الكريبتون: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، الحصول ، المخاطر ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و الكريبتون هو غاز النبيل الذي يمثله رمز الخمير الحمر، ويقع في مجموعة 18 من الجدول الدوري. إنه الغاز الذي يتبع الأرجون ، ووفرة منه منخفضة لدرجة أنه كان يعتبر مخفيًا ؛ من هنا يأتي اسمه. لا يوجد تقريبًا في الأحجار المعدنية ، ولكن في كتل من الغازات الطبيعية وبالكاد يذوب في البحار والمحيطات.

يستحضر اسمه وحده صورة سوبرمان وكوكبه كريبتون والكريبتونيت الشهير ، وهو حجر يضعف البطل الخارق ويحرمه من قواه الخارقة. يمكنك أيضًا التفكير في العملات المشفرة أو العملات المشفرة عندما تسمع عنها ، بالإضافة إلى المصطلحات الأخرى البعيدة عن هذا الغاز في جوهرها.

قارورة مع الكريبتون متحمس بسبب تفريغ كهربائي ويتوهج بالضوء الأبيض. المصدر: صور عالية الدقة للعناصر الكيميائية

ومع ذلك ، فإن هذا الغاز النبيل أقل إسرافًا و "خفية" مقارنة بالأرقام المذكورة أعلاه. على الرغم من أن افتقارها إلى التفاعلية لا يزيل كل الاهتمام المحتمل الذي يمكن أن يثيره في البحث الذي يركز على المجالات المختلفة ، لا سيما المجال المادي.

على عكس الغازات النبيلة الأخرى ، فإن الضوء المنبعث من الكريبتون عند الإثارة في مجال كهربائي أبيض (الصورة العلوية). لهذا السبب ، يتم استخدامه في العديد من الاستخدامات في صناعة الإضاءة. يمكن أن يحل محل أي ضوء نيون عمليًا وينبعث منه ضوء خاص به ، والذي يتميز بكونه أخضر مصفر.

يحدث في الطبيعة كمزيج من ستة نظائر مستقرة ، ناهيك عن بعض النظائر المشعة المخصصة للطب النووي. للحصول على هذا الغاز ، يجب تسييل الهواء الذي نتنفسه ، وتعرض سائله الناتج إلى التقطير الجزئي ، حيث يتم تنقية الكريبتون بعد ذلك وفصله إلى نظائره المكونة.

بفضل الكريبتون ، أصبح من الممكن التقدم في دراسات الاندماج النووي ، وكذلك في تطبيقات الليزر للأغراض الجراحية.

التاريخ

- اكتشاف العنصر المخفي

في عام 1785 ، اكتشف الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي هنري كافنديش أن الهواء يحتوي على نسبة صغيرة من مادة أقل نشاطًا من النيتروجين.

بعد قرن من الزمان ، عزل الفيزيائي الإنجليزي اللورد رايلي عن الهواء غازًا اعتقد أنه نيتروجين نقي. لكنه اكتشف بعد ذلك أنها كانت أثقل.

في عام 1894 ، تعاون الكيميائي الاسكتلندي ، السير ويليام رامزي ، لعزل هذا الغاز ، والذي تبين أنه عنصر جديد: الأرجون. بعد عام ، عزل غاز الهليوم عن طريق تسخين معدن الكليفايت.

اكتشف السير ويليام رامزي نفسه ، مع مساعده الكيميائي الإنجليزي موريس ترافيرز ، الكريبتون في 30 مايو 1898 في لندن.

اعتقد رامزي وترافرز أن هناك مسافة في الجدول الدوري بين عنصري الأرجون والهيليوم ، وكان على عنصر جديد أن يملأ هذا الفراغ. اكتشف رامزي ، بعد شهر من اكتشاف الكريبتون ، في يونيو 1898 ، النيون ؛ عنصر يملأ الفراغ بين الهيليوم والأرجون.

المنهجية

اشتبه رامسي في وجود عنصر جديد مخفي في اكتشافه السابق ، وهو عنصر الأرجون. قرر رامزي وترافرز ، لاختبار فكرتهم ، الحصول على كمية كبيرة من الأرجون من الهواء. لهذا كان عليهم إنتاج تسييل الهواء.

ثم قاموا بتقطير الهواء السائل لفصله إلى كسور واستكشاف الأجزاء الأخف لوجود العنصر الغازي المطلوب. لكنهم ارتكبوا خطأ ، على ما يبدو أنهم تسببوا في ارتفاع درجة حرارة الهواء المسال وتبخر الكثير من العينة.

في النهاية كان لديهم 100 مل فقط من العينة وكان رامزي مقتنعًا بأن وجود عنصر أخف من الأرجون في هذا الحجم أمر غير محتمل ؛ لكنه قرر استكشاف إمكانية وجود عنصر أثقل من الأرجون في حجم العينة المتبقي.

بعد تفكيره ، أزال الأكسجين والنيتروجين من الغاز باستخدام النحاس الأحمر الساخن والمغنيسيوم. ثم وضع عينة من الغاز المتبقي في أنبوب مفرغ ، مطبقًا عليها جهدًا عاليًا للحصول على طيف الغاز.

كما هو متوقع ، كان الأرجون موجودًا ، لكنهم لاحظوا ظهور خطين ساطعين جديدين في الطيف ؛ أحدهما أصفر والآخر أخضر ، وكلاهما لم يلاحظ قط.

- ظهور الاسم

قام رامزي وترافرز بحساب العلاقة بين الحرارة النوعية للغاز عند ضغط ثابت وحرارته النوعية عند حجم ثابت ، وإيجاد قيمة 1.66 لتلك العلاقة. تتوافق هذه القيمة مع غاز يتكون من ذرات فردية ، مما يدل على أنه ليس مركبًا.

لذلك ، كانوا في وجود غاز جديد وتم اكتشاف الكريبتون. قرر رامسي تسميتها كريبتون ، وهي كلمة مشتقة من الكلمة اليونانية "كريبتو" والتي تعني "مخفي". حصل ويليام رامزي على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1904 لاكتشافه هذه الغازات النبيلة.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

مظهر خارجي

إنه غاز عديم اللون يظهر اللون الأبيض المتوهج في مجال كهربائي.

الوزن الذري القياسي

83،798 ش

العدد الذري (Z)

36

نقطة الانصهار

-157.37 درجة مئوية

نقطة الغليان

153.415 درجة مئوية

كثافة

في ظل الظروف القياسية: 3949 جم / لتر

الحالة السائلة (نقطة الغليان): 2.413 جم / سم ³

كثافة الغاز النسبية

2.9 بالنسبة للهواء بقيمة = 1. أي أن كثافة الكريبتون أكبر بثلاث مرات من كثافة الهواء.

الذوبان في الماء

59.4 سم ³ / 1،000 جم عند 20 درجة مئوية

النقطة الثلاثية

115.775 كلفن و 73.53 كيلوباسكال

نقطة حرجة

209.48 كلفن و 5.525 ميجا باسكال

حرارة الانصهار

1.64 كيلوجول / مول

حرارة التبخير

9.08 كيلوجول / مول

قدرة السعرات الحرارية المولية

20.95 جول / (مول · ك)

ضغط البخار

عند درجة حرارة 84 كلفن ، يكون ضغطها 1 كيلو باسكال.

كهرسلبية

3.0 على مقياس بولينج

طاقة التأين

أولاً: 1350.8 كيلوجول / مول.

ثانياً: 2،350.4 كيلوجول / مول.

ثالثًا: 3565 كيلوجول / مول.

سرعة الصوت

الغاز (23 درجة مئوية): 220 م / ث

السائل: 1120 م / ث

توصيل حراري

9.43 · 10 ^-3 واط / (م · كلفن)

طلب

ديامغناطيسي

عدد التأكسد

الكريبتون ، كونه غازًا نبيلًا ، ليس شديد التفاعل ولا يفقد الإلكترونات أو يكتسبها. إذا تمكنت من تكوين مادة صلبة بتركيبة محددة ، كما يحدث مع clathrate Kr ₈ (H ₂ O) ₄₆ أو هيدريدها Kr (H ₂) ₄ ، فيقال إنها تشارك بعدد أو حالة أكسدة تساوي ⁰ (Kr ⁰) ؛ أي أن ذراته المحايدة تتفاعل مع مصفوفة من الجزيئات.

ومع ذلك ، يمكن أن يفقد الكريبتون الإلكترونات رسميًا إذا شكل روابط مع أكثر العناصر كهرسلبية على الإطلاق: الفلور. في KrF ₂ رقم الأكسدة الخاص به هو +2 ، لذلك من المفترض وجود الكاتيون ثنائي التكافؤ Kr ²⁺ (Kr ²⁺ F ₂ ^-).

التفاعلية

في عام 1962 ، تم الإبلاغ عن تركيب كريبتون ديفلوريد (KrF ₂). هذا المركب عبارة عن مادة صلبة بلورية شديدة التقلب وعديمة اللون وتتحلل ببطء في درجة حرارة الغرفة ؛ لكنها مستقرة عند -30 درجة مئوية. الكريبتون الفلورايد هو عامل مؤكسد وفلور قوي.

يتفاعل الكريبتون مع الفلور عند دمجه في أنبوب تفريغ كهربائي عند -183 درجة مئوية ، مكونًا KrF ₂. يحدث التفاعل أيضًا عند تعريض الكريبتون والفلور للإشعاع بالأشعة فوق البنفسجية عند -196 درجة مئوية.

KrF ⁺ و Kr ₂ F ₃ ⁺ عبارة عن مركبات تكونت من تفاعل KrF ₂ مع مستقبلات فلوريد قوية. الكريبتون جزء من مركب غير مستقر: K (OTeF ₅) ₂ ، والذي له رابطة بين الكريبتون والأكسجين (Kr-O).

تم العثور على رابطة الكريبتون-النيتروجين في كاتيون HCΞN-Kr-F. يمكن زراعة هيدريد الكريبتون ، KrH ₂ ، عند ضغوط تزيد عن 5 جيجا باسكال.

في بداية القرن العشرين ، اعتبرت كل هذه المركبات مستحيلة بالنظر إلى التفاعل الصفري الذي تم تخيله لهذا الغاز النبيل.

الهيكل والتكوين الإلكتروني

ذرة الكريبتون

الكريبتون ، كونه غازًا نبيلًا ، له كامل ثماني بتات التكافؤ ؛ أي أن مداريها s و p مملوءتان بالكامل بالإلكترونات ، والتي يمكن التحقق منها في تكوينها الإلكتروني:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶

إنه غاز أحادي الذرة بغض النظر (حتى الآن) عن ظروف الضغط أو درجة الحرارة التي تعمل عليه. لذلك ، يتم تحديد حالاتها الثلاث من خلال التفاعلات بين الذرات لذرات Kr الخاصة بها ، والتي يمكن تخيلها على أنها كرات رخامية.

ليس من السهل استقطاب ذرات Kr هذه ، مثل متجانساتها (He ، Ne ، Ar ، إلخ) ، لأنها صغيرة نسبيًا ولديها أيضًا كثافة إلكترون عالية ؛ أي أن سطح هذه الكرات غير مشوه بشكل ملحوظ لتوليد ثنائي أقطاب لحظي يحفز آخر في الرخام المجاور.

تفاعلات التفاعل

ولهذا السبب ، فإن القوة الوحيدة التي تربط ذرات Kr معًا هي قوة تشتت لندن ؛ لكنها ضعيفة جدًا في حالة الكريبتون ، لذا فإن درجات الحرارة المنخفضة مطلوبة لذراتها لتحديد السائل أو البلورة.

ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة هذه (نقاط الغليان والانصهار ، على التوالي) أعلى مقارنة بالأرجون والنيون والهيليوم. هذا بسبب الكتلة الذرية الأكبر للكريبتون ، والتي تعادل نصف قطر ذري أكبر وبالتالي أكثر قابلية للاستقطاب.

على سبيل المثال ، تبلغ درجة غليان الكريبتون -153 درجة مئوية تقريبًا ، بينما تكون درجة غليان الغازات النبيلة الأرجون (-186 درجة مئوية) والنيون (-246 درجة مئوية) والهيليوم (-269 درجة مئوية) أقل ؛ بمعنى أن غازاته تحتاج إلى درجات حرارة أكثر برودة (أقرب إلى -273.15 درجة مئوية أو 0 كلفن) لتتمكن من التكثيف في الطور السائل.

هنا نرى كيف يرتبط حجم نصف قطرها الذري ارتباطًا مباشرًا بتفاعلاتها. يحدث الشيء نفسه مع نقاط الانصهار الخاصة بكل منهما ، وهي درجة الحرارة التي يتبلور فيها الكريبتون أخيرًا عند -157 درجة مئوية.

كريستال الكريبتون

عندما تنخفض درجة الحرارة إلى -157 درجة مئوية ، تقترب ذرات Kr ببطء بما يكفي لتتحد أكثر وتحدد بلورة بيضاء بهيكل مكعب محوره الوجه (fcc). وهكذا ، يوجد الآن نظام هيكلي تحكمه قوى التشتت.

على الرغم من عدم وجود الكثير من المعلومات حول هذا الموضوع ، إلا أن بلورة الكريبتون fcc يمكن أن تخضع لتحولات بلورية إلى مراحل أكثر كثافة إذا تعرضت لضغوط هائلة ؛ مثل الشكل السداسي المضغوط (hcp) ، حيث سيتم تجميع ذرات Kr بشكل أكبر.

أيضًا ، دون ترك هذه النقطة جانبًا ، يمكن أن تُحاصر ذرات Kr في أقفاص جليدية تسمى clathrates. إذا كانت درجة الحرارة منخفضة بدرجة كافية ، فربما تكون هناك بلورات مختلطة من ماء الكريبتون ، مع ذرات Kr مرتبة ومحاطة بجزيئات الماء.

أين تجد والحصول عليها

الغلاف الجوي

ينتشر الكريبتون في جميع أنحاء الغلاف الجوي ، غير قادر على الهروب من مجال الجاذبية للأرض على عكس الهيليوم. في الهواء الذي نتنفسه ، يبلغ تركيزه حوالي 1 جزء في المليون ، على الرغم من أن هذا قد يختلف اعتمادًا على الانبعاثات الغازية ؛ سواء كانت ثورانات بركانية أو ينابيع حارة أو ربما رواسب غاز طبيعي.

نظرًا لأنه ضعيف الذوبان في الماء ، فمن المحتمل أن يكون تركيزه في الغلاف المائي ضئيلًا. يحدث الشيء نفسه مع المعادن. عدد قليل من ذرات الكريبتون يمكن أن يحتجز بداخلها. لذلك ، فإن المصدر الوحيد لهذا الغاز النبيل هو الهواء.

الإسالة والتقطير التجزيئي

للحصول عليه ، يجب أن يمر الهواء بعملية تسييل ، بحيث تتكثف جميع الغازات المكونة له وتشكل سائلًا. ثم يتم تسخين هذا السائل عن طريق تطبيق التقطير التجزيئي عند درجات حرارة منخفضة.

بمجرد أن يتم تقطير الأكسجين والأرجون والنيتروجين ، يظل الكريبتون والزينون في السائل المتبقي ، والذي يتم امتصاصه على الكربون المنشط أو هلام السيليكا. يسخن هذا السائل إلى -153 درجة مئوية لتقطير الكريبتون.

أخيرًا ، يتم تنقية الكريبتون المُجمع بالمرور عبر التيتانيوم المعدني الساخن ، والذي يزيل الشوائب الغازية.

إذا كان الفصل بين نظائره مرغوبًا ، فيتم جعل الغاز يرتفع عبر عمود زجاجي حيث يخضع للانتشار الحراري ؛ سترتفع النظائر الأخف نحو الأعلى ، بينما تميل النظائر الأثقل إلى البقاء في الأسفل. وهكذا ، فإن نظير ⁸⁴ Kr و ⁸⁶ Kr ، على سبيل المثال ، يجمعان بشكل منفصل في الأسفل.

يمكن تخزين الكريبتون في لمبات زجاج بايركس تحت الضغط المحيط أو في خزانات فولاذية محكمة الإغلاق. قبل تغليفها تخضع لمراقبة الجودة بواسطة التحليل الطيفي ، للتأكد من أن طيفها فريد ولا يحتوي على خطوط لعناصر أخرى.

الانشطار النووي

هناك طريقة أخرى للحصول على الكريبتون تكمن في الانشطار النووي لليورانيوم والبلوتونيوم ، والذي ينتج منه أيضًا مزيج من نظائرهما المشعة.

النظائر

يوجد الكريبتون في الطبيعة على شكل ستة نظائر مستقرة. هذه ، مع الوفرة المقابلة لها على الأرض ، هي: ⁷⁸ كرونا (0.36٪) ، ⁸⁰ كرونا (2.29٪) ، ⁸² كرونا (11.59٪) ، ⁸³ كرونا (11.50٪) ، ⁸⁴ كرونا. (56.99٪) و ⁸⁶ كرونا (17.28٪). و ⁷⁸ الخمير الحمر هو نظير مشع. لكن فترة نصف العمر (t _1/2) طويلة جدًا (9.2 · 10 ²¹ سنة) بحيث تعتبر مستقرة عمليًا.

هذا هو السبب في أن كتلته الذرية القياسية (الوزن الذري) هي 83.798 u ، أقرب إلى 84 u من نظير ⁸⁴ Kr.

في الكميات النزرة ، تم العثور أيضًا على النظير المشع ⁸¹ Kr (t _1/2 = 2.3 · 10 ⁵) ، والذي ينتج عندما يتلقى ⁸⁰ Kr أشعة كونية. بالإضافة إلى النظائر التي سبق ذكرها ، هناك نوعان من النظائر المشعة الاصطناعية: ⁷⁹ Kr (t _1/2 = 35 ساعة) و ⁸⁵ Kr (t _1/2 = 11 سنة) ؛ هذا الأخير هو ما يتم إنتاجه كنتاج للانشطار النووي لليورانيوم والبلوتونيوم.

المخاطر

يعتبر الكريبتون عنصرًا غير سام ، حيث لا يتفاعل في الظروف العادية ، ولا يمثل خطر نشوب حريق عند مزجه بعوامل مؤكسدة قوية. تسرب هذا الغاز لا يشكل أي خطر. ما لم تتنفس مباشرة ، مما يؤدي إلى إزاحة الأكسجين والتسبب في الاختناق.

تدخل ذرات Kr وتطرد من الجسم دون المشاركة في أي تفاعل أيضي. ومع ذلك ، يمكنهم إزاحة الأكسجين الذي يجب أن يصل إلى الرئتين وينتقل عبر الدم ، لذلك قد يعاني الفرد من التخدير أو نقص الأكسجة ، بالإضافة إلى حالات أخرى.

وإلا فإننا نتنفس الكريبتون باستمرار في كل نفس من الهواء. الآن ، فيما يتعلق بمركباتها ، القصة مختلفة. على سبيل المثال ، KrF ₂ هو عامل فلور قوي ؛ وبالتالي ، فإنه "يعطي" الأنيونات F ^- لأي جزيء من المصفوفة البيولوجية يواجهه ، والذي يحتمل أن يكون خطيرًا.

من المحتمل أن مادة الكريبتون clathrate (المحاصرة في قفص جليدي) ليست خطيرة بشكل كبير ، إلا إذا كانت هناك شوائب معينة تضيف سمية.

التطبيقات

ومضات الكاميرات عالية السرعة ترجع جزئيًا إلى إثارة الكريبتون. المصدر: Mhoistion

الكريبتون موجود في تطبيقات مختلفة حول القطع الأثرية أو الأجهزة المصممة للإضاءة. على سبيل المثال ، هو جزء من "أضواء النيون" ذات اللون الأخضر المصفر. أضواء Krypton "القانونية" بيضاء ، حيث يشمل طيف انبعاثها جميع الألوان في الطيف المرئي.

في الواقع ، تم استخدام الضوء الأبيض للكريبتون للصور الفوتوغرافية ، لأنها شديدة وسريعة للغاية ، ومثالية لمضات الكاميرا عالية السرعة ، أو للومضات اللحظية على مدارج المطارات.

كما أن أنابيب التفريغ الكهربائي التي ينبعث منها هذا الضوء الأبيض يمكن تغطيتها بأوراق ملونة ، مما يعطي تأثير عرض الأضواء بألوان عديدة دون الحاجة إلى الإثارة باستخدام غازات أخرى.

يضاف إلى مصابيح خيوط التنجستن لزيادة عمرها الإنتاجي ، ولمصابيح الأرجون الفلورية للغرض نفسه ، وكذلك تقليل شدتها وزيادة تكاليفها (لأنها أغلى من الأرجون).

عندما يشكل الكريبتون الحشو الغازي في المصابيح المتوهجة ، فإنه يزيد من سطوعها ويجعلها أكثر زرقة.

الليزر

تعتمد أشعة الليزر الحمراء التي تظهر في عروض الضوء على الخطوط الطيفية للكريبتون بدلاً من خليط الهيليوم والنيون.

من ناحية أخرى ، يمكن صنع أشعة الليزر فوق البنفسجية القوية باستخدام الكريبتون: تلك الموجودة في فلوريد الكريبتون (KrF). يستخدم هذا الليزر في الليثوغرافيا الضوئية والعمليات الجراحية الطبية والأبحاث في مجال الاندماج النووي والتصنيع الدقيق للمواد الصلبة والمركبات (تعديل سطحها من خلال عمل الليزر).

تعريف العداد

بين عامي 1960 و 1983 ، تم استخدام الطول الموجي للخط الطيفي الأحمر البرتقالي للنظير ⁸⁶ Kr (مضروبًا في 1،650،763.73) ، من أجل تحديد الطول الدقيق لمتر واحد.

كشف الأسلحة النووية

نظرًا لأن النظير المشع ⁸⁵ Kr هو أحد منتجات النشاط النووي ، حيث يُعد اكتشافه مؤشرًا على حدوث تفجير لسلاح نووي ، أو أنه يتم تنفيذ أنشطة غير قانونية أو سرية للطاقة المذكورة.

الدواء

تم استخدام الكريبتون في الطب كمخدر ، وممتص للأشعة السينية ، وكاشف عن شذوذ القلب ، ولقطع شبكية العين بأشعة الليزر بطريقة دقيقة ومنضبطة.

كما أن للنظائر المشعة تطبيقات في الطب النووي ، لدراسة وفحص تدفق الهواء والدم داخل الرئتين ، والحصول على صور بالرنين المغناطيسي النووي للممرات الهوائية للمريض.

المراجع

1. جاري جيه شروبيلجن. (28 سبتمبر 2018). كريبتون. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com
2. ويكيبيديا. (2019). كريبتون. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. مايكل بيلجارد. (2016 ، 16 يوليو). التفاعلات الكيميائية الكريبتون. تم الاسترجاع من: pilgaardelements.com
4. علم البلورات 365. (16 نوفمبر 2014). مادة رائعة للغاية - التركيب البلوري لكريبتون. تم الاسترجاع من: crystallography365.wordpress.com
5. دكتور دوج ستيوارت. (2019). حقائق كريبتون العنصر. كيميكول. تم الاسترجاع من: chemicool.com
6. ماركيز ميغيل. (سادس). كريبتون. تم الاسترجاع من: nautilus.fis.uc.pt
7. أدفاميغ. (2019). كريبتون. كيف تصنع المنتجات. تم الاسترجاع من: madehow.com
8. AZoOptics. (25 أبريل 2014). Krypton Fluoride Excimer Laser - الخصائص والتطبيقات. تم الاسترجاع من: azooptics.com