Ксенон

Ксенон
Ксенон
	← Иод \| Цезий →
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)
Номер CAS	7440-63-3
Эмиссионный спектр
Наиболее долгоживущие изотопы

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.

54	Ксенон
Xe 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/с, 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]:

{\mathsf {Xe+F_{2}\rightarrow XeF_{2}}}

при комнатной температуре и УФ-облучении или при 300—500 ºC под давлением;

{\mathsf {Xe+2F_{2}\rightarrow XeF_{4}}}

при 400 ºC под давлением; примеси XeF₂, XeF₆;

{\mathsf {Xe+3F_{2}\rightarrow XeF_{6}}}

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, 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)^[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).

[iupac_atomic_weights-1] Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 265—291. — doi:10.1515/pac-2015-0305.

[sizes-2] ¹ ² ³ Size of xenon in several environments (англ.). www.webelements.com. Дата обращения: 6 августа 2009. Архивировано 3 мая 2009 года.

[crc90-3] ¹ ² ³ CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — 2828 p. — ISBN 1420090844.

[ХЭ-4] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² Легасов В. А., Соколов В. Б. Ксенон // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даффа—Меди. — С. 548—549. — 671 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-035-5.

[xenon1T-5] “Observation of two-neutrino double electron capture in ¹²⁴Xe with XENON1T”. Nature. 568 (7753): 532—535. 2019. DOI:10.1038/s41586-019-1124-4.

[Albert2013-6] Albert, J. B.; Auger, M.; Auty, D. J.; Barbeau, P. S.; Beauchamp, E.; Beck, D.; Belov, V.; Benitez-Medina, C.; Bonatt, J.; Breidenbach, M.; Brunner, T.; Burenkov, A.; Cao, G. F.; Chambers, C.; Chaves, J.; Cleveland, B.; Cook, S.; Craycraft, A.; Daniels, T.; Danilov, M.; Daugherty, S. J.; Davis, C. G.; Davis, J.; Devoe, R.; Delaquis, S.; Dobi, A.; Dolgolenko, A.; Dolinski, M. J.; Dunford, M.; et al. (2014). “Improved measurement of the 2νββ half-life of ¹³⁶Xe with the EXO-200 detector”. Physical Review C. 89. arXiv:1306.6106. Bibcode:2014PhRvC..89a5502A. DOI:10.1103/PhysRevC.89.015502.

[7] Ramsay W., Travers M. W. On the extraction from air of the companions of argon, and neon (англ.) // Report of the Meeting of the British Association for the Advancement of Science. — 1898. — P. 828.

[8] Gagnon, Steve It's Elemental – Xenon (неопр.). Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Дата обращения: 16 июня 2007. Архивировано 12 июня 2020 года.

[kirk-9] ¹ ² Hwang S.-C., Lein R. D., Morgan D. A. Noble Gases // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 5th Ed.. — Wiley, 2005. — ISBN 0-471-48511-X. — doi:10.1002/0471238961.0701190508230114.a01.

[10] Williams, David R. Mars Fact Sheet (неопр.). NASA (1 сентября 2004). Дата обращения: 10 октября 2007. Архивировано 12 июня 2010 года.

[11] Schilling, James Why is the Martian atmosphere so thin and mainly carbon dioxide? (неопр.) (недоступная ссылка). Mars Global Circulation Model Group. Дата обращения: 10 октября 2007. Архивировано 22 августа 2011 года.

[12] Zahnle K. J. Xenological constraints on the impact erosion of the early Martian atmosphere (англ.) // Journal of Geophysical Research (англ.) (рус.. — 1993. — Vol. 98, no. E6. — P. 10899—10913. — doi:10.1029/92JE02941.

[mahaffy-13] Mahaffy P. R. et al. Noble gas abundance and isotope ratios in the atmosphere of Jupiter from the Galileo Probe Mass Spectrometer (англ.) // Journal of Geophysical Research (англ.) (рус.. — 2000. — Vol. 105, no. E6. — P. 15061—15072. — doi:10.1029/1999JE001224. — Bibcode: 2000JGR...10515061M.

[NKJ201805-14] Андрей Вакулка. Ксенон и кислород: сложные отношения (рус.) // Наука и жизнь. — 2018. — № 5. — С. 43—47.

[15] Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Неорганическая химия в реакциях. Справочник. — 2-е изд.. — Москва: Дрофа, 2007. — С. 609. — 640 с.

[16] Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 11 сентября 2011. Архивировано 20 июля 2011 года.

[17] Медицинский комплекс по производству радиоизотопов на базе растворного реактора (неопр.). Дата обращения: 19 августа 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.

[18] О РАЗРЕШЕНИИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ. Приказ. Министерство здравоохранения РФ. 08.10.99 363 :: Инновации и предпринимательство: гранты, технологии, патенты (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 августа 2010. Архивировано 10 ноября 2012 года.

[19] Ксенон — новое слово в наркологии (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 февраля 2011. Архивировано 7 июля 2011 года.

[20] Эксимерный лазер на жидком ксеноне (неопр.). Дата обращения: 18 апреля 2014. Архивировано 24 сентября 2015 года.

[ТГЦ-21] Приемники излучения терагерцового диапазона (обзор). (неопр.). Дата обращения: 24 сентября 2020. Архивировано 13 июля 2019 года.

[22] Gas used by Russian Sochi 2014 medallists banned (неопр.). Дата обращения: 10 ноября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.

[23] WADA признала ксенон допингом (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 ноября 2015. Архивировано 17 ноября 2015 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]