Ксено́н — элемент главной подгруппы восьмой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 54. Обозначается символом Xe (лат. Xenon). Простое вещество ксенон (CAS-номер: 7440-63-3) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

История

Открыт в 1898 году английскими учеными У.Рамзаем и У. Рэлей как небольшая примесь к криптону.

Происхождение названия

От греч. ξένος — чужой. Открыт в 1898 английскими исследователями У. Рамзаем и М. Траверсом, которые подвергли медленному испарению жидкий воздух и спектроскопическим методом исследовали его наиболее труднолетучие фракции. Ксенон был обнаружен как примесь к криптону, с чем связано его название. Ксенон — весьма редкий элемент. При нормальных условиях 1000 м³ воздуха содержат около 87 см³ ксенона.

Распространённость

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^[3], хотя содержание 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^[4][5]. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере — почти в два раза выше, чем у Солнца^[6].

Земная кора

Ксенон находится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0,087±0,001 миллионной доли (μL/L), а также встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например, ¹³³Xe и ¹³⁵Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.

Определение

Качественно ксенон обнаруживают с помощью эмиссионной спектроскопии (характеристические линии 467,13 нм и 462,43 нм). Количественно его определяют масс-спектрометрически, хроматографически, а также методами абсорбционного анализа^[2].

Свойства

Физические

Температура плавления −112 °C, температура кипения −108 °C, свечение в разряде фиолетовым цветом.

Химические

Первый инертный газ, 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 г. 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 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).

Изотопы

Для ксенона известны изотопы с массовыми числами от 110 до 147, и 12 ядерных изомеров. Из них стабильными являются изотопы с массовыми числами 124, 126, 128, 129, 130, 131, 132, 134, 136. Остальные изотопы радиоактивны, самые долгоживущие -- 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)^[7]

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^[8], 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 Йодная 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 заключение, ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделён дистилляцией на криптон и ксенон, подробнее здесь.

Из-за своей малой распространенности, ксенон гораздо дороже более легких инертных газов.

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 (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 конце XX века был разработан метод применения ксенона в качестве средства для общего наркоза и обезболивания. Первые диссертации о технике ксенонового наркоза появились в России в 1993 г. В 1999 году ксенон был разрешён к медицинскому применению в качестве средства для общего ингаляционного наркоза^[9].

• В наши дни ксенон проходит апробацию в лечении зависимых состояний^[10].

• Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда лазеров^{[источник не указан 1230 дней]}.

• 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.

• Для транспортировки фтора, проявляющего сильные окисляющие свойства.

Биологическая роль

Ксенон не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие

• Газ ксенон безвреден, но способен вызвать наркоз (по физическому механизму), а в больших концентрациях (более 80 %) вызывает асфиксию.

• Вследствие более низкой скорости звука в ксеноне, чем в воздухе, 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.

Примечания