คริปทอน
คริปตอน (จากภาษากรีกโบราณ: κρυπτός , โรมันไนซ์ : kryptos ' ผู้ซ่อนเร้น' ) เป็นธาตุทางเคมีมีสัญลักษณ์Krและเลขอะตอม 36 เป็นก๊าซเฉื่อย ที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น พบได้ในปริมาณเล็กน้อยในชั้นบรรยากาศและมักใช้ร่วมกับก๊าซหายากอื่นๆ ในหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์คริปตอนเป็นธาตุเฉื่อยทางเคมี
เช่นเดียวกับก๊าซเฉื่อยอื่นๆ คริปตอนถูกนำมาใช้ในด้านแสงสว่างและการถ่ายภาพแสงคริปตอนมีเส้นสเปกตรัม หลายเส้น และพลาสมา คริปตอน มีประโยชน์ในเลเซอร์ก๊าซที่มีความสว่างสูงและกำลังสูง (เลเซอร์ไอออนคริปตอนและเลเซอร์เอ็กไซเมอร์) ซึ่งแต่ละชนิดจะเกิดการสั่นพ้องและขยายเส้นสเปกตรัมเพียงเส้นเดียวฟลูออไรด์คริปตอนยังเป็นตัวกลางเลเซอร์ ที่มีประโยชน์อีกด้วย ตั้งแต่ปี 1960 ถึงปี 1983 นิยามอย่างเป็นทางการของเมตรนั้นอิงตามความยาวคลื่น ของเส้นสเปกตรัมเส้นหนึ่งของคริปตอน -86 เนื่องจากกำลังสูงและความสะดวกในการใช้งานของหลอดปล่อย ประจุคริปตอน
ประวัติศาสตร์
คริปตอนถูกค้นพบในบริเตนในปี ค.ศ. 1898 โดยวิลเลียม แรมเซย์นักเคมีชาวสก็อต และมอร์ริส ทราเวอร์สนักเคมีชาวอังกฤษ ในสารตกค้างที่เหลือจากการระเหยส่วนประกอบเกือบทั้งหมดของอากาศเหลวนีออนถูกค้นพบด้วยกระบวนการที่คล้ายกันโดยคนงานกลุ่มเดียวกันเพียงไม่กี่สัปดาห์ต่อมา[ 13 ]วิลเลียม แรมเซย์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีใน ปี ค.ศ. 1904 จากการค้นพบก๊าซเฉื่อยหลาย ชนิด รวมถึงคริปตอน[ 14 ]
ในปี พ.ศ. 2503 สำนักงานมาตรวิทยาสากลได้กำหนดหน่วยเมตรเป็น 1,650,763.73 ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาในสุญญากาศ ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับ 2p และ 5d ในไอโซโทปคริปตอน-86 [ 15 ] [ 16 ]ข้อตกลงนี้ได้เข้ามาแทนที่ต้นแบบเมตรสากล ในปี พ.ศ. 2432 ซึ่งเป็นแท่งโลหะที่ตั้งอยู่ในเมืองเซฟร์สนอกจากนี้ยังทำให้คำจำกัดความของอังสตรอม ในปี พ.ศ. 2460 ซึ่งอิงตามเส้นสเปกตรัม สีแดง ของแคดเมียม นั้นล้าสมัยไปด้วย [ 17 ]โดยแทนที่ด้วย 1 Å = 10 −10 m คำจำกัดความของคริปตอน-86 ยังคงอยู่จนถึงการประชุมในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2526 ซึ่งได้กำหนดหน่วยเมตรใหม่เป็นระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในช่วงเวลา 1/299,792,458 วินาที[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
ลักษณะเฉพาะ
คริปตอนมีลักษณะเฉพาะคือเส้นการปล่อยแสงที่คมชัดหลายเส้น ( ลายเซ็นสเปกตรัม ) โดยเส้นที่แรงที่สุดคือสีเขียวและสีเหลือง[ 21 ]คริปตอนเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ของการแตกตัวของยูเรเนียม[ 22 ] คริปตอนที่เป็นของแข็งมีสีขาวและมี โครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ศูนย์กลางหน้าซึ่งเป็นคุณสมบัติทั่วไปของก๊าซเฉื่อยทั้งหมด (ยกเว้นฮีเลียมซึ่งมีโครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยมอัดแน่น) [ 23 ]
ไอโซโทป
คริปตอนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในชั้นบรรยากาศของโลกประกอบด้วยไอโซโทปเสถียร 5 ชนิด บวกกับไอโซโทปอีก 1 ชนิด ( 78Kr ) ที่มี ครึ่งชีวิตยาวนานมาก(9.2× 10²¹ปี) จนสามารถถือได้ว่าเป็นไอโซโทปเสถียร (ไอโซโทปนี้มีครึ่งชีวิตยาวนานเป็นอันดับสามในบรรดาไอโซโทปทั้งหมดที่สังเกตการสลายตัวได้ โดยจะเกิดการจับอิเล็กตรอนสองครั้งเป็น78Se ) [ 12 ] [ 24 ]นอกจากนี้ยังพบ ไอโซโทปและ ไอโซเมอร์ ที่ไม่เสถียรอีกประมาณ 30 ชนิด [ 25 ] นอกจากนี้ยังพบ ร่องรอยของ81Krซึ่งเป็นนิวไคลด์ที่เกิดจากรังสีคอสมิกที่ฉาย รังสี 80Krในธรรมชาติไอโซโทป นี้ เป็นกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิต 230,000 ปี คริปตอนมีความระเหยสูงและไม่คงอยู่ในสารละลายในน้ำผิวดิน แต่81Krถูกนำมาใช้ในการหา อายุ ของน้ำใต้ดินที่มีอายุมาก (50,000–800,000 ปี) [ 26 ]
85Kr เป็นก๊าซเฉื่อยกัมมันตรังสี ที่มีครึ่งชีวิต 10.76 ปี เกิดจากการแตกตัวของยูเรเนียมและพลูโตเนียมเช่น ใน การทดสอบ ระเบิดนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์85Krถูกปล่อยออกมาในระหว่างการแปรรูปแท่งเชื้อเพลิงจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ความเข้มข้นที่ขั้วโลกเหนือสูงกว่าที่ขั้วโลกใต้ 30% เนื่องจากการผสมแบบพาความร้อน [ 27 ]
เคมี
เช่นเดียวกับก๊าซเฉื่อยอื่นๆ คริปตอนมีปฏิกิริยาทางเคมีต่ำมาก เคมีที่ค่อนข้างจำกัดของคริปตอนในสถานะออกซิเดชัน +2 คล้ายคลึงกับธาตุข้างเคียงอย่างโบรมีนในสถานะออกซิเดชัน +1 เนื่องจากการหดตัวของสแกนไดด์ทำให้การออกซิไดซ์ธาตุ 4p ไปสู่สถานะออกซิเดชันของกลุ่มทำได้ยาก จนกระทั่งถึงทศวรรษ 1960 ยังไม่มีการสังเคราะห์สารประกอบก๊าซเฉื่อย[ 28 ]
หลังจากการสังเคราะห์ สารประกอบ ซีนอน ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก ในปี 1962 การสังเคราะห์คริปตอนไดฟลูออไรด์ ( KrF) ก็ตามมา ) ได้รับการรายงานในปี พ.ศ. 2506 ในปีเดียวกันนั้นKrFได้รับการรายงานโดย Grosseและคณะ [ 29 ]แต่ต่อมาพบว่าเป็นการระบุที่ผิดพลาด [ 30 ]ภายใต้สภาวะสุดขั้ว คริปตอนจะทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเพื่อสร้าง KrFตามสมการต่อไปนี้:
- Kr + F → KrF
ก๊าซคริปตันในเลเซอร์คริปตันฟลูออไรด์ดูดซับพลังงานจากแหล่งกำเนิด ทำให้คริปตันทำปฏิกิริยากับก๊าซฟลูออรีน ก่อให้เกิดเอ็กซิเพล็กซ์คริปตันฟลูออไรด์ ซึ่งเป็นสารประกอบ ชั่วคราว ในสถานะพลังงานที่ถูกกระตุ้น: [ 31 ]
- 2Kr + F → 2KrF
สารประกอบเชิงซ้อนนี้สามารถเกิดการปล่อยแสงได้เองหรือถูกกระตุ้น ทำให้สถานะพลังงานลดลงไปสู่สถานะพื้นฐานที่ไม่เสถียรแต่มีแรงผลัก สูง สารประกอบเชิงซ้อนในสถานะพื้นฐานจะแตกตัวอย่างรวดเร็วกลายเป็นอะตอมที่ไม่ยึดเหนี่ยวกัน:
- 2KrF → 2Kr + F
ผลลัพธ์คือเลเซอร์เอ็กซิเพล็กซ์ซึ่งแผ่พลังงานที่ 248 นาโนเมตร ใกล้กับ ส่วน อัลตราไวโอเลตของสเปกตรัมซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะพื้นฐานและสถานะกระตุ้นของคอมเพล็กซ์[ 32 ]
สารประกอบที่มีคริปตอนเชื่อมต่อกับอะตอมอื่นที่ไม่ใช่ฟลูออรีนก็ถูกค้นพบเช่นกัน นอกจากนี้ยังมีรายงานที่ไม่ได้รับการตรวจสอบเกี่ยวกับเกลือแบเรียม ของกรดออกโซค ริปตอน [ 34 ]ไอออนหลายอะตอมAr Kr +และ Kr H + ได้รับการตรวจสอบ แล้วและมีหลักฐานสำหรับ Kr Xeหรือ KrXe + [ 35 ]
ปฏิกิริยาของKrFกับB(OTeF) )ก่อให้เกิดสารประกอบที่ไม่เสถียรKr(OTeF) )ซึ่งมีพันธะคริปตอน-ออกซิเจนคริปตอน-ไนโตรเจนพบได้ในแคตไอออน[HC≡N–Kr–F] +ผลิตโดยปฏิกิริยาของKrFที่มี [HC≡NH] +[AsF − ] ต่ำกว่า −50 °C [ 36 ] [ 37 ] HKrCN และ HKrC≡CH (คริปตอนไฮไดรด์-ไซยาไนด์และไฮโดรคริปโตอะเซทิลีน) มีรายงานว่ามีความเสถียรถึง40 K [ 28 ]
ผลึก คริปตันไฮไดรด์ (Kr(H ) ) สามารถปลูกได้ที่ความดันสูงกว่า 5 GPa พวกมันมีโครงสร้างลูกบาศก์แบบศูนย์กลางหน้าซึ่งคริปตันออกตาเฮดราถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลไฮโดรเจนที่วางตัวแบบสุ่ม[ 33 ]
ไอออนคริปโทเนียม KrH +เป็นไอออนออนเนียมที่ประกอบด้วยคริปตอนที่ถูกโปรตอน คริปโทเนียมเป็นที่รู้จักในสถานะก๊าซเจือจาง[ 38 ]แม้ว่าเกลือของไอออนฟลูออโรคริปโทเนียม KrF +จะเป็นที่ทราบกันว่ามีอยู่ แต่การมีอยู่ของเกลือคริปโทเนียมยังไม่ได้รับการพิสูจน์[ 39 ]
ในปี 1989 เบิร์กแมนมัวร์พิเมนเทลและคณะ ได้ทำการสลายด้วย แสงของสารประกอบ เชิงซ้อนโรเดียม(I) Cp*Rh(CO) (Cp* = เพนทาเมทิลไซโคลเพนทาได อีนิล ) โดยใช้เลเซอร์ XeCl แบบพัลส์ (308 นาโนเมตร) ในตัวทำละลาย Kr เหลวที่มีความดันสูง ที่อุณหภูมิระหว่าง −80 ถึง −120 °C และสังเกตการเกิด Cp*Rh(CO)(Kr) ซึ่งระบุได้ด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดโดยการยืดตัวของโลหะ-คาร์บอนิลที่ 1946 cm⁻¹ สารประกอบนี้สลายตัวด้วยค่าคงที่อัตราk = 5 × 10³ s⁻¹ที่−80 °C สารประกอบเชิงซ้อน Xe ที่คล้ายกัน ซึ่งมีสัญญาณอินฟราเรดที่ 1943 cm⁻¹ มีความเสถียรมากกว่าและสามารถสังเกตได้ที่ −30 °C ใน Xe เหลวที่มีความดันสูงเชื่อกันว่าสารประกอบ Cp*Rh(CO) ที่มีปฏิกิริยาสูงและชั่วคราวซึ่งเกิดขึ้นจากการสลายตัวด้วยแสงจะประสานและแทรกเข้าไปในพันธะ C–H ของไซโคลเฮกเซนและแอลเคนอื่นๆ (R–H) ภายใต้สภาวะเหล่านี้เพื่อให้ได้สารประกอบเชิงซ้อนแอลเคน σ Cp*Rh(CO)(R–H) และสารประกอบเชิงซ้อนโรเดียม(III) แอลคิล Cp*Rh(CO)(R)(H) เมื่อเกิด การ เติมออกซิเดชัน[ 40 ] [ 41 ]
ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ
โลกยังคงรักษาก๊าซเฉื่อยทั้งหมดที่มีอยู่ตั้งแต่เริ่มก่อตัว ยกเว้นฮีเลียมความเข้มข้นของคริปตอนในชั้นบรรยากาศอยู่ที่ประมาณ 1 ppmสามารถสกัดได้จากอากาศเหลวโดยการกลั่นแยกส่วน[ 42 ]ปริมาณคริปตอนในอวกาศไม่แน่นอน เนื่องจากการวัดได้มาจากกิจกรรมของอุกกาบาตและลมสุริยะ การวัดครั้งแรกบ่งชี้ว่ามีคริปตอนจำนวนมากในอวกาศ[ 43 ]
แอปพลิเคชัน
เส้นการปล่อยหลายเส้นของคริปตันทำให้การปล่อยก๊าซคริปตันไอออนไนซ์ปรากฏเป็นสีขาว ซึ่งทำให้หลอดไฟที่ใช้คริปตันมีประโยชน์ในการถ่ายภาพในฐานะแหล่งกำเนิดแสงสีขาว คริปตันถูกใช้ในแฟลชถ่ายภาพบางชนิดสำหรับการถ่ายภาพ ความเร็วสูง นอกจากนี้ ก๊าซคริปตันยังถูกผสมกับปรอทเพื่อทำป้ายเรืองแสงที่เปล่งแสงสีเขียวอมฟ้าสดใส[ 44 ]
คริปตอนถูกผสมกับอาร์กอนในหลอดฟลูออเรสเซนต์ประหยัดพลังงาน ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงาน แต่ก็ลดปริมาณแสงที่ส่องออกมาและเพิ่มต้นทุนด้วย[ 45 ]คริปตอนมีราคาสูงกว่าอาร์กอนประมาณ 100 เท่า คริปตอน (รวมถึงซีนอน) ยังถูกใช้เติมในหลอดไส้เพื่อลดการระเหยของไส้หลอดและช่วยให้สามารถใช้งานที่อุณหภูมิ สูงขึ้น ได้[ 46 ]
บางครั้งการปล่อยประจุสีขาวของคริปตอนถูกใช้เป็นเอฟเฟกต์ทางศิลปะในหลอด "นีออน" การปล่อยประจุแก๊ส คริปตอนผลิตพลังงานแสงได้สูงกว่านีออนมากในบริเวณเส้นสเปกตรัมสีแดง และด้วยเหตุนี้ เลเซอร์สีแดงสำหรับงานแสดงแสงเลเซอร์กำลังสูงจึงมักเป็นเลเซอร์คริปตอนที่มีกระจกที่เลือกเส้นสเปกตรัมสีแดงสำหรับการขยายและการปล่อยเลเซอร์ มากกว่าเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนที่คุ้นเคยกันมากกว่า ซึ่งไม่สามารถให้กำลังเอาต์พุตหลายวัตต์ได้เท่ากัน[ 47 ]
เลเซอร์คริปตันฟลูออไรด์มีความสำคัญใน การวิจัยพลังงาน ฟิวชั่นนิวเคลียร์ในการทดลองการกักเก็บเลเซอร์มีความสม่ำเสมอของลำแสงสูงความยาวคลื่น สั้น และขนาดจุดสามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อติดตามเม็ดที่ยุบตัว[ 48 ]
ในฟิสิกส์อนุภาค เชิง ทดลอง คริปตอนเหลวถูกนำมาใช้สร้างเครื่องวัดพลังงาน แม่เหล็กไฟฟ้าแบบกึ่งเอก รูป ตัวอย่างที่โดดเด่นคือเครื่องวัดพลังงานของ การทดลอง NA48ที่CERN ซึ่งบรรจุ คริปตอนเหลวประมาณ 27 ตัน การใช้งานแบบนี้พบได้น้อย เนื่องจาก อาร์กอน เหลว มีราคาถูกกว่า ข้อดีของคริปตอนคือรัศมีโมลิแยร์ ที่เล็กกว่า คือ 4.7 ซม. ซึ่งให้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ดีเยี่ยมโดยมีการทับซ้อนกันน้อย พารามิเตอร์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการวัดพลังงาน ได้แก่ความยาวการแผ่รังสี X₀ = 4.7 ซม และความหนาแน่น 2.4 กรัม/ ซม³
คริปตอน-83 มีการใช้งานในการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) สำหรับการถ่ายภาพทางเดินหายใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ช่วยให้รังสีแพทย์สามารถแยกแยะระหว่าง พื้นผิว ที่ไม่ชอบน้ำและพื้นผิวที่ชอบน้ำซึ่งมีทางเดินหายใจอยู่[ 49 ]
แม้ว่าซีนอนจะมีศักยภาพในการใช้ในการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) เพื่อประเมินการระบายอากาศเฉพาะที่ แต่คุณสมบัติในการดมยาสลบของมันจำกัดสัดส่วนของซีนอนในก๊าซหายใจไว้ที่ 35% ส่วนผสมของก๊าซหายใจที่มีซีนอน 30% และคริปตอน 30% มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับซีนอน 40% ในการตรวจ CT ในขณะที่หลีกเลี่ยงผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์จากความดันย่อยของก๊าซซีนอนที่สูง[ 50 ]ไอโซโทป คริปตอน-81m ที่ไม่เสถียรถูกใช้ในเวชศาสตร์นิวเคลียร์สำหรับการสแกนการระบายอากาศ/การไหลเวียนของ ปอด โดยจะสูดดมเข้าไปและถ่ายภาพด้วยกล้องแกมมา[ 51 ]คริปตอน-85 ในชั้นบรรยากาศถูกใช้เพื่อตรวจจับโรงงานแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ลับในเกาหลีเหนือ[ 52 ]และปากีสถาน[ 53 ] โรงงานเหล่า นั้นถูกตรวจพบในช่วงต้นทศวรรษ 2000 และเชื่อว่ากำลังผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธ คริปตอน-85 เป็นผลิตภัณฑ์ฟิสชัน ที่มีอายุปานกลาง ดังนั้นจึงหลุดออกมาจากเชื้อเพลิงใช้แล้วเมื่อปลอกหุ้มถูกถอดออก[ 54 ]
บางครั้งคริปตอนถูกใช้เป็นก๊าซฉนวนระหว่างกระจกหน้าต่าง[ 55 ] SpaceX Starlinkใช้คริปตอนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า[ 56 ]
ข้อควรระวัง
คริปตอนถือเป็นสารที่ทำให้หายใจ ไม่ออกที่ไม่เป็น พิษ[ 57 ]เนื่องจากมี คุณสมบัติชอบ ไขมันคริปตอนจึงมีฤทธิ์ทำให้สลบอย่างมีนัยสำคัญ (แม้ว่ากลไกของปรากฏการณ์นี้ยังไม่ชัดเจนทั้งหมด [ 58 ] แต่ก็มีหลักฐานที่ดีว่าคุณสมบัติทั้งสองมีความสัมพันธ์กันในเชิงกลไก) โดยมีฤทธิ์ทำให้สลบมากกว่าอากาศถึงเจ็ดเท่า และการหายใจเอาบรรยากาศที่มีคริปตอน 50% และอากาศธรรมชาติ 50% (ดังที่อาจเกิดขึ้นในบริเวณที่มีการรั่วไหล) จะทำให้ มนุษย์ สลบคล้ายกับการหายใจเอาอากาศที่ความดันสี่เท่าของความดันบรรยากาศ ซึ่งเทียบได้กับการดำน้ำลึกที่ระดับ30 เมตร (100 ฟุต)และอาจส่งผลกระทบต่อทุกคนที่หายใจเอาเข้าไป
อ่านเพิ่มเติม
- วิลเลียม พี. เคิร์ก"คริปตัน 85: การทบทวนวรรณกรรมและการวิเคราะห์อันตรายจากรังสี"สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อม สำนักงานวิจัยและตรวจสอบ วอชิงตัน (1972)
ลิงก์ภายนอก
- คริปตันในตารางธาตุแห่งวิดีโอ (มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม)
- เลเซอร์คริปตอนฟลูออไรด์ แผนกฟิสิกส์พลาสมา ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือ