Ксено́н ( химический символ — Xe , от лат. Xe non ) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, VIIIA), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 54.

Простое вещество ксенон — это тяжёлый благородный одноатомный газ без цвета , вкуса и запаха .

История

Ксенон был обнаружен как небольшая примесь к криптону . За открытие инертных газов (в частности ксенона) и определение их места в периодической таблице Менделеева Рамзай получил в 1904 году Нобелевскую премию по химии .

Происхождение названия

Рамзай предложил в качестве названия элемента древнегреческое слово ξένον , которое является формой среднего рода единственного числа от прилагательного «чужой, странный». Название связано с тем, что ксенон был обнаружен как примесь к криптону, и с тем, что его доля в атмосферном воздухе чрезвычайно мала.

Распространённость

Ксенон — весьма редкий элемент. При нормальных условиях в кубометре воздуха содержится 0,086 —0,087 см ³ ксенона.

В Солнечной системе

Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца , на Земле , в составе астероидов и комет . Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0,08 миллионной доли , хотя содержание изотопа ¹²⁹ Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада , полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты . В атмосфере Юпитера , напротив, концентрация ксенона необычно высока — почти в два раза выше, чем в фотосфере Солнца .

Земная кора

Ксенон содержится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0,087 ± 0,001 миллионной доли по объёму (мкл/л), или 1 часть на 11,5 млн . Он также встречается в газах, выделяемых водами некоторых . Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например ¹³³ Xe и ¹³⁵ Xe, получаются в результате нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах .

Определение

Качественно ксенон обнаруживают с помощью эмиссионной спектроскопии (характеристические линии с длиной волны 467,13 нм и 462,43 нм ). Количественно его определяют масс-спектрометрически , хроматографически , а также .

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома ксенона: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁶

При нормальном давлении температура плавления 161,40 К (−111,75 °C), температура кипения 165,051 К (−108,099 °C). Молярная энтальпия плавления 2,3 кДж/моль , молярная энтальпия испарения 12,7 кДж/моль , стандартная молярная энтропия 169,57 Дж/(моль·К) .

Плотность в газообразном состоянии при стандартных условиях (0 °C, 100 кПа ) 5,894 г/л (кг/м ³ ), в 4,9 раза тяжелее воздуха. Плотность жидкого ксенона при температуре кипения 2,942 г/см ³ . Плотность твёрдого ксенона 2,7 г/см ³ (при 133 К ) , он образует кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm 3 m , параметры ячейки a = 0,6197 нм , Z = 4 .

Критическая температура ксенона 289,74 К (+16,59 °C), критическое давление 5,84 МПа , критическая плотность 1,099 г/см ³ .

Тройная точка : температура 161,36 К (−111,79 °C), давление 81,7 кПа , плотность 3,540 г/см ³ .

В электрическом разряде светится синим цветом (462 и 467 нм). Жидкий ксенон является сцинтиллятором .

Слабо растворим в воде (0,242 л/кг при 0 °C, 0,097 л/кг при +25 °C) .

При стандартных условиях (273 К, 100 кПа): теплопроводность 5,4 мВт/(м·К) , динамическая вязкость 21 мкПа·с , коэффициент самодиффузии 4,8·10 ⁻⁶ м ² /с , коэффициент сжимаемости 0,9950, молярная теплоёмкость при постоянном давлении 20,79 Дж/(моль·К) .

Ксенон диамагнитен , его магнитная восприимчивость −4,3·10 ⁻⁵ . Поляризуемость 4,0·10 ⁻³ нм ³ . Энергия ионизации 12,1298 эВ .

Химические свойства

Ксенон стал первым инертным газом , для которого были получены настоящие химические соединения. Примерами соединений могут быть дифторид ксенона , тетрафторид ксенона , гексафторид ксенона , триоксид ксенона , ксеноновая кислота и другие .

Первое соединение ксенона было получено Нилом Барлеттом реакцией ксенона с гексафторидом платины в 1962 году. В течение двух лет после этого события было получено уже несколько десятков соединений, в том числе фториды, которые являются исходными веществами для синтеза всех остальных производных ксенона.

В настоящее время описаны сотни соединений ксенона: фториды ксенона и их различные комплексы, оксиды, оксифториды ксенона, малоустойчивые ковалентные производные кислот, соединения со связями Xe-N, ксенонорганические соединения. Относительно недавно был получен комплекс на основе золота, в котором ксенон является лигандом. Существование ранее описанных относительно стабильных хлоридов ксенона не подтвердилось (позже были описаны эксимерные хлориды с ксеноном).

Фториды ксенона

Фториды ксенона были одними из первых полученных соединений ксенона. Они были получены уже в 1962 году, сразу после установления возможности химических реакций для благородных газов. Фториды ксенона служат в качестве исходных веществ для получения всех остальных ковалентных соединений ксенона. Известны дифторид ксенона , тетрафторид ксенона , гексафторид ксенона и большое число их комплексов (преимущественно с фторированными кислотами Льюиса). Сообщение о синтезе октафторида ксенона не было подтверждено более поздними исследованиями.

• Реакции со фтором :

${\displaystyle {\mathsf {Xe+F_{2}\rightarrow XeF_{2}}}}$ при комнатной температуре и УФ-облучении или при 300—500 ºC под давлением;

${\displaystyle {\mathsf {Xe+2F_{2}\rightarrow XeF_{4}}}}$ при 400 ºC под давлением; примеси XeF ₂ , XeF ₆ ;

${\displaystyle {\mathsf {Xe+3F_{2}\rightarrow XeF_{6}}}}$ при 300 ºC под давлением; примесь XeF ₄ .

Оксиды и кислоты ксенона

Оксид ксенона(VI) впервые был получен осторожным гидролизом тетрафторида ксенона и гексафторида ксенона. В сухом виде он чрезвычайно взрывоопасен. В водном растворе является очень сильным окислителем и образует слабую ксенонистую кислоту, которая при подщелачивании легко диспропорционирует с образованием солей ксеноновой кислоты (перксенатов) и газообразного ксенона. При подкислении водных растворов перксенатов образуется желтый летучий взрывчатый тетраоксид ксенона .

Ксенонорганические соединения

Первые стабильные ксенонорганические соединения были получены в 1988 году реакцией дифторида ксенона с перфторарилборанами . (C ₆ F ₅ Xe)[AsF ₆ ] необычайно стабилен, плавится почти без разложения при 102°С и используется как исходное соединение для синтеза других ксенонорганических соединений.

Изотопы ксенона

Известны изотопы ксенона с массовыми числами от 108 до 147 (количество протонов 54, нейтронов от 54 до 93), и 12 ядерных изомеров .

9 изотопов встречаются в природе. Из них стабильными являются семь: ¹²⁶ Xe, ¹²⁸ Xe, ¹²⁹ Xe, ¹³⁰ Xe, ¹³¹ Xe, ¹³² Xe, ¹³⁴ Xe. Ещё два изотопа ( ¹²⁴ Xe, T _1/2 = 1,8·10 ²² лет и ¹³⁶ Xe, T _1/2 = 2,165·10 ²¹ лет) имеют огромные периоды полураспада, на много порядков больше возраста Вселенной (~1,4·10 ¹⁰ лет).

Остальные изотопы искусственные, самые долгоживущие из них ¹²⁷ Xe ( период полураспада 36,345 суток) и ¹³³ Xe (5,2475 суток), период полураспада остальных изотопов не превышает 20 часов.

Среди ядерных изомеров наиболее стабильны ¹³¹ Xe ^m с периодом полураспада 11,84 суток, ¹²⁹ Xe ^m (8,88 суток) и ¹³³ Xe ^m (2,19 суток) .

Изотоп ксенона с массовым числом 135 ( период полураспада 9,14 часа) имеет максимальное сечение захвата тепловых нейтронов среди всех известных веществ — примерно 3 миллиона барн для энергии 0,069 эВ , его накопление в ядерных реакторах в результате цепочки β-распадов ядер теллура-135 и иода-135 приводит к эффекту так называемого ксеноном (см. также Иодная яма ).

Получение

Ксенон получают как побочный продукт производства жидкого кислорода на металлургических предприятиях.

В промышленности ксенон получают как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот . После такого разделения, которое обычно проводится методом ректификации , получившийся жидкий кислород содержит небольшие количества криптона и ксенона. Дальнейшая ректификация обогащает жидкий кислород до содержания 0,1—0,2 % криптоно-ксеноновой смеси, которая отделяется адсорбированием на силикагель или дистилляцией . В дальнейшем ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделён дистилляцией на криптон и ксенон, подробнее см. « Получение ».

Из-за своей малой распространённости ксенон гораздо дороже более лёгких инертных газов . В 2009 году цена ксенона составляла около 20 евро за литр газообразного вещества при стандартном давлении .

Применение

Несмотря на высокую стоимость, ксенон незаменим в ряде случаев:

• Ксенон используют для наполнения ламп накаливания , мощных газоразрядных и импульсных источников света (высокая атомная масса газа в колбах ламп препятствует испарению вольфрама с поверхности нити накаливания).
• Радиоактивные изотопы ( ¹²⁷ Xe, ¹³³ Xe, ¹³⁷ Xe и др.) применяют в качестве источников излучения в радиографии и для диагностики в медицине, для обнаружения течи в вакуумных установках.
• Фториды ксенона используют для пассивации металлов .
• Ксенон как в чистом виде, так и с небольшой добавкой паров цезия-133 , является высокоэффективным рабочим телом для электрореактивных (главным образом — ионных и плазменных) двигателей космических аппаратов . В 2020 году Роскосмос заявил о начале строительства космического аппарата «Нуклон» с ядерной силовой установкой . Ксенон будет использоваться в качестве рабочего тела реактивного двигателя.
• В конце XX века был разработан метод применения ксенона в качестве средства для наркоза и обезболивания. Первые диссертации о технике ксенонового наркоза появились в России в 1993 году. В 1999 году ксенон был разрешён к медицинскому применению в качестве средства для ингаляционного наркоза .
• В наши дни ^{[ уточнить ]} ксенон проходит апробацию в лечении зависимых состояний .
• Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда лазеров .
• Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива , а также в качестве компонентов газовых смесей для лазеров .
• В изотопе ¹²⁹ Xe возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния, называемого гиперполяризацией .
• Ксенон используется для наполнения ячейки Голея в детекторах терагерцевого излучения .
• Для транспортировки фтора , проявляющего сильные окисляющие свойства .

Ксенон как допинг

• В 2014 году Всемирное антидопинговое агентство приравняло ингаляции ксенона к применению допинга .

Биологическая роль

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 31 июля 2018 )

• Газ ксенон нетоксичен, но способен вызвать наркоз (по физическому механизму), а в больших концентрациях (более 80 %) вызывает асфиксию .
• Заполнение ксеноном лёгких и выдыхание при разговоре приводит к значительному понижению тембра голоса (эффект, обратный эффекту гелия ).
• Фториды ксенона ядовиты, ПДК в воздухе — 0,05 мг/м³.

Галерея

• 
  Свечение газоразрядной трубки с ксеноном.
• 
  Акриловый куб, специально подготовленный для сборщиков элементов, содержащих сжиженный ксенон.
• 
  Слой твёрдого ксенона, плавающий поверх жидкого ксенона внутри высоковольтного устройства.
• 
  Жидкие (нехарактерные) и кристаллические твёрдые наночастицы Xe, полученные имплантацией ионов Xe ⁺ в алюминий при комнатной температуре.
• 
  Ксеноновая лампа-вспышка ( анимированная версия )
• 
  Кристаллы XeF ₄ , 1962 г.
• 
  Ксеноновая лампа с короткой дугой.
• 
  Космический шаттл Атлантис залит ксеноновыми огнями
• 
  Прототип ксенонового ионного двигателя проходит испытания в Лаборатории реактивного движения НАСА

Примечания

Ссылки

В другом языковом разделе есть более полная статья (англ.) . Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода