Ксенон

Запрос «Xe» перенаправляется сюда; об американской частной военной организации Xe Services LLC см. Academi.

Ксенон
← Иод | Цезий →
54 Kr ↑ Xe ↓ Rn 54Xe
Внешний вид простого вещества
Cжиженный ксенон в акриловом кубе
Свойства атома
Название, символ, номер	Ксено́н / Xenon (Xe), 54
Группа, период, блок	18 (устар. 8), 5, p-элемент
Атомная масса (молярная масса)	131,293(6) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d105s25p6
Радиус атома	? (108) пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	130 пм
Радиус иона	190 пм
Электроотрицательность	2,6 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0, +1, +2, +4, +6, +8
Энергия ионизации (первый электрон)	1170,35 (12,1298) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	3,52 (при −107,05 °C); 0,005894 (при 0 °C) г/см³
Температура плавления	161,3 К (-111,85 °C)
Температура кипения	166,1 К (-107,05 °C)
Уд. теплота плавления	2,27 кДж/моль
Уд. теплота испарения	12,65 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	20,79 Дж/(K·моль)
Молярный объём	22,4⋅103 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая гранецентрированая кубическая атомна
Параметры решётки	6,200
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 0,0057 Вт/(м·К)
Эмиссионный спектр
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы ксенона Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 124Xe 0,095% 1,8⋅1022 лет Двойной ЭЗ 124Te 125Xe синт. 16,9 ч ЭЗ 125I 126Xe 0,089% стабилен - 127Xe синт. 36,345 сут ЭЗ 127I 128Xe 1,910% стабилен - - 129Xe 26,401% стабилен - - 130Xe 4,071% стабилен - - 131Xe 21,232% стабилен - - 132Xe 26,909% стабилен - - 133Xe синт. 5,247 сут β− 133Cs 134Xe 10,436% стабилен - 135Xe синт. 9,14 ч β− 135Cs 136Xe 8,857% 2,165⋅1021 лет β−β− 136Ba

54	Ксенон
Xe 131,293
4d105s25p6

Ксено́н (химический символ — Xe, от лат. Xenon) — 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 ξένος «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 см³ 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 ¹²⁹Xe 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 минеральных источников. Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например ¹³³Xe и ¹³⁵Xe, 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 методами абсорбционного анализа.

Физические свойства

Гранецентрированная кубическая структура ксенона; a = 0,6197 нм

Полная электронная конфигурация атома ксенона: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶

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/м³), в 4,9 раза тяжелее воздуха. Плотность жидкого ксенона при температуре кипения 2,942 г/см³. Плотность твёрдого ксенона 2,7 г/см³ (при 133 К), он образует кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm3m, 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/см³.

Тройная точка: температура 161,36 К (−111,79 °C), давление 81,7 кПа, плотность 3,540 г/см³.

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

Заполненная ксеноном газоразрядная трубка

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 м²/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 нм³. 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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{Xe + F_2 \rightarrow XeF_2} }[/math] при комнатной температуре и УФ-облучении или при 300—500 ºC под давлением;

[math]\displaystyle{ \mathsf{Xe + 2F_2 \rightarrow XeF_4} }[/math] при 400 ºC под давлением; примеси XeF₂, XeF₆;

[math]\displaystyle{ \mathsf{Xe + 3F_2 \rightarrow XeF_6} }[/math] при 300 ºC под давлением; примесь XeF₄.

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. Гексафторарсенат(V) пентафторфенилксенона(II) (C6F5Xe)[AsF6] необычайно стабилен, плавится почти без разложения при 102°С и используется как исходное соединение для синтеза других ксенонорганических соединений.

Изотопы ксенона

Основная статья: 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: ¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe, ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe, ¹³²Xe, ¹³⁴Xe. Ещё два изотопа (¹²⁴Xe, T_1/2 = 1,8·10²² лет и ¹³⁶Xe, T_1/2 = 2,165·10²¹ лет) имеют огромные периоды полураспада, на много порядков больше возраста Вселенной (~1,4·10¹⁰ лет).

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

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

Ксеноновая лампа-вспышка

Прототип ионного двигателя на ксеноне

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 (¹²⁷Xe, ¹³³Xe, ¹³⁷Xe 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 ¹²⁹Xe 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

• 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 XeF₄, 1962 г.

• 

  Ксеноновая лампа с короткой дугой.

• 

  Космический шаттл Атлантис залит ксеноновыми огнями

• 

  Прототип ксенонового ионного двигателя проходит испытания в Лаборатории реактивного движения НАСА

Ссылки

• Ксенон в Популярной библиотеке химических элементов