Криптон

Криптон — это химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 36. Обозначается символом Kr (от лат. Krypton). Простое вещество криптон — инертный (благородный) газ без цвета, вкуса и запаха, в несколько раз тяжелее воздуха. Относится к числу редких элементов, содержится в земной атмосфере в крайне малых концентрациях.

История открытия

Криптон был открыт в 1898 году британскими химиками Уильямом Рамзаем и Моррисом Траверсом. Исследователи изучали остаток, полученный после испарения жидкого воздуха, и обнаружили в нём неизвестный ранее газ. Название «криптон» происходит от греческого слова κρυπτός (kryptós) — «скрытый», что отражает трудность его обнаружения из-за чрезвычайно низкого содержания в атмосфере. В том же году Рамзай и Траверс открыли также неон и ксенон.

В 1960 году Генеральная конференция по мерам и весам приняла определение метра через длину волны оранжевой линии в спектре изотопа криптона-86. Это определение действовало до 1983 года, когда метр был переопределён через скорость света.

Нахождение в природе

Криптон является одним из самых редких газов в земной атмосфере. Его объёмная доля в воздухе составляет около 1,14×10⁻⁴ % (примерно 1,14 миллионной доли). Основным источником получения криптона служит фракционная перегонка жидкого воздуха. В процессе разделения воздуха криптон концентрируется вместе с ксеноном в кубовых остатках ректификационных колонн. Крупнейшие промышленные установки по выделению криптона расположены в России, Украине, Германии, США и Японии.

В незначительных количествах криптон присутствует в природных газах некоторых месторождений. Содержание криптона в морской воде ничтожно мало.

Физические свойства

Криптон — одноатомный газ без цвета и запаха. Его основные физические характеристики:

Криптон тяжелее воздуха примерно в 3 раза. При понижении температуры до точки кипения он превращается в бесцветную жидкость, а при дальнейшем охлаждении кристаллизуется в гранецентрированную кубическую решётку. Твёрдый криптон — белое кристаллическое вещество.

Химические свойства

Как и другие благородные газы, криптон химически инертен, но способен образовывать некоторые соединения с наиболее сильными окислителями. Первое соединение криптона — дифторид криптона (KrF₂) — было получено в 1963 году. Это бесцветное летучее кристаллическое вещество, взрывоопасное при комнатной температуре. Известны также тетрафторид криптона (KrF₄) и нестабильные соединения криптона с кислородом и азотом.

Соединения криптона крайне нестабильны и разлагаются при незначительном нагревании. Все они являются сильными окислителями. В природных условиях криптон существует исключительно в виде свободного атома.

Изотопы

Природный криптон состоит из шести стабильных изотопов: ⁷⁸Kr (0,35 %), ⁸⁰Kr (2,25 %), ⁸²Kr (11,6 %), ⁸³Kr (11,5 %), ⁸⁴Kr (57,0 %) и ⁸⁶Kr (17,3 %). Наиболее распространён изотоп ⁸⁴Kr.

Искусственно получено более 30 радиоактивных изотопов криптона с массовыми числами от 69 до 100. Наибольшее практическое значение имеет ⁸⁵Kr (период полураспада 10,76 года), который образуется в ядерных реакторах при делении урана и плутония. Этот изотоп используется в качестве радиоактивного индикатора и в дефектоскопии.

Получение

Промышленное получение криптона основано на переработке жидкого воздуха. Процесс включает несколько стадий:

1. Первичное концентрирование. В воздухоразделительных установках криптон вместе с ксеноном накапливается в кубовой жидкости нижней колонны.
2. Обогащение. Криптоновый концентрат (содержащий до 0,1 % Kr) подвергается повторной ректификации.
3. Очистка. Для удаления углеводородов, оксидов азота и других примесей концентрат пропускают через каталитические реакторы и адсорберы.
4. Разделение криптона и ксенона. Фракционная ректификация позволяет получить чистый криптон (99,9 % и выше).

Годовое мировое производство криптона составляет несколько десятков тонн. Цена на криптон значительно выше, чем на неон или аргон, что обусловлено сложностью его выделения.

Применение

Осветительные приборы

Основная область применения криптона — производство газоразрядных ламп. Криптоновые лампы накаливания (с наполнением колбы смесью криптона и азота) имеют более высокую световую отдачу и увеличенный срок службы по сравнению с аргоновыми. Криптон используется в мощных прожекторах, кинопроекторах и маяках.

Лазеры

Криптоновые газовые лазеры (в частности, на ионах криптона) генерируют излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Они применяются в научных исследованиях, медицине и спектроскопии.

Теплоизоляция

Криптон используется в качестве наполнителя для стеклопакетов. Благодаря низкой теплопроводности он обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем воздух или аргон. Криптоновые стеклопакеты применяются в энергоэффективных зданиях, особенно в условиях холодного климата.

Ядерная энергетика

Радиоактивный изотоп ⁸⁵Kr используется в качестве индикатора для обнаружения утечек ядерного топлива и контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов. Он также применяется в дефектоскопии для контроля сварных швов и металлических конструкций.

Медицина

В медицине криптон-85 используется в радиоизотопной диагностике для исследования лёгочной вентиляции и кровотока. Криптоновые лазеры применяются в офтальмологии для коагуляции сетчатки.

Биологическая роль и безопасность

Криптон не играет биологической роли и не участвует в метаболизме живых организмов. В высоких концентрациях он может вызывать наркотический эффект (криптоновый наркоз) из-за растворения в липидных мембранах клеток. При вдыхании смеси с кислородом в условиях повышенного давления криптон действует как анестетик, однако его наркотическая активность ниже, чем у ксенона.

Криптон не токсичен, но при высоких концентрациях в воздухе может вызывать удушье из-за вытеснения кислорода. Предельно допустимая концентрация криптона в воздухе рабочей зоны не установлена, так как он не является вредным веществом. Радиоактивный ⁸⁵Kr требует осторожного обращения из-за испускания бета-излучения.

Интересные факты

• В научной фантастике криптон часто путают с вымышленным элементом криптонитом, который ослабляет супергероя Супермена. В действительности криптон не имеет отношения к этим вымыслам.
• Криптон — один из продуктов деления урана в ядерных реакторах. Его содержание в отработавшем ядерном топливе может достигать значительных величин.
• В 1960-х годах криптон-86 использовался для эталонирования длины — метр определялся как 1 650 763,73 длины волны оранжевой линии его спектра.
• Криптон содержится в атмосфере Марса в концентрации около 0,3 ppm (миллионных долей), что примерно в 2,5 раза выше, чем в земной атмосфере.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1973.
• CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition. — CRC Press, 2016.
• Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.