クリプトン

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背景

クリプトンは、元素の周期表の化学元素番号36です。それは希ガスとして知られている元素のグループに属しています。他の希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、およびラドンです。通常の状態では、クリプトンは無色、無味、無臭のガスです。常温常圧での密度は1ガロンあたり約0.5オンス（1リットルあたり3.7 g）で、空気の約3倍の重さがあります。極低温では、クリプトンは液体または固体として存在する可能性があります。クリプトンの沸点は-243.81°F（-153.23°C）であり、その凝固点は-251.27°F（-157.37°C）でわずかに低くなっています。

天然クリプトンは、6つの安定同位体の混合物です。同位体は、陽子の数は同じですが、中性子の数が異なる原子です。陽子の数（原子番号）はどの元素が存在するかを決定し、陽子と中性子の総数は原子の原子量を決定します。クリプトンの同位体はすべて36個の陽子を持ち、原子重量にちなんで名付けられています。 48個の中性子を持つクリプトン-84は最も一般的な同位体であり、天然のクリプトンの57％を占めています。クリプトンの他の安定同位体はクリプトン86（50中性子、17.3％）です。クリプトン-82（46中性子、11.6％）;クリプトン-83（47中性子、11.5％）;クリプトン-80（44中性子、2.25％）;およびクリプトン-78（42中性子、0.35％）

クリプトンは、不安定な放射性同位元素としても存在する可能性があります。これらの同位体は、核反応中に生成されます。クリプトンの約20の放射性同位体が生成されました。クリプトン85を除くこれらの同位体はすべて非常に不安定で、半減期は数時間以下です。 （放射性物質の半減期は、物質のサンプル中の原子の半分が放射性崩壊するのに必要な時間です。）36個の陽子と49個の中性子を持つクリプトン85は、半分ではるかに安定しています。 -10。73年の寿命。

クリプトンは、蛍光灯のアルゴンと一緒に使用して明るさを改善し、白熱灯の窒素と一緒に使用して寿命を延ばします。また、高速度撮影で使用するために、フラッシュバルブで非常に短い時間で非常に明るい光を生成するために使用されます。放射性クリプトン85は、金属表面の小さな欠陥を見つけるために使用できます。ガスはこれらの欠陥に集まる傾向があり、その放射能を検出することができます。

歴史

希ガスはごく最近まで人類には完全に知られていませんでした。彼らの存在の最初のヒントは、英国の化学者ヘンリー・キャベンディッシュが、空気に窒素よりも反応性の低い未知の物質が少量含まれていることを発見した1785年に起こりました。この物質については、19世紀後半まで他に何も知られていませんでした。

一方、イギリスの天文学者、ジョセフノーマンロッキャーは1868年に新しい元素を発見しました。太陽からの光を分析することで、ギリシャ語の helios から、ヘリウムと名付けた未知の元素を検出しました。 （太陽）。ヘリウムが地球上に存在することは、四半世紀以上の間知られていませんでした。

1894年、イギリスの物理学者、レイリー卿（ジョン・ウィリアム・ストラット）とスコットランド人 ろ過された空気は高圧下で圧縮され、温度が上昇します。次に、圧縮空気は、チャンバー内で急速に膨張することによってコード化されます。この突然の膨張はコイルから熱を吸収し、圧縮空気を冷却します。空気中に存在するほとんどのガスが液体に変わるまで、圧縮と膨張のプロセスが繰り返されます。 化学者のウィリアム・ラムゼーは、空気から得られる窒素とアンモニアから得られる窒素の密度の違いを発見しました。彼らはすぐに、大気中の窒素が少量の未知の物質と混合されていることを発見しました。マグネシウムを使用して窒素を吸収することにより、彼らは、ギリシャ語の argos から、アルゴンと名付けた物質を分離することができました。 （非アクティブ）、他の物質と反応しなかったため。

1895年、ラムゼイと彼の助手であるモリスウィリアムトラバースは、鉱物のクレバイトが加熱されるとアルゴンとヘリウムを放出することを発見しました。ヘリウムが地球上で検出されたのはこれが初めてでした。 1898年、ラムゼイとトラバーズは、液体に冷却された空気から3つの新しい元素を取得しました。彼らはこれらの要素をギリシャ語の kryptos からクリプトンと名付けました。 （隠れた）;ネオン、ギリシャ語の neos （新着）;ギリシャ語の xenos からのキセノン （変）。

1900年、ドイツの化学者フリードリッヒ・ドムは、放射性元素のラジウムが崩壊するにつれてヘリウムと未知の放射性ガスを放出したことに注目しました。 1910年、ラムゼイと彼の助手であるロバートワイトローグレイは、この未知のガスの密度を決定し、ラテン語の nitere からニトンと名付けました。 （輝く）、なぜならその放射能が液体に冷やされたときにそれを輝かせたからです。後にラドンとして知られるニトンは、発見された最後の希ガスでした。 1904年、ラムゼイは希ガスの研究でノーベル化学賞を受賞しました。

希ガスは、以前は希ガスまたは不活性ガスとして知られていました。後に、いくつかは非常に一般的であり、いくつかは完全に無反応ではないことが示されました。ヘリウムは宇宙で2番目に一般的な元素であり、アルゴンは地球の大気の約1％を占めています。 1962年、ニールバートレットは、希ガスの最初の化合物であるキセノンフッ化白金を作成しました。ラドンの化合物は同じ年に作成され、クリプトンの化合物は1963年に作成されました。もはや希少または不活性とは考えられていなかったため、これらの元素は希ガスとして知られるようになりました。いわゆる貴金属（金、銀、白金など）のように、それらは酸素と反応しませんでした。

クリプトンは、1960年から1983年にかけて科学で重要な役割を果たしました。このとき、メーターの長さは、クリプトン86が発するオレンジレッドの光の波長の1,650,763.73倍と定義されていました。メーターは後に真空中の光速で定義されましたが、クリプトンは引き続き科学研究で使用されています。

クリプトンやその他のガスを液体空気、空気から分離するため分別蒸留と呼ばれるプロセスでゆっくりと温められます。各液体がガスに変化する独自の異なる温度を持っているという仮定の下で動作し、分別蒸留は空気内のガスを一度に1つずつ分離します。

生の材料

クリプトンの痕跡はさまざまな鉱物に含まれていますが、クリプトンの最も重要な供給源は地球の大気です。ヘリウム（天然ガスから得られる）とラドン（放射性元素の崩壊の副産物として得られる）を除いて、空気は他の希ガスの最も重要な供給源でもあります。海面では、乾燥した空気には78.08％の窒素と20.95％の酸素が含まれています。また、0.93％のアルゴン、0.0018％のネオン、0.00052％のヘリウム、0.00011％のクリプトン、および0.0000087％のキセノンが含まれています。乾燥空気の他の成分には、二酸化炭素、水素、メタン、一酸化窒素、およびオゾンが含まれます。

クリプトンは、原子力発電所で発生するウランの核分裂からも得ることができます。クリプトンの安定同位体のみを含む空気とは異なり、このプロセスでは、クリプトンの安定同位体と放射性同位体の両方が生成されます。

製造
プロセス

液体空気を作る

• 1空気は最初にフィルターを通過して、ほこりなどの粒子状物質を除去します。次に、きれいな空気がアルカリ（強塩基性物質）にさらされ、水と二酸化炭素が除去されます。
• 2清潔で乾燥した空気は、高圧下で圧縮されます。圧縮すると空気の温度が上がるため、冷蔵によって冷却されます。
• 3冷却された圧縮空気は、空のチャンバーを曲がりくねったコイルを通過します。通常の約200倍の圧力に圧縮された空気の一部は、チャンバー内に膨張します。この突然の膨張はコイルから熱を吸収し、圧縮空気を冷却します。圧縮と膨張のプロセスは、空気が約-321 F（-196°C）の温度に冷却されるまで繰り返されます。この温度で、空気中のほとんどのガスが液体に変換されます。

ガスの分離

• 4沸点が非常に低いガスは液体に変換されず、他のガスから直接除去できます。これらのガスには、ヘリウム、水素、ネオンが含まれます。
• 5分別蒸留として知られるプロセスは、液体空気に含まれるさまざまな元素を分離します。このプロセスは、さまざまな物質がさまざまな温度で液体から気体に変換されるという事実に依存しています。
• 6液体空気をゆっくりと温めます。温度が上昇すると、沸点が最も低い物質が気体になり、残りの液体から取り除くことができます。アルゴン、酸素、および窒素は、液体空気が温まるにつれてガスに変換される最初の物質です。クリプトンとキセノンは沸点が高く、空気の他の成分が気体になっても液体状態のままです。

クリプトンをキセノンから分離する

• 7液体クリプトンとキセノンは、シリカゲルまたは活性炭に吸収されます。次に、それらは再び分別蒸留にかけられる。クリプトンが気体に変わるまで、液体混合物をゆっくりと温めます。キセノンは沸点がやや高く、液体として残ります。
• 8クリプトンは、熱いチタン金属の上に通すことによって精製されます。この物質は、希ガスを除くすべての元素を除去する傾向があります。

クリプトンの同位体の分離

• 9これで、ほとんどの目的で、クリプトンをパッケージ化する準備が整いました。ただし、一部の科学的目的では、クリプトンの6つの安定同位体のうち1つだけが必要です。これらの同位体を分離するために、熱拡散として知られるプロセスが使用されます。このプロセスは、同位体の密度がわずかに異なるという事実に依存しています。
• 10クリプトンガスは長い垂直ガラス管に入れられます。加熱されたワイヤーがこのチューブの中心を垂直に通ります。熱線は、チューブ内に対流を設定します。この熱風の流れは、より軽い同位体をチューブの上部に運ぶ傾向があり、そこでそれらを取り除くことができます。

梱包と配送

• 11クリプトンガスは、常圧ではパイレックスなどの丈夫なガラスの球根に、高圧ではスチール製のキャニスターに詰められます。非常に非反応性の物質であるため、クリプトンは非常に安全です。毒性がなく、爆発性がなく、不燃性であるため、輸送中に異常な予防措置を講じる必要はありません。

品質管理

クリプトン生産の品質管理において最も重要な要素は、最終製品にクリプトンのみが含まれるようにすることです。分別蒸留のプロセスは、クリプトンを含む非常に純粋な製品を空気から製造するまでに開発されました。

クリプトンのランダムサンプルは、分光分析によって純度がテストされます。このプロセスでは、物質が発光するまで物質を加熱します。次に、太陽光が虹を生成するのと同じように、光はスペクトルを生成するためにプリズムまたはグレーティングを通過します。分光分析は、ガスの研究に特に適しています。加熱されたガスは、純粋なクリプトンのスペクトル上に鋭く明るい線を生成する傾向があるため、不純物が存在するかどうかを判断できます。

副産物/廃棄物

クリプトンは、液体空気の分別蒸留によって生成される多くの貴重な要素の1つにすぎません。空気の4分の3以上が窒素で構成されています。窒素は、多種多様な化合物、特にアンモニアを生成するために使用されます。窒素は酸素よりもはるかに反応性が低いため、多くの物質を酸化から保護するために使用されます。液体窒素は、凍結乾燥および冷蔵に使用されます。

空気の約5分の1は酸素で構成されています。鉄鋼業界は純酸素の最大の消費者です。酸素は、二酸化炭素の形で鋼から余分な炭素を除去するために使用されます。酸素は、下水処理や固形廃棄物の焼却にも使用されます。液体酸素はロケット燃料として使用されます。

クリプトン以外の空気から得られる希ガスは、アルゴン、ネオン、キセノンです。アルゴンは、特定の種類の電球で使用されます。低圧下でネオンを含むガラス管に電流を流すと、おなじみのネオンサインが生成されます。キセノンはストロボライトで使用され、強烈で短いバースト光を生成します。

未来

クリプトンの将来の生産は、原子力発電の将来によって影響を受ける可能性があります。クリプトンは核分裂の副産物として生成される可能性があるため、原子力発電所は将来、クリプトンの重要な供給源になる可能性があります。一方、核分裂が核融合または他の形態のエネルギー生産によって大部分が置き換えられた場合、クリプトンはほぼ完全に大気の産物のままである可​​能性があります。