クリプトン：歴史、特性、構造、獲得、リスク、用途 - 化学

クリプトンは、シンボルのKrによって表され、周期律表のグループ18に位置している希ガスです。アルゴンに続くガスであり、その存在量は非常に少ないため、隠されていると考えられていました。それがその名前の由来です。鉱物石にはほとんど含まれていませんが、天然ガスの塊に含まれており、海や海にはほとんど溶けていません。

彼の名前だけでも、スーパーマン、惑星クリプトン、有名なクリプトナイトのイメージを連想させます。有名なクリプトナイトは、スーパーヒーローを弱体化させ、彼の超能力を奪います。また、暗号通貨や暗号について聞いたときは、本質的にこのガスとはかけ離れている他の用語についても考えることができます。

クリプトンが放電によって励起され、白色光で輝くバイアル。出典：化学元素の高解像度画像

ただし、この希ガスは、上記の数値に比べてそれほど贅沢ではなく「隠されています」。その反応性の欠如は、さまざまな分野、特に物理的な分野に焦点を当てた研究に刺激を与える可能性のあるすべての潜在的な関心を取り除きませんが。

他の希ガスとは異なり、電場で励起されたときにクリプトンによって放出される光は白色です（上の画像）。そのため、照明業界で様々な用途に使用されています。それは実質的にあらゆるネオンライトを置き換えて、それ自体を放出することができます。それは黄緑色であることで区別されます。

核医学用のいくつかの放射性同位体は言うまでもなく、自然界では6つの安定同位体の混合物として発生します。このガスを得るために、私たちが呼吸する空気を液化する必要があり、その結果得られる液体は分別蒸留にかけられます。そこで、クリプトンが精製され、その構成元素に分離されます。

クリプトンのおかげで、核融合の研究だけでなく、外科的目的のためのレーザーの応用も進歩することができました。

歴史

-隠された要素の発見

1785年、イギリスの化学者で物理学者のヘンリーキャベンディッシュは、空気には窒素よりも活性の低い物質が少量含まれていることを発見しました。

1世紀後、イギリスの物理学者レイリー卿は、純粋な窒素であると考えていたガスを空気から隔離しました。しかし、彼はそれが重いことを発見しました。

1894年、スコットランドの化学者であるウィリアムラムジー卿が共同でこのガスを分離しました。このガスは、アルゴンという新しい元素であることが判明しました。1年後、彼は鉱物のクレーブ石を加熱してヘリウムガスを分離しました。

1898年5月30日、ウィリアムラムジー卿自身と彼の助手であるイギリスの化学者モリストラバースがクリプトンをロンドンで発見しました。

ラムジーとトラバースは、元素のアルゴンとヘリウムの間に周期表にスペースがあり、新しい元素がこのスペースを埋める必要があると信じていました。1898年6月にクリプトンが発見されてから1か月後のラムジーは、ネオンを発見した。ヘリウムとアルゴンの間の空間を満たした元素。

方法論

ラムジーは、彼の以前の発見の中に隠された新しい元素、アルゴンの存在が疑われた。ラムジーとトラバーズは、彼らのアイデアをテストするために、空気から大量のアルゴンを得ることにしました。このため、彼らは空気の液化を生み出さなければなりませんでした。

次に、液体空気を蒸留してフラクションに分離し、より軽いフラクションで目的のガス状元素の存在を調べます。しかし、彼らは間違いを犯しました、明らかに彼らは液化空気を過熱し、そしてサンプルの多くを蒸発させました。

結局のところ、彼らは100 mLのサンプルしか持っていなかったので、ラムジー氏は、そのボリュームにアルゴンよりも軽い元素が存在する可能性は低いと確信していました。しかし、彼は残りのサンプル量にアルゴンより重い元素の可能性を探ることに決めました。

彼の考えに従って、彼は赤熱銅とマグネシウムを使用してガスから酸素と窒素を取り除きました。次に、残りのガスのサンプルを真空管に入れ、高電圧を加えてガスのスペクトルを取得しました。

予想通り、アルゴンが存在していましたが、彼らはスペクトルに2つの新しい輝線の出現に気づきました。1つは黄色でもう1つは緑で、どちらも観測されていません。

-名前の出現

RamseyとTraversは、一定圧力でのガスの比熱と一定体積でのガスの比熱の関係を計算し、その関係の値は1.66でした。この値は、個々の原子によって形成されたガスに対応しており、化合物ではないことを示しています。

したがって、彼らは新しいガスの存在下にあり、クリプトンが発見されていました。ラムジーはそれをクリプトンと呼ぶことにした。これはギリシャ語の「クリプト」から派生した言葉で、「隠された」という意味だ。ウィリアムラムジーは、これらの希ガスの発見により1904年にノーベル化学賞を受賞しました。

物理的及び化学的性質

外観

電場中で白熱白色を示すのは無色のガスです。

標準原子量

83,798 u

原子番号（Z）

融点

-157.37ºC

沸点

153,415ºC

密度

標準条件下：3,949 g / L

液体状態（沸点）：2.413 g / cm ³

相対ガス密度

値= 1の空気との関係では2.9。つまり、クリプトンは空気の3倍の密度です。

水溶性

20ºCで59.4 cm ³ / 1,000 g

三重点

115.775 Kおよび73.53 kPa

クリティカルポイント

209.48 Kおよび5.525 MPa

融合熱

1.64 kJ / mol

気化熱

9.08 kJ / mol

モルカロリー容量

20.95 J /（mol K）

蒸気圧

84 Kの温度では、圧力は1 kPaです。

電気陰性

ポーリングスケール上の3.0

イオン化エネルギー

最初：1,350.8 kJ / mol。

第二：2,350.4 kJ / mol。

第三：3,565 kJ / mol。

音の速さ

ガス（23ºC）：220 m / s

液体：1,120 m / s

熱伝導率

9.43・10 ^-3 W /（m・K）

注文

反磁性

酸化数

クリプトンは希ガスであるため、あまり反応せず、電子を損失または獲得しません。クラスレートKr ₈（H ₂ O）₄₆またはその水素化物Kr（H ₂）₄で発生するように、定義された組成の固体を形成できた場合、0または数0の酸化状態（Kr ⁰）で関与すると言われてい^ます。 ; つまり、その中性原子が分子のマトリックスと相互作用します。

ただし、クリプトンは、最も電気陰性度の高い元素であるフッ素と結合を形成すると、正式に電子を失う可能性があります。KrFに₂価の陽イオンのKrが存在するように、その酸化数が+2である²⁺（クリプトン²⁺ F ₂^-）と仮定されます。

反応性

1962年に二フッ化クリプトン（KrF ₂）の合成が報告されました。この化合物は、揮発性が高く、無色の結晶性固体であり、室温でゆっくりと分解します。しかし、-30℃で安定しています。フッ化クリプトンは、強力な酸化剤およびフッ素化剤です。

クリプトンは、-183°Cの放電管で組み合わせるとフッ素と反応し、KrF _2を形成します。この反応は、クリプトンとフッ素に-196°Cの紫外線が照射されたときにも発生します。

KrF ⁺およびKr ₂ F ₃⁺は、KrF ₂と強力なフッ化物アクセプターとの反応によって形成される化合物です。クリプトンは不安定な化合物の一部です：K（OTeF ₅）₂、それはクリプトンと酸素（Kr-O）の間に結合を持っています。

クリプトン-窒素結合は、HCΞN-Kr-Fカチオンに含まれています。クリプトン水素化物、KrH _2は、5 GPaを超える圧力で成長させることができます。

20世紀初頭には、この希ガスから考えられる反応性がゼロであることから、これらの化合物はすべて不可能と見なされていました。

構造と電子構成

クリプトン原子

クリプトンは希ガスであり、その価数全体がオクテットです。つまり、そのsおよびp軌道は電子で完全に満たされており、電子構成で検証できます。

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

動作する圧力または温度条件に関係なく（現在まで）単原子ガスです。したがって、その3つの状態は、ビー玉として想像できるKr原子の原子間相互作用によって定義されます。

これらのKr原子は、同族体（He、Ne、Arなど）と同様に、比較的小さく、電子密度も高いため、分極するのは簡単ではありません。つまり、これらの大理石の表面は、隣接する大理石に別の大理石を誘導する瞬間的な双極子を生成するためにそれほど変形されていません。

相互作用の相互作用

この理由により、Kr原子をまとめる唯一の力はロンドン散乱力です。しかしクリプトンの場合は非常に弱いため、原子が液体または結晶を定義するには低温が必要です。

ただし、これらの温度（それぞれ沸点と融点）は、アルゴン、ネオン、ヘリウムと比較して高くなっています。これは、クリプトンの原子質量が大きいためであり、原子半径が大きくなるため、分極性が高くなります。

たとえば、クリプトンの沸点は約-153ºCですが、希ガス（-186 argonC）、ネオン（-246ºC）、ヘリウム（-269ºC）の沸点は低くなります。つまり、そのガスは液相に凝縮するために、より低温（-273.15ºCまたは0 Kに近い）を必要とします。

ここで、それらの原子半径のサイズがそれらの相互作用にどのように直接関連しているかを確認します。同じことがそれぞれの融点、クリプトンが最終的に-157℃で結晶化する温度でも起こります。

クリプトンクリスタル

温度が-157°Cに下がると、Kr原子はゆっくりと接近してさらに合体し、面心立方構造（fcc）の白い結晶を定義します。したがって、現在、その分散力によって支配される構造秩序があります。

それについて多くの情報はありませんが、クリプトンfcc結晶は、非常に大きな圧力にさらされると、より高密度の相に結晶転移する可能性があります。Kr原子がよりグループ化されるコンパクトな六角形（hcp）のように。

また、この点を除けば、Kr原子はクラスレートと呼ばれる氷のかごに閉じ込められます。温度が十分に低い場合、クリプトンと水の混合結晶が存在する可能性があり、Kr原子が水分子に囲まれて配置されています。

見つけて入手する場所

雰囲気

クリプトンは大気中に拡散しており、ヘリウムとは異なり地球の重力場から逃れることができません。私たちが呼吸する空気では、その濃度は約1 ppmですが、これはガス状排出物によって異なる場合があります。それは火山の噴火、間欠泉、温泉、あるいはおそらく天然ガスの堆積物である。

水への溶解度が低いため、水圏での濃度は無視できる可能性があります。同じことがミネラルでも起こります。それらの中に閉じ込められるクリプトン原子はほとんどありません。したがって、この希ガスの唯一の発生源は空気です。

液化および分別蒸留

それを得るために、空気はすべての成分ガスが凝縮して液体を形成するように液化プロセスを通過する必要があります。次に、この液体は、低温で分別蒸留を適用することによって加熱されます。

酸素、アルゴン、窒素が蒸留されると、クリプトンとキセノンは残りの液体に残り、活性炭またはシリカゲルに吸着されます。この液体は、クリプトンを蒸留するために-153ºCに加熱されます。

最後に、収集されたクリプトンは、高温の金属チタンを通すことによって精製され、ガス状の不純物が除去されます。

同位体の分離が必要な場合、ガスはガラスカラムを通って上昇し、そこで熱拡散します。軽い同位体は上部に上がり、重い同位体は下部にとどまる傾向があります。したがって、たとえば⁸⁴ Krと⁸⁶ Krの同位体は、下部で別々に収集されます。

クリプトンは、周囲圧力のPyrexガラス球、または気密鋼タンクに保管できます。パッケージングする前に、分光法による品質管理を受けて、そのスペクトルが一意であり、他の要素のラインを含まないことを証明します。

核分裂

クリプトンを取得する別の方法は、ウランとプルトニウムの核分裂にあり、そこから放射性同位体の混合物も生成されます。

同位体

クリプトンは、6つの安定同位体として自然界で発生します。これらは、地球上で対応する存在量とともに、⁷⁸ Kr（0.36％）、⁸⁰ Kr（2.29％）、⁸² Kr（11.59％）、⁸³ Kr（11.50％）、⁸⁴ Krです。（56.99％）と⁸⁶ Kr（17.28％）。⁷⁸ Krが放射性同位体です。しかし、その半減期（t _1/2）は非常に長く（9.2・10 ²¹年）、実際には安定していると見なされています。

これが、標準の原子質量（原子量）が83.798 uであり、⁸⁴ Kr 同位体の84 uに近い理由です。

微量では、放射性同位元素⁸¹ Kr（t _1/2 = 2.3・10 ⁵）も検出されます。これは、⁸⁰ Krが宇宙線を受けたときに生成されます。既に言及した同位体に加えて、存在する二つの合成放射性同位体：⁷⁹のKr（T _1/2 = 35時間）、⁸⁵ Krを（T _1/2 = 11歳）。後者は、ウランとプルトニウムの核分裂の産物として生成されるものです。

リスク

クリプトンは、通常の条件下では反応せず、強力な酸化剤と混合した場合に火災の危険性もないため、無毒の要素です。このガスの漏れは危険をもたらしません。直接呼吸しない限り、酸素を置換して窒息させる。

Kr原子は代謝反応に関与することなく体内に入り、体から排出されます。ただし、肺に到達して血液を通じて輸送されるはずの酸素を置換する可能性があるため、個人は麻酔や低酸素症などの症状に苦しむ可能性があります。

そうでなければ、私たちは常に空気のあらゆる呼吸でクリプトンを呼吸します。今、その化合物に関しては、話は異なります。たとえば、KrF ₂は強力なフッ素化剤です。したがって、それは、陰イオンFを「与える」^-それが遭遇する生物学的マトリックスのあらゆる分子に、潜在的に危険である。

おそらく、クリプトンクラスレート（氷の檻に閉じ込められている）は、毒性をもたらす特定の不純物がない限り、それほど危険ではありません。

用途

高速カメラからのフラッシュは、クリプトンの励起によるものです。出典：Mhoistion

クリプトンは、アーティファクトや照明用に設計されたデバイスの周りのさまざまなアプリケーションに存在します。たとえば、黄緑色の「ネオン」の一部です。クリプトンの「合法的な」ライトは白色です。これは、その発光スペクトルが可視スペクトルのすべての色を網羅しているためです。

クリプトンの白色光は、非常に強くて速いため、実際には写真に使用されており、高速カメラのフラッシュや空港の滑走路での瞬間的なフラッシュに最適です。

同様に、この白色光を放射する放電管は、カラフルな紙で覆うことができ、他のガスを使用して励起する必要なしに、多くの色の光を表示する効果を与えます。

それは、それらの耐用年数を延ばすためにタングステンフィラメント電球に追加され、同じ目的でアルゴン蛍光灯に追加され、それらの強度を低下させ、それらのコストを増加させます（アルゴンよりも高価であるため）。

クリプトンが白熱電球のガス状の充填物を構成するとき、それはその明るさを増加させ、より青みがかったようにします。

レーザー

光のショーで見られる赤いレーザーは、ヘリウム-ネオン混合物ではなくクリプトンのスペクトル線に基づいています。

一方、クリプトンを使用すると、フッ化クリプトン（KrF）の強力な紫外線レーザーを製造できます。このレーザーは、フォトリソグラフィー、医療手術、核融合分野の研究、固体材料や化合物の微細加工（レーザーの作用により表面を改質）に使用されます。

メーターの定義

1960〜1983年の間、1メートルの正確な長さを定義するために、⁸⁶ Kr 同位体の赤オレンジ色のスペクトル線の波長（1,650,763.73を掛けた）が使用されました。

核兵器の検出

放射性同位元素⁸⁵ Krは核活動の産物の1つであるため、検出された場合、核兵器の爆発があったか、またはそのエネルギーの違法または秘密の活動が行われていることを示しています。

薬

クリプトンは、麻酔薬、X線吸収材、心臓異常の検出器として、またレーザーで目の網膜を正確かつ制御された方法で切断するために医学で使用されてきました。

その放射性同位元素は、核医学での用途、肺内の空気と血液の流れの研究とスキャン、患者の気道の核磁気共鳴画像の取得にも使用できます。

参考文献

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クリプトン：歴史、特性、構造、獲得、リスク、用途 - 化学 - 2025

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