크립톤

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배경

크립톤은 원소 주기율표에서 화학 원소 번호 36입니다. 그것은 비활성 기체로 알려진 원소 그룹에 속합니다. 다른 비활성 기체는 헬륨, 네온, 아르곤, 크세논 및 라돈입니다. 정상적인 조건에서 크립톤은 무색, 무미, 무취의 기체입니다. 상온 및 압력에서 밀도는 갤런당 약 0.5온스(리터당 3.7g)로 공기보다 거의 3배 무겁습니다. 극저온에서 크립톤은 액체 또는 고체로 존재할 수 있습니다. 크립톤의 끓는점은 -243.81°F(-153.23°C)이고 어는점은 -251.27°F(-157.37°C)에서 약간 낮습니다.

천연 크립톤은 6개의 안정한 동위 원소의 혼합물입니다. 동위 원소는 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 다른 원자입니다. 양성자의 수(원자 번호)는 존재하는 원소를 결정하는 반면, 양성자와 중성자의 총 수는 원자의 원자량을 결정합니다. 크립톤의 동위원소는 모두 36개의 양성자를 가지며 원자량에 따라 명명됩니다. 48개의 중성자를 가진 크립톤-84는 가장 흔한 동위원소로 천연 ​​크립톤의 57%를 차지합니다. 크립톤의 다른 안정 동위원소는 크립톤-86(중성자 50개, 17.3%)입니다. 크립톤-82(46개의 중성자, 11.6%); 크립톤-83(47개의 중성자, 11.5%); 크립톤-80(44개의 중성자, 2.25%); 및 크립톤-78(42개의 중성자, 0.35%)

크립톤은 불안정한 방사성 동위원소로도 존재할 수 있습니다. 이 동위 원소는 핵 반응 중에 생성됩니다. 약 20개의 방사성 동위원소가 생성된 크립톤. 크립톤-85를 제외한 이들 동위원소는 모두 매우 불안정하여 반감기가 몇 시간 이하입니다. (방사성 물질의 반감기는 물질 샘플에 있는 원자의 절반이 방사성 붕괴를 겪는 데 필요한 시간입니다.) 36개의 양성자와 49개의 중성자를 가진 크립톤-85는 훨씬 더 안정적입니다. -10.73년의 수명.

크립톤은 형광등의 아르곤과 함께 밝기를 개선하고 백열등의 질소와 함께 사용하여 수명을 연장합니다. 그것은 또한 고속 사진에 사용하기 위해 매우 짧은 시간 동안 매우 밝은 빛을 생성하기 위해 플래시 전구에 사용됩니다. 방사성 크립톤-85는 금속 표면의 작은 결함을 찾는 데 사용할 수 있습니다. 가스는 이러한 결함에 모이는 경향이 있으며 그 방사능을 감지할 수 있습니다.

연혁

희가스는 꽤 최근까지 인류에게 완전히 알려지지 않았습니다. 그들의 존재에 대한 첫 번째 힌트는 1785년 영국의 화학자 Henry Cavendish가 공기에 질소보다 반응성이 덜한 미지의 물질이 소량 포함되어 있음을 발견했을 때 나왔습니다. 19세기 후반까지 이 물질에 대해 알려진 바는 없습니다.

한편, 영국의 천문학자 Joseph Norman Lockyer는 1868년에 새로운 원소를 발견했습니다. 태양의 빛을 분석하여 그는 헬륨이라고 이름을 붙인 미지의 원소를 발견했습니다. 헬륨은 그리스어 helios (태양). 헬륨은 25년 이상 동안 지구에 존재하지 않은 것으로 알려져 있습니다.

1894년 영국의 물리학자 레일리 경(John William Strutt)과 스코틀랜드 여과된 공기는 고압으로 압축되어 온도가 상승합니다. 압축 공기는 챔버 내에서 빠르게 팽창하여 코딩됩니다. 이 급격한 팽창은 코일에서 열을 흡수하여 압축 공기를 냉각시킵니다. 공기 중에 존재하는 대부분의 기체가 액체로 변할 때까지 압축과 팽창 과정을 반복합니다. 화학자 William Ramsay는 공기에서 얻은 질소와 암모니아에서 얻은 질소의 밀도 차이를 발견했습니다. 그들은 곧 대기의 질소가 미지 물질의 소량과 혼합되어 있음을 발견했습니다. 마그네슘을 사용하여 질소를 흡수함으로써 그들은 그리스어 argos 에서 아르곤이라고 명명한 물질을 분리할 수 있었습니다. (비활성), 다른 물질과 반응하지 않기 때문입니다.

1895년 Ramsay와 그의 조수 Morris William Travers는 광물 클레바이트가 가열될 때 아르곤과 헬륨을 방출한다는 것을 발견했습니다. 지구에서 헬륨이 발견된 것은 이번이 처음입니다. 1898년 Ramsay와 Travers는 액체로 냉각된 공기로부터 세 가지 새로운 요소를 얻었습니다. 그들은 이 원소들의 이름을 그리스어 kryptos 에서 krypton이라고 명명했습니다. (숨겨진); 네온, 그리스어 neos 에서 (새로운); 및 크세논, 그리스어 xenos (이상한).

1900년 독일 화학자 프리드리히 돔(Friedrich Dom)은 방사성 원소인 라듐이 붕괴하면서 헬륨과 알려지지 않은 방사성 가스를 방출했다고 기록했습니다. 1910년에 Ramsay와 그의 조수인 Robert Whytlaw-Gray는 이 미지의 기체의 밀도를 측정하고 라틴어 nitere 에서 이름을 niton이라고 명명했습니다. (빛나다), 방사능으로 인해 액체로 냉각될 때 빛을 발하기 때문입니다. 나중에 라돈으로 알려지게 된 니톤은 마지막으로 발견된 비활성 기체였습니다. 1904년 램지는 희가스 연구로 노벨 화학상을 수상했습니다.

비활성 기체는 이전에 희가스 또는 불활성 기체로 알려져 있었습니다. 나중에 일부는 매우 일반적이고 일부는 완전히 반응하지 않는 것으로 나타났습니다. 헬륨은 우주에서 두 번째로 흔한 원소이며 아르곤은 지구 대기의 약 1%를 차지합니다. 1962년 Neil Bartlett는 희가스의 첫 번째 화합물인 크세논 백금 육불화물을 만들었습니다. 같은 해에 라돈 화합물이, 1963년에 크립톤 화합물이 만들어졌습니다. 더 이상 희귀하거나 불활성인 것으로 생각되지 않은 이 원소는 희가스로 알려지게 되었습니다. 이른바 귀금속(금, 은, 백금 등)과 마찬가지로 산소와 반응하지 않습니다.

크립톤은 미터의 길이가 크립톤-86에서 방출되는 주황색-적색 빛의 파장의 1,650,763.73배로 정의되었을 때 1960년부터 1983년까지 과학에서 중요한 역할을 했습니다. 미터는 나중에 진공에서 빛의 속도로 정의되었지만 크립톤은 과학 연구에서 계속 사용됩니다.

크립톤 및 기타 가스를 액체 공기에서 분리하기 위해 공기 분별증류(fractional distillation)라고 하는 과정에서 천천히 데워집니다. 각 액체가 기체로 변하는 고유한 온도가 있다는 가정 하에 작동하는 분별 증류는 공기 내의 기체를 한 번에 하나씩 분리합니다.

생 재료

크립톤의 흔적은 다양한 광물에서 발견되지만 크립톤의 가장 중요한 출처는 지구의 대기입니다. 공기는 또한 헬륨(천연 가스에서 얻음)과 라돈(방사성 원소 붕괴의 부산물로 얻음)을 제외한 다른 희가스의 가장 중요한 공급원입니다. 해수면에서 건조한 공기는 78.08%의 질소와 20.95%의 산소를 포함합니다. 또한 0.93% 아르곤, 0.0018% 네온, 0.00052% 헬륨, 0.00011% 크립톤 및 0.0000087% 크세논을 포함합니다. 건조한 공기의 다른 성분으로는 이산화탄소, 수소, 메탄, 산화질소 및 오존이 있습니다.

크립톤은 원자력 발전소에서 발생하는 우라늄의 핵분열에서도 얻을 수 있습니다. 크립톤의 안정 동위원소만 포함하는 공기와 달리 이 과정은 크립톤의 안정 동위원소와 방사성 동위원소를 모두 생성합니다.

제조
프로세스

액체 공기 만들기

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1 먼저 공기가 필터를 통과하여 먼지와 같은 입자상 물질을 제거합니다. 그런 다음 깨끗한 공기는 물과 이산화탄소를 제거하는 알칼리(강염기성 물질)에 노출됩니다.

2 깨끗하고 건조한 공기를 고압으로 압축합니다. 압축은 공기의 온도를 올리기 때문에 냉각을 통해 냉각됩니다.

3 냉각되고 압축된 공기는 빈 챔버를 통해 감기는 코일을 통과합니다. 정상보다 약 200배 높은 압력으로 압축된 공기의 일부는 챔버로 확장됩니다. 이 급격한 팽창은 코일에서 열을 흡수하여 압축 공기를 냉각시킵니다. 압축과 팽창 과정은 공기가 약 -321F(-196°C)의 온도로 냉각될 때까지 반복되며, 이 온도에서 공기 중 대부분의 가스는 액체로 변환됩니다.

기체 분리

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4 끓는점이 매우 낮은 기체는 액체로 변환되지 않으며 다른 기체에서 직접 제거할 수 있습니다. 이러한 가스에는 헬륨, 수소 및 네온이 포함됩니다.

5 분별 증류로 알려진 공정은 액체 공기에서 발견되는 다양한 요소를 분리합니다. 이 과정은 서로 다른 물질이 서로 다른 온도에서 액체에서 기체로 변형된다는 사실에 의존합니다.

6 액체 공기를 천천히 따뜻하게 합니다. 온도가 올라감에 따라 끓는점이 가장 낮은 물질은 기체가 되고 나머지 액체에서 제거될 수 있습니다. 아르곤, 산소 및 질소는 액체 공기가 따뜻해짐에 따라 기체로 변환되는 첫 번째 물질입니다. 크립톤과 크세논은 끓는점이 더 높으며 공기의 다른 구성 요소가 기체가 될 때 액체 상태를 유지합니다.

크세논에서 크립톤 분리

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7 액체 크립톤과 크세논은 실리카겔이나 활성탄에 흡수됩니다. 그런 다음 다시 한 번 분별 증류를 거칩니다. 액체 혼합물은 크립톤이 기체로 변할 때까지 천천히 가열됩니다. 크세논은 끓는점이 다소 높으며 액체로 남아 있습니다.

8 뜨거운 티타늄 금속 위에 크립톤을 통과시켜 정제합니다. 이 물질은 희가스를 제외한 모든 원소를 제거하는 경향이 있습니다.

크립톤의 동위 원소 분리

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9 대부분의 경우 크립톤을 패키징할 준비가 되었습니다. 그러나 일부 과학적 목적을 위해서는 크립톤의 6가지 안정 동위 원소 중 하나만이 필요합니다. 이러한 동위원소를 분리하기 위해 열확산으로 알려진 공정이 사용됩니다. 이 과정은 동위 원소의 밀도가 약간 다르다는 사실에 달려 있습니다.

10 크립톤 가스를 긴 수직 유리관에 넣습니다. 가열된 와이어가 이 튜브의 중앙을 수직으로 통과합니다. 열선은 튜브 내에서 대류 전류를 설정합니다. 이 뜨거운 공기의 흐름은 더 가벼운 동위 원소를 제거할 수 있는 튜브의 상단으로 옮기는 경향이 있습니다.

포장 및 배송

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11 크립톤 가스는 상압에서 파이렉스(Pyrex)와 같은 강한 유리의 전구에, 고압에서 강철 용기에 포장됩니다. 크립톤은 반응성이 매우 낮은 물질이기 때문에 매우 안전합니다. 무독성, 비폭발성, 불연성이므로 배송 시 특별한 주의사항이 필요하지 않습니다.

품질 관리

크립톤 생산의 품질 관리에서 가장 중요한 요소는 최종 제품에 크립톤만 포함되도록 하는 것입니다. 분별 증류 공정은 크립톤을 포함하여 공기로부터 매우 순수한 생성물을 생산하는 지점까지 발전되었습니다.

무작위 크립톤 샘플은 분광 분석을 통해 순도를 테스트합니다. 이 과정은 빛을 방출할 때까지 물질을 가열하는 것을 포함합니다. 그런 다음 빛은 햇빛이 무지개를 생성하는 것과 같은 방식으로 스펙트럼을 생성하기 위해 프리즘이나 격자를 통과합니다. 분광 분석은 가스 연구에 특히 적합합니다. 가열된 가스는 순수한 크립톤 스펙트럼에 날카롭고 밝은 선을 생성하는 경향이 있기 때문에 불순물이 있는지 여부를 알 수 있기 때문입니다.

부산물/폐기물

크립톤은 액체 공기의 분별 증류에 의해 생성되는 많은 귀중한 요소 중 하나일 뿐입니다. 공기의 4분의 3 이상이 질소로 구성되어 있습니다. 질소는 다양한 화합물, 특히 암모니아를 생산하는 데 사용됩니다. 산소보다 반응성이 훨씬 낮기 때문에 질소는 많은 물질을 산화로부터 보호하는 데 사용됩니다. 액체 질소는 동결 건조 및 냉장에 사용됩니다.

공기의 약 1/5은 산소로 구성되어 있습니다. 철강 산업은 순수 산소의 가장 큰 소비자입니다. 산소는 이산화탄소의 형태로 철강에서 과잉 탄소를 ​​제거하는 데 사용됩니다. 산소는 또한 하수를 처리하고 고형 폐기물을 소각하는 데 사용됩니다. 액체 산소는 로켓 연료로 사용됩니다.

크립톤 이외의 공기에서 얻은 희가스에는 아르곤, 네온 및 크세논이 있습니다. 아르곤은 특정 유형의 전구에 사용됩니다. 낮은 압력에서 네온이 들어 있는 유리관에 전류를 흐르게 하면 익숙한 네온 사인이 생성됩니다. 크세논은 강렬하고 짧은 빛의 폭발을 생성하기 위해 스트로보 조명에 사용됩니다.

미래

크립톤의 미래 생산은 원자력 생산의 미래에 영향을 받을 가능성이 있습니다. 크립톤은 핵분열의 부산물로 생성될 수 있기 때문에 원자력 발전소는 미래에 중요한 크립톤 공급원이 될 수 있습니다. 반면에 핵분열이 핵융합이나 다른 형태의 에너지 생산으로 대체된다면 크립톤은 거의 전적으로 대기의 산물로 남게 될 것입니다.