氪(Krypton:希腊语kryptos,意思是“隐藏”或“隐藏”),稀有气体元素,位于元素周期表的第四周期零族,元素符号为Kr,原子序数为36,摩尔质量为84g/mol,相对分子质量为83.80,原子质量为83.798,电子排布为[Ar]4s23d104p6,是1898年5月30日苏格兰化学家威廉·拉姆齐(William Ramsay)爵士和英国化学家莫里斯·M·特拉弗斯(Morris William Travers)在研究液化空气时发现的一种无色无味的气体。[2]
氪是一种“惰性”气体,它的特点是其明亮的绿色和橙色光谱线。[2]氪存在于空气中的程度约为1ppm,火星的大气层被发现含有0.3ppm的氪。[2]固体氪是一种白色结晶物质,具有面心立方结构。[2]氪在自然界中含有六种稳定的同位素:78氪,80氪,82氪,83氪,84氪,86氪,其中最丰富的同位素为84氪,为57.0%。[2]
受限于从空中获取氪的高成本,氪用于高速摄影中使用的某些类型的摄影闪光灯。[2]一些荧光灯泡充满了氪气和氩气的混合物以提高荧光灯管的亮度,氪气还与其他气体结合,形成发出绿黄色光的发光标志。[2]氪的同位素应用广泛,其中81氪的单原子被用作地下水研究的连续测定;[3]85Kr在医疗上用作显踪剂以揭示血液的通路并量化血流速[4]以及科研上用于大气监测计划来跟踪原子设施对周围环境的影响;[5]工业上85Kr还被用作电器指示灯的照明元件,可以与荧光粉结合使用,以制造在黑暗中发光的材料。[2]
氪本身无毒性,但氪的麻醉性比空气高7倍以上,因此氪气过量可使空气中氧分压下降,在没有警告的情况下引起缺氧窒息或头晕。[2]液化气中的氪气最初比空气重,并沿地面扩散,接触气体或液化气体可能会导致灼伤、严重伤害和冻伤。[6]吸入含有50%氪和50%空气的气体所引致的麻醉相当于在4倍大气压力之下吸入空气,也相当于在30米水深潜水。[7]
受到氪气伤害时,应呼叫紧急医疗服务,确保医务人员了解所涉及的材料,采取预防措施保护自己。[6]在安全的情况下将受害者转移到新鲜空气中。[6]如果受害者没有呼吸,则进行人工呼吸;如果呼吸困难应尽快吸氧。[6]冷冻到皮肤上的衣服在脱下之前应解冻,如果与液化气接触,用温水解冻并磨砂接触部位,让受害者保持冷静和温暖。[6]皮肤产生冻伤则用大量清水冲洗,不要脱掉衣服。[6][8]眼部受到伤害时先用大量清水冲洗几分钟(如果可能的话,请摘下隐形眼镜)然后就医。[6][8]
发现过程
1898年5月24日苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士(William Ramsay)获得汉普逊(Hampson)送来的少量液态空气。[9]威廉·拉姆齐(William Ramsay)爵士和英国化学家莫里斯·M·特拉弗斯(Morris William Travers)让液态空气蒸发,易挥发(沸点较低)的组分从液态中先走出来,留下不易挥发(沸点较高)的组分。[9]
1898年5月30日,他们又用赤热的铜和镁将沸点较高的组分中残留的氧和氮除去,研究了这个剩余部分蒸气的光谱,发现除氩线外,还有两条明亮的谱线,一条黄的,一条绿的。[7]黄色的线比氦线略带绿色,这是以前从来没有见到过的,这表明在这个残留的气体中除氩外还有另一种新的气体。[7]威廉·拉姆齐(William Ramsay)决定把它叫做氪krypton(Kr)。[2]他们测定了氪的密度约等于41,原子量约等于82,因此应当把氪放置在元素周期表金属铷的前面。[9]
威廉·拉姆齐(William Ramsay)爵士在 1894 年至 1898 年间发现了五种新元素:氦、氖、氩、氪和氙;这些元素元素周期表中成为了一个全新的组,并为理解原子的电子结构以及这些电子将原子结合成分子的方式提供了基石。由于这项工作,威廉·拉姆齐爵士于1904年获得了诺贝尔化学奖。[10]
命名由来
氪的英文名为krypton,来源于希腊语kryptos,意思是“隐藏”或“隐藏”。[2]
后续发展
1960年,国际上一致认为长度的基本单位米,应该用86Kr的橙红色光谱线来定义,这取代了巴黎的标准米,而巴黎的标准米被定义为由铂铱合金制成的棒材。[7]
氪和其他惰性气体一样不易与其他物质产生化学作用,[2]但1962年首次合成出氙的化合物后,最容易制造的氪化合物二氟化氪()也在1963年成功合成。同年,格罗泽等人宣布合成出四氟化氪(),但后来证实为鉴定错误。[9]
分布情况
氪元素在地球的含量并不多,地球大气中氪(Kr)的含量为0.000.114%。[11]天然氪是6种稳定同位素的混合物,由铀裂变和其他核反应产生的氪的放射性同位素约有20种。[2]
空气是氪唯一的工业来源,氪存在于空气中的程度约为1 ppm。[7]在矿石和陨石中只发现了痕量的氪,火星的大气层被发现含有0.3ppm的氪。[11]
固体氪是一种具有面心立方结构的白色结晶物质。[7]
物理性质
氪(Kr)在常温条件下为无色无味的气体,比空气约重2倍。[2]密度为0.003733 g/cm³,熔点-157.37°C,沸点为153.415°C,临界温度为-62.35℃,临界压力为5.500KPa,原子体积为38.9cm3/mol,地壳中含量为0.00001ppm,晶体结构为面心立方晶胞 ,原子层排布为。[9]
化学性质
氪(Kr)是元素周期表第四周期第0族元素中的稀有气体,原子序数为36,质子数为36,摩尔质量为84。[2]
氪的光谱线很容易产生,有些非常锋利。[7]
氪与氟气同置于一放电管中时可以化合生成二氟化氪:,的稳定性相对较差,在是较为稳定。[7]
和反应会得出不稳定的[2]
和在-50℃反应则会得出存在氪氮链的正离子[2]
氪的电离能[2] 1350.7 2350 3565 5070 6240 7570 10710 12200 22229 28900
同位素
自然界中存在的氪含有六种稳定的同位素:78氪,80氪,82氪,83氪,84氪,86氪,它们的体积比为78氪(0.35%)、80氪(2.25%)、82氪(11.6%)、83氪(11.5%)、84氪(57%)、86氪(17.3%),其他17种不稳定同位素也已得到确认。[2]
81氪半衰期为230年,是大气反应的产物,可以与其他天然氪同位素一同制备。[12]氪在接近地表水时极易挥发,但81氪可用于鉴定地下水的年代(可推算5万至80万年前)。[3]
85氪是非活性的、放射性的惰性气体,半衰期为10.76年,会由铀和钚的裂变释出,例如核武器爆炸和核反应堆都会释出85氪,在回收核反应堆的燃料棒时都会释出。[2]因为大多核反应堆都位于北半球,北极的85氪浓度比南极的高约30%。[12]
| 同位素[13] | 质量数[2] | 半衰期[2] | 原子质量[13] | 丰度[13] |
|---|---|---|---|---|
| 78氪 | 78 | 稳定± >110Ey | 77.920 366 | 0.003 55 |
| 80氪 | 80 | 稳定 | 79.916 378 | 0.022 86 |
| 82氪 | 82 | 稳定 | 81.913 481 15 | 0.115 93 |
| 83氪 | 83 | 稳定 | 82.914 126 52 | 0.115 00 |
| 84氪 | 84 | 稳定 | 3.911 497 73 | 3.911 497 73 |
| 86氪 | 86 | 稳定 | 85.910 610 63 | 0.172 79 |
二氟化氪(KrF₂)
氪与氟反应可得二氟化氪(KrF₂),二氟化氪(KrF₂)是具有挥发性的无色固体以克量制备,可以通过多种方法制成。[12]
单质氟合成的各种氟化合物中,二氟化氪(KrF₂)是唯一通过吸热反应而生成的,这意味着二氟化氪(KrF₂)是一种比单质氟的氧化能力更强的物质。[12]

制备
放电合成法
在较高的的压力下,对1:1或2:1比例的氟和氪混合物放电,可得到二氟化氪。[14]由于单质氟有剧毒,因而改用含氟化合物如二氟二氯甲烷,在高频放电下同氪反应,也可制得二氟化氪,如果反应过程采用循环法,产率可显著提高。[14]
高能辐射法
用能量为10MeV的质子流,在133K的温度下辐照氪和氟的混合物,可得到二氟化氪。[13]
光化学合成法
在一定温度下,用适宜波长的紫外光照射氪和氟的混合物,亦可以合成二氟化氪,最佳反应温度是−196℃(77K)。[15]
氢化氪(Kr(H 2 ) 4 )
Kr(H 2 ) 4 通过单晶同步加速器X射线衍射解决,是面心立方结构(FCC),氪原子在FCC位点形成孤立的八面体,旋转紊乱的H2分子占据四个不同的间隙位点,与四个拉曼活性H的观察结果一致。[16]Kr(H 2 ) 4 扩大了压力稳定、富氢 vdW 固体的范围,并且与两种已知的稀有气体Xe(H2)8和 Ar(H2)2揭示了氢分子堆积随着稀有气体原子序数的增加而增加的变化。[16]
制备
在压缩下,惰性气体与氢等闭壳分子形成化学计量范德华 (vdW) 化合物,从而产生各种不寻常的结构。[17]在压力>=5.3 GPa的金刚石砧高压单元中合成了 Kr(H2)4,表征其结构和振动特性至50 GPa以上。[17]
氙化氪(KrXe)
Ar25(KrXe)50
稀有气体团簇原子间存在着弱相互作用力,在分子光谱学及理论化学领域,其结构与性质的研究是一项重要任务,针对 Ar、Kr和Xe等稀有气体团簇,围绕着电子与几何结构已开展了大量的实验与理论方面的研究。[19]应用自适应免疫优化算法优化三元Ar-Kr-Xe团簇最 稳定结构。[19]优化结果显示Ar25KrnXe50-n (n = 1–49)团簇可被分为2种类型,即28个多四面体不规则结构以及21个由4个双二十面体相连构成的环状结构。[19]这些结构中Ar原子位于结构的内层,Kr与Xe原子均分布在外层,其中Kr原子更倾向于占据最外层的顶点位置。[19]
结构
氪是一种单分子气态化合物,包含36个质子,48个中子。[20] 这些质子和中子都形成带正电的原子核,即任何原子的中心。 [20]为了成为电中性,36 个电子在不同的轨道上围绕原子核旋转。[12]电子按照泡利不相容原理、洪德多重性法则和奥夫鲍原理从低能量到高能量填充在不同的轨道上, 这些规则规定 s、p、d 和 f 轨道可以分别容纳 2、6、10 和 14 个电子,因此Kr 的电子构型变为 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6。[12]由于其完全填充的 4s 和 4p 轨道,氪的反应性要小得多。[4]

固体氪具有面心晶体结构,溶于水,在自然界中具有放射性。[2]

81氪的单原子探测
用原子阱捕获81氪需要首先将原子激发到一个亚稳量子态上。[21]科研人员研制成一种高亮度共振真空紫外灯,并将其应用于全光激发氪原子,从而避免了气体放电所带来的种种问题,[21]并提出了一种新的机理来解释真空紫外光子在氪气中传播时的“自吸收”现象——光子在氪气中多次散射后并未损失,而是其频率发生了偏移,在保持光源高亮度特征的同时,减小了光频偏移,建成了基于全光激发的氪原子阱,并达到了每小时1800个81氪原子的探测速率。[21]对于古地下水研究和寻找百万年前形成的冰芯等科学问题,这种原子阱超灵敏分析工具带来了新的研究机遇。[21]
电光源领域
氪气可充填高级电子管、实验室用的连续紫外光灯等;[21]氪灯节省电能,使用寿命长、发光率高、体积小,如长寿氪灯是矿井的重要光源;[12]用氪气还能制成不需要电能的原子灯;[12]氪灯的透射率特别高,不仅可用作摄影闪光灯,还可用作夜战中越野战车的照射灯光、飞机跑道灯等;[21]氪可与其他气体混合用作发光告示牌、白炽灯等;[12]氪气还用于高压水银灯、钠灯、锆点光源、闪光灯、频闪观测器、电压管、计数放电管和气体继电器等。[22]
科研医疗领域
氪气可用于充填游离(电离)室,以测量高能射线(宇宙射线),并可用作X射线工作时的遮光材料;[23][24]氪气可用于气体激光器和等离子流中;[21]液氪可用于粒子探测器的气泡室;[25][26]氪的同位素86Kr可作为长度的国际基准标定元素。[2]
医学
患者可以吸入气态放射性85Kr,然后被吸收到血液中,从而能够研究患者的血流,运动85Kr可以用辐射探测器作显踪剂进行追踪,[26]以揭示血液的通路并量化血流速。[4][27][25]
法医学和人类学
85Kr(半衰期为10.7年)已被用于大气监测计划来跟踪原子设施对周围环境的影响。[2]85Kr与核裂变反应堆燃料元件中的钚共同生成,可在距离核反应堆乏燃料秘密分离钚的区域短距离(即1至5公里)进行监测,区别在于85大气中的Kr水平被用来估计每周分离的钚量。[2]
窗玻璃制造业领域
中空玻璃窗制造业是氪气较大的消费市场,该用途占全部氪产量40%~50%之多,空气、氩、氪用于生产双层和三层中空窗,在窗保温中,氪气通常与氩气混合使用来降低成本,氩气与氪气及一些其它气体混合充填窗占所有节能中空窗的70%以上。[21]
材料领域
放射性同位素氪(85Kr)可以用作密闭容器的检漏,通过将放射性气体放入容器内并测量放射性量来检测容器泄露,[4][2]同时还可以进行材料厚度的连续测定。[4]
氪由于其完全填充的 4s 和 4p 轨道使得自身反应性要小得多,因此可作为材料的耐腐蚀、耐磨性能的标记。[4]
地质年代学领域
85Kr在地球上的自然产量很少,但由于与核工业有关的人类活动,它在大气中的浓度稳步增加。[1]85氪通过水与空气的平衡进入海洋、湖泊和地下水,85Kr作为核反应堆的裂变产物在陆地上产生,并与惰性气体一起释放到大气中。[7][3]它也通过宇宙射线中子活化反应在大气中产生84氪 (n, γ)85氪。[9][28]因此,85Kr比活性可用于确定水从大气中分离以来的时间, 这种方法为氚(3H)作为十年时间尺度上海洋环流和地下水年龄的指标的使用提供了有价值的补充。[2][27]
氪稳定同位素在高层大气中通过宇宙射线诱导的散裂和中子活化反应产生放射性81Kr,半衰期约为2.1×105年。[2]在大气中,81Kr具有化学惰性,停留时间长;由于这些特征,预计81Kr具有相对恒定且约束良好的大气源。[28][3][29]天然宇宙成因81氪是从空气中掺入渗透地下水中,并已用于确定地下水在时间尺度上的年龄,范围超过106年。[2][29][27]
工业领域
85Kr已被用作电器指示灯的照明元件,可以与荧光粉结合使用,以制造在黑暗中发光的材料。[2]当辐射来自85Kr撞击荧光粉。[2]85Kr可用于通过将放射性气体放入容器内并测量(使用辐射检测装置)放射性量来检测容器泄漏85氪逃脱了,由于气体是惰性的,Kr不会与容器中的其他任何东西发生反应。[2]
空分法
合成氨尾气法
核反应堆裂变气法
低温精馏法
利用组分沸点之差异,通过多次的部分冷凝和部分蒸发的过程,在精馏塔内使组分分离。[24]比如在氪、氙粗制系统,利用氪、氙与氧沸点之差异,在贫氪塔内精馏,将氧气与氪、氙气分离,在塔底获取贫氪—氙气混合物。[12][24]氪、氙精制系统净化杂质也可用到精馏法。此法中精馏塔的设计是关键。[22]
吸附法
利用吸附剂(如分子筛、活性炭等)具有选择吸附的特点,将组分分离或提纯。[22]氪气、氙气制备中,精制提纯、净化杂质都可用到此法,关键是吸附剂的选择。[24]采用大型色谱柱制备氪气、氙气,也是属于吸附法的范畴。[24]
催化反应法
利用催化剂使组分中杂质发生化学反应,再将生成物去除,达到净化提纯目的,这种方法往往与吸附法联用。[12][30]氪、氙精制系统中,危险、有害杂质—甲烷等碳氢化合物的去除,就是用专用催化剂使其在氧氛围中燃烧,生成二氧化碳和水分,再用专用吸附剂将二氧化碳和水分吸收、净化。[24]催化反应法的关键是催化剂的选择应用。[12]
提取工艺法
氪气提取工艺复杂,技术难度大,生产操作程序要求极为严格,要经受高压、低温考验,并要使用特殊设备与材料,而且安全、防爆和防漏也至关重要。[12]氪气、氙气制备一般分为两个阶段:阶段俗称粗制系统,大型、特大型空分设备低温精馏提取贫氪—氙混合物,在空分设备冷箱内完成,大气要经过压缩、冷却、吸附、膨胀制冷、精馏、净化和换热等多道工序;[5]第二阶段俗称精制系统,将贫氪—氙混合物精制到高纯产品,要经过加压、催化、吸附、换热、精馏和净化等多道工序。[12][24][22]
健康危害
氪本身无毒性,但氪的麻醉性比空气高7倍以上,因此氪气过量可使空气中氧分压下降,在没有警告的情况下引起缺氧窒息或头晕。[2]吸入含有50%氪和50%空气的气体所引致的麻醉相当于在4倍大气压力之下吸入空气,也相当于在30米水深潜水。[7]液化气中的氪气最初比空气重,并沿地面扩散,接触气体或液化气体可能会导致灼伤、严重伤害和冻伤。[6]
急救措施
呼叫紧急医疗服务,确保医务人员了解所涉及的材料,采取预防措施保护自己。[6]在安全的情况下将受害者转移到新鲜空气中。[6]
如果受害者没有呼吸,则进行人工呼吸;如果呼吸困难应尽快吸氧。[6]
冷冻到皮肤上的衣服在脱下之前应解冻,如果与液化气接触,用温水解冻并磨砂接触部位,让受害者保持冷静和温暖。[6]
吸入急救
呼吸新鲜空气,休息,情况严重可能需要人工呼吸。[6][8]
皮肤急救
冻伤时:用大量清水冲洗,不要脱掉衣服。[6][8]
眼部急救
首先用大量清水冲洗几分钟(如果可能的话,请摘下隐形眼镜),然后就医。[6][8]
安全标识
象形图[32]
GHS分类
GHS[32]危险说明危险等级H280含有加压气体;加热可能会爆炸压力下的气体H281含有冷冻气体;可能导致低温烧伤或损伤压力下的气体
消防措施
参考资料 33
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