Ксено́н (химический символXe, 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.

Ксенон
← Иод | Цезий →
54 Kr

Xe

Rn
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
54Xe
Cubic-face-centered.svg
Electron shell 054 Xenon.svg
Внешний вид простого вещества
An acrylic cube specially prepared for element collectors containing an ampoule filled with liquefied xenon.JPG
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)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Kr] 4d105s25p6
Радиус атома ? (108)[2] пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 130[2] пм
Радиус иона 190[2] 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)[3] 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[4] Дж/(K·моль)
Молярный объём 22,4⋅103 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки Кубическая
гранецентрированая кубическая атомна
Параметры решётки 6,200[4]
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 0,0057 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-63-3
Эмиссионный спектр
Xenon Spectrum.jpg
Наиболее долгоживущие изотопы
Изотоп Распростра-
нённость
Период полураспада Канал распада Продукт распада
124Xe 0,095% 1,8⋅1022 лет[5] 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[6] ββ 136Ba
54
Ксенон
131,293
4d105s25p6

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

История

Ксенон был обнаружен как небольшая примесь к криптону[7][8]. 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[4]—0,087[9] см3 ксенона.

В

Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0,08 миллионной доли[10], 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[11][12]. В атмосфере Юпитера, напротив, концентрация ксенона необычно высока — почти в два раза выше, чем в фотосфере Солнца[13].

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[9]. 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[4].

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)[4].

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)[4], он образует кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm3m, параметры ячейки a = 0,6197 нм, Z = 4[4].

Критическая температура ксенона 289,74 К (+16,59 °C), критическое давление 5,84 МПа, критическая плотность 1,099 г/см3[4].

Тройная точка: температура 161,36 К (−111,79 °C), давление 81,7 кПа, плотность 3,540 г/см3[4].

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)[4].

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, коэффициент сжимаемости 0,9950, молярная теплоёмкость при постоянном давлении 20,79 Дж/(моль·К)[4].

Ксенон диамагнитен, его магнитная восприимчивость −4,3·10−5. Поляризуемость 4,0·10−3 нм3[4]. Энергия ионизации 12,1298 эВ[3].

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[14].

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[15]:
  при комнатной температуре и УФ-облучении или при 300—500 ºC под давлением;
  при 400 ºC под давлением; примеси XeF2, XeF6;
  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, плавиться 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: 126Xe, 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe, 132Xe, 134Xe. Ещё два изотопа (124Xe, T1/2 = 1,8·1022 лет и 136Xe, T1/2 = 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 131Xem с периодом полураспада 11,84 суток, 129Xem (8,88 суток) и 133Xem (2,19 суток)[16].

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[17], 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).