Криптон - химический элемент. Формула криптона

На нашей планете существует множество различных соединений, органических и минеральных веществ. Так, человеком открыто, синтезировано и используется свыше полутора миллионов структур из мира органики и более 500 тысяч вне его. И каждый год эта цифра растет, так как развитие химической отрасли не стоит на месте, страны мира активно развивают и продвигают ее.

Но удивительно даже не это. А то, что все это многообразие веществ построено всего из 118 химических элементов. Вот это действительно здорово! Периодическая система химических элементов является той основой, которая графически отражает многообразие органического и неорганического мира.

Классификация химических элементов

Существует несколько вариантов градации данных структур. Так, таблица Менделеева по химии делится условно на две группы:

• элементы-металлы (большая часть);
• неметаллы (меньшая часть).

При этом первую составляют элементы, находящиеся ниже условной диагональной границы от бора до астата, а вторую - те, что выше. Однако из этой классификации есть исключения, например, олово (существует в альфа- и бета-форме, одна из которых - металл, а друга - неметалл). Поэтому назвать такой вариант разделения абсолютно справедливым нельзя.

Также периодическая система химических элементов может быть классифицирована по свойствам последних.

1. Обладающие основными свойствами (восстановители) - типичные металлы, элементы 1,2 группы главных подгрупп (кроме бериллия).
2. Обладающие кислотными свойствами (окислители) - типичные неметаллы. Элементы 6,7 групп главных подгрупп.
3. Амфотерные свойства (двойственные) - все металлы побочных подгрупп и некоторые из главных.
4. Элементы-неметаллы, проявляющие себя и как восстановители, и как окислители (в зависимости от условий реакции).

Чаще именно так изучаются химические элементы. 8 класс школы предполагает изначальное изучение всех структур с запоминанием символа, названия и произношения на русском языке. Это обязательное условие для грамотного овладения химией в дальнейшем, основа всего. Таблица Менделеева по химии всегда находится в поле зрения детей, однако знать самые распространенные и химические активные из них все же следует.

Особую группу в данной системе занимает восьмая по счету. Ее элементы главной подгруппы имеют название инертных - благородных - газов за свои завершенные электронные оболочки и, как следствие, малую химическую активность. Один из них - криптон, химический элемент под номером 36 - будет рассмотрен нами подробнее. Остальные его собратья по таблице также являются благородными газами и используются человеком очень широко.

Криптон - химический элемент

Данный обитатель Периодической системы располагается в четвертом периоде, восьмой группе, главной подгруппе. Порядковый номер, а значит, и количество электронов, и заряд ядра (количество протонов) = 36. Отсюда можно сделать вывод о том, какой будет электронная формула криптона. Запишем ее: ₊₃₆Kr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶.

Очевидно, что внешний энергетический уровень атома полностью завершен. Это и определяет очень низкую химическую активность данного элемента. Тем не менее при определенных условиях все же удается заставить вступать в некоторые реакции такой устойчивый газ, как криптон. Химический элемент, а точнее, его положение в системе, электронное строение, позволяют получить и еще одну немаловажную характеристику атома: валентность. То есть способность образовывать химические связи.

Обычно мы говорим, что она практически всегда для невозбужденного состояния атомов равна номеру группы, в которой он находится (если считать с первой по четвертую по порядку, а затем наоборот, 1234321). Однако же валентность криптона в эти рамки не вписывается, так как без сообщения дополнительной энергии, то есть без возбуждения атома, он вообще абсолютно инертен и его валентность равна нулю.

Если все же добиться возбуждения его атома, то электроны могут расспариваться и переходить на свободную 4d орбиталь. Отсюда возможные валентности криптона: 2,4,6. Степени окисления соответствующие со знаком + (+2,+4,+6).

История открытия

После открытия инертных газов - аргона в 1894 году, гелия в 1985 г. - спрогнозировать и подтвердить возможность существования в природе других подобных газов особого труда для ученых не составило. Основные усилия на этом пути прилагал У. Рамзай, который и открыл аргон. Он справедливо считал, что в воздухе есть еще инертные газы, однако количество их настолько ничтожно, что техника не может зафиксировать их присутствие.

Поэтому открыт элемент криптон был только через несколько лет. В 1898 году из воздуха был выделен газ неон, а вслед за ним и другое инертное соединение, которое за трудность отыскания и выделения было решено назвать криптоном. Ведь в переводе с греческого "криптос" означает скрытый.

Обнаружить долгое время его не удавалось, это было очень трудно. Подтверждает этот факт то, что в одном кубическом метре воздуха содержится один миллилитр газа. То есть объем меньше наперстка! Чтобы возможно было вещество изучить, потребовалось сто кубических сантиметров жидкого воздуха. К счастью, именно в этот период ученым удалось разработать методы получения и сжижения воздуха в больших количествах. Такой поворот дела позволил одержать успех У. Рамзаю в открытии элемента криптона.

Данные спектроскопии подтвердили предварительные заключения о новом веществе. "Скрытый" газ имеет совершенно новые линии в спектре, которых не было ни в одном соединении на тот момент времени.

Образуемое простое вещество и его формула

Если криптон - химический элемент, относящийся к инертным газам, логично предположить, что его простое вещество будет летучей молекулой. Так и есть. Простое вещество криптона - одноатомный газ с формулой Kr. Обычно мы привыкли видеть газы с индексом "2", например, О₂, Н₂ и так далее. Но у этого элемента все иначе благодаря принадлежности к семейству благородных газов и завершенной электронной оболочке атома.

Физические свойства

Как и у любого другого соединения, у данного также есть свои характеристики. Физические свойства криптона следующие.

1. Очень тяжелый газ - в три раза превосходит воздух.
2. Не имеет вкуса.
3. Бесцветный.
4. Не имеет запаха.
5. Температура кипения -152 ⁰С.
6. Плотность вещества при обычных условиях 3,74 г/л.
7. Температура плавления -157,3 ⁰С.
8. Энергия ионизации высокая, составляет 14 эВ.
9. Электроотрицательность также достаточно велика - 2,6.
10. Растворим в бензоле, незначительно в воде. С повышением температуры жидкости растворимость падает. Также смешивается с этанолом.
11. При комнатной температуре обладает диэлектрической проницаемостью.

Таким образом, газ криптон обладает достаточным количеством характеристик, чтобы вступать в химические реакции и быть полезным человеку своими свойствами.

Химические свойства

Если перевести криптон (газ) в твердое состояние, то он кристаллизуется в пространственную гранецентрическую кубическую решетку. В таком состоянии он также способен вступать в химические реакции. Они весьма немногочисленны, но все же существуют.

Есть несколько типов веществ, которые удалось получить на основе криптона.

1. Образует клатраты с водой: Kr^.5,75Н₂О.

2. Формирует их же с органическими веществами:

• 2,14Kr^.12С₆Н,ОН;
• 2,14Kr^.12С₆Н₅СН_3-
• 2Kr^.CCl₄^.17H₂O;
• 2Kr^.CHCL₃^.17H₂O;
• 2Kr^.(СН₃)₂СО^.17H₂O;
• 0,75 Kr^.ЗС₆Н₄(ОН)_2.

3. В жестких условиях способен реагировать с фтором, то есть окисляться. Таким образом, формула криптона с реагентом принимает вид: KrF_2, или дифторид криптона. Степень окисления в соединении +2.

4. Сравнительно недавно сумели синтезировать соединение, которое включает связи между криптоном и кислородом: Kr-O(Kr(OTeF₅)₂).

5. В Финляндии получили интересное соединение криптона с ацетиленом, названное гидрокриптоацетилен: HKrC&equiv-CH.

6. Фторид криптона (+4) также существует KrF_4. При растворении в воде данное соединение способно формировать слабую и неустойчивую криптоновую кислоту, от которой известны лишь соли бария: BaKrO₄.

7. Формула криптона в соединениях, произведенных от его дифторида, выглядит так:

• KrF⁺SbF₆^–;
• Kr₂F₃⁺AuF₆^–.

Таким образом, получается, что, несмотря на химическую инертность, данный газ проявляет восстановительные свойства и способен вступать в химические взаимодействия при очень жестких условиях. Это дает химикам всего мира зеленый свет в исследовании возможностей "скрытого" компонента воздуха. Возможно, что вскоре будут синтезированы новые соединения, которые найдут широкое применение в технике и промышленности.

Определение газа

Существует несколько основных способов определения данного газа:

• хроматография;
• спектроскопия;
• методы абсорбционного анализа.

Есть еще несколько элементов, определяемых этими же способами, их также разместила в себе таблица Менделеева. Криптон, ксенон, радон - самые тяжелые из благородных газов и самые неуловимые. Поэтому для их обнаружения и требуются такие сложные физико-химические методы.

Способы получения

Основной способ получения - это переработка сжиженного воздуха. Но из-за малого количественного содержания криптона в нем приходится перерабатывать миллионы кубических метров для добычи небольшого количества благородного газа. В целом процесс происходит в три основных этапа.

1. Обработка воздуха на специальных воздухоразделительных колоннах. При этом происходит разделение общего потока веществ на более тяжелые фракции - смесь углеводородов и благородных газов в жидком кислороде, а также более легкие - многочисленные газы-примеси. Так как большая часть веществ взрывоопасна, то в колонне существует специальная отводящая труба, по которой сразу отделяются самые тяжелые компоненты. Среди них и криптон. На выходе он сильно загрязнен посторонними примесями. Чтобы получить чистейший продукт, его необходимо в дальнейшем подвергнуть ряду специфических химических обработок специальными растворителями.
2. На этом этапе получают смесь криптона и ксенона, загрязненную углеводородами. Для очистки используют специальные устройства, в которых окислением и адсорбцией смесь избавляют от большинства ненужных компонентов. При этом сама смесь благородных газов остается неразделенной между собой. Кроме того, весь процесс происходит под большим давлением, вызывающим переход газов в жидкое состояние.
3. На заключительном этапе следует разделение итоговой смеси газов с получением особо высоко чистого криптона и ксенона. Для этого создана специальная уникальная установка, технически совершенная для данного процесса. Результатом является получение высококачественного продукта в виде газообразного криптона.

Интересно, что все описанные процессы могут происходить циклично, без прекращения производства, если исходного сырья - воздуха - будет поставляться должное количество. Это позволяет осуществлять синтез благородных газов, в том числе и криптона, в очень значительных промышленных масштабах.

Хранение и транспортировка продукта осуществляется в специальных металлических баллонах с соответствующей надписью. Они находятся под давлением, и температура их хранения не превышает 20 ⁰С.

Содержание в природе

В естественных условиях содержится не просто элемент криптон, а его изотопы. Всего выделяют шесть разновидностей, устойчивых в природных условиях:

• криптон-78 - 0,35%;
• криптон-80 - 2,28%;
• криптон-82 - 11,58 %;
• криптон-83 - 11,49%;
• криптон-84 - 57%;
• криптон-86 - 17,3%.

Где же содержится данный газ? Конечно же там, откуда его и выделили впервые - в воздухе. Процентное содержание очень невелико - всего 1,14*10^-4%. Также постоянное пополнение данным благородным газом запасов в природе происходит благодаря ядерным реакциям внутри литосферы Земли. Именно там формируется значительная часть устойчивых изотопных разновидностей данного элемента.

Использование человеком

Современная техника позволяет получать криптон из воздуха в больших количествах. И есть все основания предполагать, что он скоро заменит инертный аргон в электрических лампочках. Ведь, наполненные криптоном, они станут экономичнее: при том же расходе энергии они будут служить гораздо дольше и светить ярче. Также лучше выдерживать перегрузки, по сравнению с обычными, которые заполнены смесью азота и аргона.

Это можно объяснить малоподвижностью крупных и тяжелых молекул криптона, которые замедляют передачу тепла от стекла лампочки к нити накаливания и уменьшают испарение атомов вещества с ее поверхности.

Также радиоактивный изотоп криптона ⁸⁵Kr используется для наполнения специальных ламп, так как способен излучать бета-лучи. Эта энергия излучения превращается в видимый свет. Такие лампы состоят из стеклянного баллона, внутренние стенки которого покрыты фосфоресцирующим составом. Бета-лучи изотопа криптона, попадая на этот слой, вызывают его свечение, которое отлично заметно даже на расстоянии 500 м.

На расстоянии до 3 метров можно отчетливо видеть даже печатный текст. Лампы долговечны, так как период полураспада изотопа криптона 85 составляет около 10 лет. Работают устройства независимо от источника тока и внешних условий.

Также фториды криптона находят применение в качестве окислителей ракетного топлива. Соединение состава Kr-F используется в производстве эксимерных лазеров. Некоторые изотопы криптона используются в медицине. В основном для диагностики оборудования, обнаружения перфораций и утечек в вакуумных установках, прогнозирования и выявления коррозии, в качестве контроля над износом деталей аппаратуры.

Еще один вариант использования криптона - это рентгеновские трубки, которые им заполнены. Современные ученые ищут пути применения данного газа в качестве наполнителя в составе дыхательных смесей для погружения в воду. Может быть реализовано использование его и в качестве анестетика в медицине.