Криптон
Общие сведения
Криптон представляет собой химический элемент восемнадцатой группы периодической системы с атомным номером тридцать шесть. По своим химическим свойствам он относится к категории благородных, или инертных, газов, разделяя общие черты с неоном и гелием. В стандартных условиях криптон является одноатомным газом, полностью лишенным цвета, вкуса и запаха. Газ не взаимодействует с биологическими системами и физиологически не воспринимается живыми организмами. Элемент отличается редкостью распространения на Земле. Исторически криптон был открыт в 1898 году химиком Уильямом Рамзаем. В ходе эксперимента из атмосферного воздуха были последовательно удалены кислород, азот и аргон, что позволило выделить остаточную газовую фракцию, представляющую собой смесь криптона и ксенона. Дальнейшее разделение этих элементов было успешно осуществлено с применением спектральных методов анализа.
Свойства и характеристики
В обычных условиях криптон существует в виде инертных одноатомных молекул. При значительном повышении давления, достигающем шести атмосфер, газ приобретает специфический запах, который исследователи идентифицируют как схожий с запахом хлороформа. Температурный диапазон жидкого состояния элемента крайне узок и составляет всего четыре градуса: процесс сжижения газа происходит при температуре минус 153 градуса Цельсия, а переход в твердое состояние, сопровождающийся образованием кристаллов кубической сингонии, наблюдается уже при минус 157 градусах. Элемент обладает способностью растворяться в воде с образованием клатратов, в структуре которых на один атом криптона приходится около шести молекул воды. Подобные соединения остаются стабильными исключительно при низких температурах, находясь в структуре льда, и полностью разлагаются при нагревании до минус 28 градусов Цельсия, не существуя при стандартной комнатной температуре. Химическая инертность элемента обуславливает его крайне низкую реакционную способность, однако в условиях высоких давлений, температур и дополнительного притока энергии криптон способен вступать во взаимодействие со фтором, образуя дифторид криптона. Научные сообщения о синтезе оксидов данного элемента пока признаются недостоверными. В 2003 году исследователями в Финляндии при создании особых термодинамических условий были синтезированы криптонорганические соединения, содержащие химические связи с атомами углерода. Науке известно 32 изотопа криптона, среди которых в природе преобладают пять стабильных, причем наибольшее распространение имеют изотопы с массовыми числами 84, 86, 83 и 82. При высокой концентрации криптона в окружающей среде наступает удушье по причине вытеснения кислорода из вдыхаемого воздуха. При вдыхании газовых смесей, содержащих криптон, под давлением наблюдается выраженный наркотический эффект.
Нахождение в природе
В атмосферном воздухе планеты криптон содержится в крайне малых количествах. В земной коре элемент постоянно и в небольших объемах образуется в результате процессов медленного радиоактивного распада и ядерного деления таких тяжелых элементов, как уран и торий. В отличие от земных условий, в межзвездном пространстве криптон представлен достаточно широко. Астрономические исследования показывают, что в некоторых космических объектах концентрация этого газа значительно превышает привычные показатели. В частности, в составе белого карлика RE 0503-289 было обнаружено в 450 раз больше криптона, чем на Солнце, что может являться следствием распада сверхтяжелых ядер в процессе звездной эволюции. Для выявления, идентификации и измерения концентрации криптона в различных средах применяется комплекс современных аналитических методов, включающий эмиссионную спектроскопию, масс-спектрометрию и газовую хроматографию.
Получение
Основным промышленным методом получения криптона является низкотемпературная ректификация сжиженного атмосферного воздуха. Несмотря на низкую концентрацию газа в атмосфере, этот метод остается наиболее распространенным технологическим решением. В процессе первоначального разделения воздуха образуется жидкий кислород, в котором присутствуют примеси углеводородов, криптон и ксенон. Присутствие метана и других углеводородов, сопоставимых по массе с криптоном, представляет высокую опасность взрыва при последующем нагревании системы, поэтому жидкую смесь подвергают обязательной очистке в каталитических печах. После выжигания углеводородов из смеси удаляют кислород, в результате чего остается обогащенная криптоно-ксеноновая смесь. Данный промежуточный продукт пропускают через силикагель для дополнительной очистки, закачивают в баллоны и транспортируют на специализированные установки разделения инертных газов. На этих установках происходит финальная очистка от остаточных следов углеводородов в контактной каталитической печи, заполненной оксидом меди, а также удаление влаги в адсорбере с цеолитом. Очищенный газовый поток охлаждается в системе теплообменников и направляется в серию ректификационных колонн, где на основе небольших различий в физических характеристиках и массе происходит окончательное фракционное разделение смеси на чистые ксенон и криптон.
Применение
В промышленности криптон применяется для обеспечения работы различных высокотехнологичных устройств. Элемент выступает важным компонентом в производстве эксимерных лазеров и специализированных ламп накаливания. Благодаря своим физическим характеристикам, в частности высокой плотности и низкой теплопроводности, газ служит высокоэффективным теплоизолятором и шумоизолятором, применяемым для заполнения пространства внутри современных оконных стеклопакетов. Кроме того, синтезируемые фториды криптона рассматриваются в качестве перспективных высокоэнергетических окислителей ракетного топлива и находят применение в ракетном двигателестроении.