氪

背景

氪是元素周期表上第 36 号化学元素。它属于被称为惰性气体的元素组。其他惰性气体是氦气、氖气、氩气、氙气和氡气。在正常情况下，氪是一种无色、无味、无味的气体。它在常温常压下的密度约为每加仑 0.5 盎司（每升 3.7 克），几乎是空气的三倍。在极低的温度下，氪可能以液体或固体形式存在。氪的沸点为 -243.81° F (-153.23° C)，其凝固点仅略低于 -251.27° F (-157.37° C)。

天然氪是六种稳定同位素的混合物。同位素是质子数相同但中子数不同的原子。质子的数量（原子序数）决定了存在哪种元素，而质子和中子的总数决定了原子的原子量。氪的同位素都有 36 个质子，并以其原子量命名。氪 84 有 48 个中子，是最常见的同位素，占天然氪的 57%。氪的其他稳定同位素是氪 86（50 个中子，17.3%）； krypton-82（46 个中子，11.6%）； krypton-83（47 个中子，11.5%）； krypton-80（44 个中子，2.25%）；和氪78（42个中子，0.35%）

氪也可以作为不稳定的放射性同位素存在。这些同位素是在核反应过程中产生的。已经产生了大约 20 种氪的放射性同位素。除了氪 85 之外，所有这些同位素都非常不稳定，半衰期只有几个小时或更短。 （放射性物质的半衰期是物质样品中一半原子发生放射性衰变所需的时间。）氪 85 有 36 个质子和 49 个中子，稳定得多，有一半- 寿命 10.73 年。

氪在荧光灯中与氩气一起使用以提高其亮度，在白炽灯中与氮气一起使用以延长其寿命。它还用于闪光灯，在很短的时间内产生非常明亮的光线，用于高速摄影。放射性氪 85 可用于定位金属表面的小缺陷。气体往往会聚集在这些缺陷中，并且可以检测到其放射性。

历史

直到最近，人类才完全不知道惰性气体。它们存在的第一个迹象出现在 1785 年，当时英国化学家亨利卡文迪什发现空气中含有少量的未知物质，其活性低于氮。直到 19 世纪后期，人们才知道关于这种物质的其他信息。

与此同时，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶 (Joseph Norman Lockyer) 在 1868 年发现了一种新元素。通过分析来自太阳的光，他发现了一种未知元素，他将其命名为氦，源自希腊词 helios （太阳）。超过四分之一个世纪以来，人们都不知道地球上存在氦气。

1894年，英国物理学家瑞利勋爵（John William Strutt）和苏格兰人 过滤后的空气在高压下被压缩，温度升高。然后通过在腔室内快速膨胀来对压缩空气进行编码。这种突然的膨胀从线圈吸收热量，冷却压缩空气。重复压缩和膨胀的过程，直到空气中存在的大部分气体转化为液体。 化学家威廉拉姆齐发现从空气中获得的氮和从氨中获得的氮的密度存在差异。他们很快发现大气中的氮中混有少量未知物质。通过使用镁吸收氮，他们能够从希腊词 argos 中分离出这种物质，他们将其命名为氩气。 （非活性），因为它不与其他物质发生反应。

1895 年，拉姆齐和他的助手莫里斯·威廉·特拉弗斯 (Morris William Travers) 发现，这种矿物冰晶石在加热时会释放出氩气和氦气。这是地球上第一次探测到氦气。 1898 年，拉姆齐和特拉弗斯从已经冷却成液体的空气中获得了三种新元素。他们将这些元素命名为 krypton，源自希腊语 kryptos （隐）;霓虹灯，来自希腊词 neos （新的）;和氙，来自希腊词 xenos （奇怪的）。

1900 年，德国化学家弗里德里希·多姆 (Friedrich Dom) 注意到放射性元素镭在衰变时会释放出氦气和一种未知的放射性气体。 1910 年，拉姆齐和他的助手罗伯特·怀特劳-格雷确定了这种未知气体的密度，并将其命名为尼顿，源自拉丁词 nitere （发光），因为它的放射性使它在冷却成液体时会发光。尼顿，后来被称为氡，是最后一个被发现的惰性气体。 1904 年，拉姆齐因对惰性气体的研究而获得诺贝尔化学奖。

稀有气体以前称为稀有气体或惰性气体。后来表明，有些很常见，有些并非完全没有反应。氦是宇宙中第二常见的元素，氩约占地球大气的 1%。 1962 年，尼尔·巴特利特 (Neil Bartlett) 创造了六氟化氙铂，这是惰性气体的第一种化合物。氡的化合物和氪的化合物于 1963 年被创造出来。这些元素不再被认为是稀有或惰性的，后来被称为惰性气体。像所谓的贵金属（金、银、铂等）一样，它们不与氧气发生反应。

从 1960 年到 1983 年，氪在科学中发挥了重要作用，当时米的长度被定义为氪 86 发出的橙红色光波长的 1,650,763.73 倍。后来根据真空中的光速定义了米，但氪继续用于科学研究。

为了从液态空气中分离氪以及其他气体，空气在称为分馏的过程中缓慢加热。假设每种液体都有自己独特的温度，在该温度下它会变成气体，分馏将空气中的气体一次一个地分离。

原料

尽管在各种矿物中都发现了氪的痕迹，但氪的最重要来源是地球的大气层。除了氦气（从天然气中获得）和氡气（作为放射性元素衰变的副产品获得）外，空气也是其他惰性气体的最重要来源。在海平面，干燥的空气含有 78.08% 的氮和 20.95% 的氧。它还包含 0.93% 氩气、0.0018% 氖气、0.00052% 氦气、0.00011% 氪气和 0.0000087% 氙气。干燥空气的其他成分包括二氧化碳、氢气、甲烷、一氧化氮和臭氧。

氪也可以从铀的裂变中获得，这种裂变发生在核电站中。与仅包含氪的稳定同位素的空气不同，该过程产生氪的稳定同位素和放射性同位素。

制造
过程

制造液态空气

• 1 空气首先通过过滤器以去除灰尘等颗粒物。然后将清洁的空气暴露在碱（一种强碱性物质）中，从而去除水和二氧化碳。
• 2 清洁、干燥的空气在高压下被压缩。因为压缩会提高空气的温度，然后通过制冷来冷却。
• 3 冷却的压缩空气通过盘管缠绕在空腔中。一部分被压缩到比正常压力大约 200 倍的空气被允许膨胀到腔室中。这种突然的膨胀从线圈吸收热量，冷却压缩空气。重复压缩和膨胀的过程，直到空气冷却到大约 -321 华氏度（-196 摄氏度）的温度，此时空气中的大部分气体都转化为液体。

分离气体

• 4 沸点极低的气体不会转化为液体，可以直接从其他气体中去除。这些气体包括氦气、氢气和氖气。
• 5 一种称为分馏的过程可分离液态空气中的各种元素。这个过程依赖于这样一个事实，即不同的物质会在不同的温度下从液体转变为气体。
• 6 使液态空气缓慢升温。随着温度升高，沸点最低的物质变成气体，可以从剩余的液体中除去。随着液态空气变暖，氩气、氧气和氮气是最先转化为气体的物质。氪和氙的沸点较高，当空气的其他成分变成气体时仍保持液态。

氪氙分离

• 7 液态氪和氙被吸附到硅胶或活性炭上。然后它们再次进行分馏。液体混合物被缓慢加热，直到氪转变为气体。氙的沸点稍高，并以液体形式留在后面。
• 8 氪通过热钛金属进行纯化。这种物质倾向于去除惰性气体以外的所有元素。

分离氪的同位素

• 9 在大多数情况下，氪现在可以打包了。然而，出于某些科学目的，只需要氪的六种稳定同位素中的一种。为了分离这些同位素，使用了一种称为热扩散的过程。这个过程取决于同位素的密度略有不同这一事实。
• 10 氪气被放置在一个长的垂直玻璃管中。一根加热的电线垂直穿过这个管子的中心。热线在管内形成对流。这种热空气流往往会将较轻的同位素带到管子的顶部，在那里它们可以被移除。

包装和运输

• 11 氪气在常压下装在坚固的玻璃球中，例如 Pyrex，或在高压下装在钢罐中。因为它是一种高度不活泼的物质，所以氪是非常安全的。它无毒、不爆炸且不易燃，因此在运输过程中无需采取异常预防措施。

质量控制

氪生产质量控制中最重要的因素是确保最终产品只含有氪。分馏过程已经发展到可以从空气中生产非常纯净的产品，包括氪气。

通过光谱分析测试氪的随机样品的纯度。这个过程包括加热物质直到它发光。然后光线穿过棱镜或光栅以产生光谱，就像阳光产生彩虹一样。光谱分析特别适合研究气体，因为加热的气体往往会在纯氪的光谱上产生清晰的线条，可以判断是否存在任何杂质。

副产品/废物

氪只是液态空气分馏产生的许多有价值元素之一。超过四分之三的空气由氮气组成。氮用于生产多种化合物，尤其是氨。因为它的反应性比氧气小得多，所以氮气被用来保护许多物质免受氧化。液氮用于冷冻干燥和冷藏。

大约五分之一的空气由氧气组成。钢铁行业是纯氧的最大消费者。氧气用于以二氧化碳的形式从钢中去除多余的碳。氧气还用于处理污水和焚烧固体废物。液氧用作火箭燃料。

除了氪气之外，从空气中获得的惰性气体有氩气、氖气和氙气。氩气用于某些类型的灯泡。在低压下将电流通过装有氖的玻璃管会产生熟悉的霓虹灯标志。氙气用于频闪灯以产生强烈而短促的光。

未来

未来氪的产量很可能会受到未来核电生产的影响。由于氪可以作为核裂变的副产品生产，核电站未来可能成为氪的重要来源。另一方面，如果核裂变在很大程度上被核聚变或其他形式的能源生产所取代，氪可能仍然几乎完全是大气的产物。