Pyrex při okolním tlaku nebo ve vzduchotěsných ocelových nádržích. Před zabalením je podroben kontrole kvality spektroskopií, aby osvědčil, že jeho spektrum je jedinečné a neobsahuje řady dalších prvků.

Jaderné štěpení

Další způsob získání kryptonu spočívá v jaderném štěpení uranu a plutonia, ze kterého se také vyrábí směs jejich radioaktivních izotopů.

Izotopy

Krypton se vyskytuje v přírodě jako šest stabilních izotopů. Jedná se o jejich odpovídající hojnosti na Zemi: ⁷⁸ Kr (0,36%), ⁸⁰ Kr (2,29%), ⁸² Kr (11,59%), ⁸³ Kr (11,50%), ⁸⁴ Kr (56,99%) a ⁸⁶ Kr (17,28%). ⁷⁸ Kr je radioaktivní izotop; ale jeho poločas rozpadu (t _1/2) je tak dlouhý (9,2 · 10 ²¹ let), že je prakticky považován za stabilní.

Proto je jeho standardní atomová hmotnost (atomová hmotnost) 83,798 u, blíže 84 u izotopu ⁸⁴ Kr.

Ve stopových množstvích je také nalezen radioizotop ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2,3,10 ⁵), který je produkován, když ⁸⁰ Kr přijímá kosmické paprsky. Kromě již zmíněných izotopů existují dva syntetické radioizotopy: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 hodin) a ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 let); to je to, co se vyrábí jako produkt jaderného štěpení uranu a plutonia.

Rizika

Krypton je netoxický prvek, protože za normálních podmínek nereaguje, ani nepředstavuje riziko požáru, pokud je smíchán se silnými oxidačními činidly. Únik tohoto plynu nepředstavuje žádné nebezpečí; pokud přímo nedýcháte, vytěsňujete kyslík a nezpůsobujete udušení.

Atomy kr vstupují a jsou vyloučeny z těla, aniž by se účastnily jakékoli metabolické reakce. Mohou však vytlačit kyslík, který by se měl dostat do plic a být transportován krví, takže jednotlivec může trpět narkózou nebo hypoxií, jakož i dalšími podmínkami.

Jinak neustále dýcháme kryptón v každém dechu vzduchu. Nyní, pokud jde o jeho sloučeniny, je příběh jiný. Například KrF ₂ je silné fluorační činidlo; a proto „dá“ anionty F ^- jakékoli molekule biologické matrice, se kterou se setká, což je potenciálně nebezpečné.

Pravděpodobně krypton klatrát (uvězněný v kleci na led) není značně nebezpečný, pokud neexistují určité nečistoty, které zvyšují toxicitu.

Aplikace

Blesky z vysokorychlostních kamer jsou částečně způsobeny excitací kryptonu. Zdroj: Mhoistion

Krypton je přítomen v různých aplikacích kolem artefaktů nebo zařízení určených pro osvětlení. Například je součástí "neonových světel" nažloutlých zelených barev. Kryptonova „legální“ světla jsou bílá, protože jejich emisní spektrum zahrnuje všechny barvy ve viditelném spektru.

Bílé světlo kryptonu se ve skutečnosti používá pro fotografie, protože jsou velmi intenzivní a rychlé, ideální pro blesky s vysokorychlostním fotoaparátem nebo pro okamžité blesky na letištních ranvních.

Stejně tak mohou být elektrické výbojky, které vyzařují toto bílé světlo, pokryty barevnými papíry, což způsobí, že se budou zobrazovat světla mnoha barev, aniž by bylo nutné excitovat pomocí jiných plynů.

Přidává se do žárovek s wolframovým vláknem, aby se zvýšila jejich životnost, a do argonových zářivek za stejným účelem, což také snižuje jejich intenzitu a zvyšuje náklady (protože je dražší než argon).

Když kryptón tvoří plynné výplně do žárovek, zvyšuje jeho jas a zvyšuje jeho modrastost.

Lasery

Červené lasery pozorované ve světelných show jsou založeny spíše na spektrálních liniích kryptonu než na směsi helium-neon.

Na druhou stranu lze pomocí kryptonu vyrobit výkonné lasery ultrafialového záření: lasery krypton fluoridu (KrF). Tento laser se používá pro fotolitografii, lékařské ordinace, výzkum v oblasti jaderné fúze a mikroobrábění pevných materiálů a sloučenin (modifikace jejich povrchu působením laseru).

Definice měřiče

Mezi lety 1960 a 1983 byla použita vlnová délka červenooranžové spektrální linie izotopu ⁸⁶ Kr (vynásobená 1650 763,73), aby se definovala přesná délka jednoho metru.

Detekce jaderných zbraní

Protože radioizotop ⁸⁵ Kr je jedním z produktů jaderné činnosti, kde je detekován, je známkou toho, že došlo k výbuchu jaderné zbraně nebo že dochází k nezákonným nebo tajným činnostem uvedené energie.

Lék

Krypton byl v medicíně používán jako anestetikum, rentgenový absorbér, detektor srdečních abnormalit a přesné a kontrolované oříznutí sítnice očí pomocí laserů.

Jeho radioizotopy mají také aplikace v nukleární medicíně, ke studiu a skenování proudění vzduchu a krve v plicích a k získání snímků nukleární magnetické rezonance dýchacích cest pacienta.

Reference

1. Gary J. Schrobilgen. (28. září 2018). Krypton. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
2. Wikipedia. (2019). Krypton. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (2016, 16. července). Krypton Chemical Reactions. Obnoveno z: pilgaardelements.com
4. Krystalografie365. (16. listopadu 2014). Super cool materiál - krystalová struktura Kryptonu. Obnoveno z: crystallography365.wordpress.com
5. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta o kryptonových prvcích. Chemicool. Obnoveno z: chemicool.com
6. Marques Miguel. (sf). Krypton. Obnoveno z: nautilus.fis.uc.pt
7. Advameg. (2019). Krypton. Jak se výrobky vyrábějí. Obnoveno z: madehow.com
8. AZoOptics. (25. dubna 2014). Krypton Fluoride Excimer Laser - Vlastnosti a aplikace. Obnoveno z: azooptics.com