크립톤

3. 특성

크립톤은 다른 비활성 기체들처럼 화학 반응성이 매우 낮다. 그러나 1962년 인공적으로 제논 화합물이 생성되었고, 1963년에는 극한 조건에서 이플루오린화 크립톤(KrF₂)이 합성되었다. 같은 해 사플루오린화 크립톤이 보고되었으나 이는 착각으로 드러났다. 현재는 이 화합물 이외에도 극저온에서 각종 크립톤 화합물을 생성하려는 시도가 이어지고 있다.

극저온에서 만들어지는 고체 크립톤은 흰색이며, 헬륨을 제외한 모든 비활성 기체들처럼 면심 입방정계 구조를 가진다.^[11] 대기 중에는 1.14 ppm의 비율로 포함되어 있으며, 공기를 액화, 분별 증류하여 얻을 수 있다. 비활성이지만 플루오린과는 산화수 +2의 불안정한 화합물을 만든다. 또한, 물, 히드로퀴논과는 포접화합물을 만든다.

3. 1. 물리적 특성

3. 2. 화학적 특성

3. 3. 스펙트럼

4. 동위 원소

자연에 존재하는 크립톤에는 여섯 종류의 동위 원소가 존재하고 30여 개의 불안정한 방사성 동위 원소와 핵 이성질체가 존재한다. 크립톤-81은 액체 공기를 분별 증류하여 크립톤을 얻는 과정에서 함께 얻어지는 방사성 동위 원소로 반감기가 약 23만 년이다. 5만~80만 년 정도 된 지하수의 연대를 측정하는데 사용된다.^[14] 크립톤-85는 반감기가 10.76년인 방사성 비활성 기체이다. 핵실험이나 원자로 등에서 우라늄과 플루토늄의 핵분열로 인해 생성되는 부산물이다. 원자로 제어봉을 재처리하는 과정에서 발생된다.^[15]

지구 대기 중에는 5가지 안정된 동위원소와 매우 긴 반감기(9.2×10²¹년)를 가지고 있어 안정적인 것으로 간주될 수 있는 하나의 동위원소(⁷⁸Kr)가 존재한다. 이 동위원소는 붕괴가 관측된 모든 동위원소 중 세 번째로 긴 반감기를 가지고 있으며, 이중전자포획을 통해 ⁷⁸Se로 붕괴된다.^[12] 또한 약 30가지의 불안정한 동위원소와 핵이성체가 알려져 있다.^{[13] 81}Kr은 ⁸⁰Kr의 우주선 조사에 의해 생성되는 우주선 생성 핵종으로, 자연적으로 미량 존재한다. 이 동위원소는 23만 년의 반감기를 가진 방사성 동위원소이다. 크립톤은 휘발성이 매우 높아 지표면 근처의 물에 용해되어 있지 않지만, ⁸¹Kr은 오래된 (5만 년~80만 년) 지하수의 연대 측정에 사용되었다.^[14]

5. 존재

지구는 생성 당시 존재했던 모든 비활성 기체를 헬륨을 제외하고는 보유하고 있다. 지구 대기 중 크립톤의 농도는 약 1 ppm이다. 크립톤은 분별 증류를 통해 액체 공기에서 추출할 수 있다.^[26] 우주 공간의 크립톤 양은 불확실한데, 그 이유는 측정이 유성 활동과 태양풍에 의존하기 때문이다. 초기 측정 결과에 따르면 우주 공간에 크립톤이 풍부한 것으로 나타났다.^[27]

6. 화합물

크립톤은 다른 비활성 기체들처럼 화학 반응성이 매우 낮다. 그러나 1962년 인공적으로 제논 화합물이 생성된 후, 1963년에는 극한 조건에서 이플루오르화크립톤(KrF₂)이 합성되었다.^[16] 같은 해 사플루오린화 크립톤이 보고되었으나^[17] 이는 착각으로 드러났다.^[18]

극한 조건에서 크립톤은 불소와 반응하여 다음 반응식에 따라 KrF₂를 형성한다.

:Kr + F2 -> KrF2

크립톤 플루오라이드 레이저에서 크립톤 기체는 에너지원으로부터 에너지를 흡수하여, 불소 기체와 반응해 여기 상태의 일시적인 착물인 크립톤 플루오라이드 엑시플렉스(exciplex)를 생성한다.^[19]

:2Kr + F2 -> 2KrF

이 착물은 자발적 또는 유도 방출을 일으켜 에너지 상태를 준안정하지만 높은 반발성 기저 상태로 감소시킨다. 기저 상태의 착물은 빠르게 비결합 원자로 해리된다.

:2KrF -> 2Kr + F2

결과적으로 엑시플렉스 레이저가 생성되어 248 nm의 파장에서 자외선 영역에 가까운 스펙트럼의 에너지를 방출하며, 이는 착물의 기저 상태와 여기 상태 사이의 에너지 차이에 해당한다.^[20]

불소 이외의 원자에 결합된 크립톤 화합물도 발견되었다. 크립톤 옥소산의 바륨 염에 대한 검증되지 않은 보고서도 있다.^[21] ArKr⁺ 및 KrH⁺ 다원자 이온이 연구되었으며 KrXe 또는 KrXe⁺에 대한 증거가 있다.^[22]

와 의 반응은 크립톤-산소 결합을 포함하는 불안정한 화합물 를 생성한다. 크립톤-질소 결합은 -50 °C 이하에서 와 [HC≡NH]⁺[AsF₆]⁻의 반응에 의해 생성된 양이온 [HC≡N–Kr–F]⁺에서 발견된다.^[23][24] HKrCN과 HKrC≡CH(크립톤 수소화물-시아나이드 및 하이드로크립토아세틸렌)는 40 K까지 안정한 것으로 보고되었다.^[16]

크립톤 수소화물(Kr(H₂)₄) 결정은 5 GPa 이상의 압력에서 성장할 수 있다. 이들은 크립톤 팔면체가 무작위로 배향된 수소 분자로 둘러싸인 면심 입방정계 구조를 가지고 있다.^[25]

7. 용도

크립톤은 다양한 분야에서 활용된다.

• 조명 및 레이저: 형광등, 백열등, 네온사인, 레이저 등에 사용된다. 자세한 내용은 #조명 및 #레이저 하위 섹션을 참조.
• 핵융합 연구: 크립톤 플루오르화물 레이저는 핵융합 에너지 연구에 사용된다.^[32]
• 입자 물리학: 액체 크립톤은 칼로리미터를 구성하는 데 사용된다. CERN의 NA48 실험이 대표적인 예시이다.
• 의학: 크립톤-83은 자기 공명 영상(MRI) 촬영에, 준안정 동위원소인 크립톤-81m은 폐 환기/관류 스캔에 사용된다.^[33][35]
• 핵연료 재처리 시설 탐지: 대기 중 크립톤-85는 북한^[36]과 파키스탄^[37]의 비밀 핵연료 재처리 시설을 탐지하는 데 사용되었다.
• 기타: 크립톤은 창유리 사이의 절연 가스나 스페이스X 스타링크의 전기 추진 시스템의 추진제로 사용된다.^[39][40] 비활성 기체인 크립톤은 백열전구에 넣어 필라멘트의 승화를 방지하는 크립톤 램프로도 활용된다. 1960년부터 1983년까지는 크립톤의 스펙트럼을 미터의 기준으로 사용했다.^[46] 크립톤 가스를 들이마신 후 소리를 내면 헬륨 가스와 반대로 목소리가 낮아지지만, 순수한 크립톤 가스를 흡입하면 저산소증을 유발할 수 있으므로 주의해야 한다. 크립톤을 방전으로 여기시키면 독특한 푸른빛의 스펙트럼 광이 방출된다.

7. 1. 조명

7. 2. 레이저

7. 3. 기타

8. 주의사항

크립톤은 인체에 무해하나 공기 중에 다량 있으면 질식을 일으킬 수 있으므로 주의해야 한다. 크립톤은 무독성 질식성 기체로 간주된다.^[41] 지용성인 크립톤은 상당한 마취 효과를 가지고 있다. 마취력은 공기보다 7배 더 크며, 50% 크립톤과 50%의 자연 공기를 혼합하여 흡입하면 대기압의 4배에서 공기를 흡입하는 것과 유사한 마취가 발생한다. 이는 30m 깊이의 스쿠버 다이빙과 비슷하며, 크립톤을 흡입하는 사람에게 영향을 미칠 수 있다.

참조

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