После того как были открыты гелий, неон, аргон и криптон, завершающие четыре первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и не удивительно: в 1 м 3 воздуха всего лишь 0,08 мл ксенона. Рамзай совместно с Траверсом переработали около 100 т жидкого воздуха и получили 0,2 мл газа, который голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с характерные спектральными линиями от оранжевой до фиолетовой области. Так был открыт новый инертный газ. Его назвали, ксеноном, что в переводе с греческого значит "чужой".
Получение:
Получают ректификацией жидкого воздуха.
Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух - практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый - потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.
Физические свойства:
Ксенон представляет собой тяжелый, редкий и пассивный газ, который при значительном охлаждении может быть переведен в жидкое и твердое состояние. Как и все инертные газы он не имеет цвета и запаха. При высоком давлении способен образовывать кристаллические гидраты. Растворяется в воде и органических растворителях. Ксенон обладает сравнительно хорошей электропроводностью.
Химические свойства:
С точки зрения химика ксенон на самом деле оказался "чужим" среди инертных газов. Он первым вступил в химическую реакцию, первым образовал устойчивое соединение. И потому сделал неуместным сам термин "инертные газы".
Мысль о том, что ксенон может образовывать устойчивые соединения с галогенами, приходила в голову многим ученым. Так, еще в 1924 г. высказывалась идея, что фториды и хлориды ксенона термодинамически вполне стабильны и могут существовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали и развили известные теоретики - Полинг и Оддо.
Изучение электронной структуры ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению что он должен образовывать устойчивые соединения с фтором.
Однако лишь в 1961 г. Бартлетт из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает первое химическое соединение ксенона - гексафторплатинат ксенона XePtF 6 .
Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов.
Советские химики внесли большой вклад в синтез и изучение соединений ксенона (В. А. Легасов).
В соединениях проявляет степени окисления +2, +4, +6, +7.
Важнейшие соединения:
Дифторид ксенона XeF 2 ,
летучие кристаллы, имеет резкий специфический запах. Он образуется при действии электрического разряда на смесь ксенона и четырехфтористого углерода. Очень чистый XeF 2 получается, если смесь ксенона и фтора облучить ультрафиолетом. Растворимость дифторида в воде невелика, однако раствор его - сильнейший окислитель. Постепенно окисляет воду, образуя ксенон, кислород и фтористый водород; особенно быстро реакция идет в щелочной среде.
Тетрафторид ксенона XeF 4 ,
вполне устойчивое соединение, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре. Кристаллическое вещество, во влажном воздухе взрывоопасен. Гидролизуется в воде с образованием оксида ксенона ХеО 3 .
Тетрафторид ксенона фторирует ртуть:
XeF 4 + 2Hg = Хе + 2HgF 2 .
Платина тоже фторируется этим веществом, но только растворенным во фтористом водороде.
Гексафторид ксенона XeF 6 ,
крист. вещество, чрезвычайно активен и разлагается со взрывом. Гидролизуется с образованием оксофторидов и оксида ксенона(VI), с растворами щелочей диспропорционирует, образуя перксенаты. Он легко реагирует с фторидами щелочных металлов (кроме LiF), образуя соединения типа CsF*XeF 6
Гексафторплатинат ксенона
XePtF 6 твердое оранжево-желтое вещество. При нагревании в вакууме XePtF 6 возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяя ксенон:
2XеPtF 6 +6H 2 O = 2Xe+РtO 3 + 12HF
Существует также соединение Xе 2 . Аналогичные соединения ксенон образует с гексафторидами рутения, родия и плутония.
Оксид ксенона(VI)
, бесцветные, расплывающиеся на воздухе кристаллы. Молекула ХеО 3 имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Растворим, сильный окислитель.
Ксенаты
соли ксеноновой кислоты - H 2 ХеO 4 , растворимы, в щелочной среде разлагаются на ксенон и перксенаты. Окислители, взрывоопасны.
Оксид ксенона(VIII)
Молекула ХеО 4 построена в виде тетраэдра с атомом ксенона в центре. Вещество это нестойко, при температуре выше 0°С разлагается на кислород и ксенон. Иногда разложение носит характер взрыва.
Перксенаты
соли перксеноновой кислоты - H 4 ХеO 6 , кристаллич., устойчивы до 300°С, нерастворимы. Самые сильные из известных окислителей.
Применение:
В светотехнике признание получили ксеноновые лампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновых лампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр - от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного.
Ксеноновые лампы применяются во всех случаях, когда правильная цветопередача имеет решающее значение: при киносъемках и кинопроекции, при освещении сцены и телевизионных студий, в текстильной и лакокрасочной промышленности.
Ксеноном пользуются и медики - при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Как и баритовая каша, применяющаяся при просвечивании кишечника, ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден.
Радиоактивный изотоп элемента № 54, ксенон-133, используют при исследовании функциональной деятельности легких и сердца.
В виде фторидов ксенона удобно хранить и транспортировать и дефицитный ксенон, и всеразрушающий фтор. Соединения ксенона используются также как сильные окислители и фторирующие агенты.
Самоволова О.
См. также:
Белов Д.В.
Неинертный благородный ксенон. Химия в школе, 2008, №6, стр.10
Трифонов Д.Н., Столетие нулевой группы. Химия (прил. к газ. "1-е Сентября"), №5, 2000 г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ксенон - пятьдесят четвертый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Xe от латинского «xenon». Расположен в пятом периоде, VIIIA группе. Относится к группе инертных (благородных газов). Заряд ядра равен 54.
Ксенон представляет собой бесцветный газ. Содержание его в воздухе составляет 8×10 -6 % (об.). Он плохо растворяется в воде, лучше — в органических растворителях. Образует сольват состава 4Хе×3С 6 Н 5 ОН.
Ксенон не реагирует с кислотами, щелочами.Реакционная способность ксенона выше, чем у криптона: он взаимодействует с сильными окислителями. Этот газ получают путем фракционной дистилляции жидкого воздуха при глубоком охлаждении.
Атомная и молекулярная масса ксенона
Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.
Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).
Поскольку в свободном состоянии ксенон существует в виде одноатомных молекул Хe, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 131,239.
Изотопы ксенона
Известно, что в природе ксенон может находиться в виде девяти стабильных изотопов 124 Хe, 126 Хe, 128 Хe, 129 Хe, 130 Хe, 131 Хe, 132 Хe, 134 Хe и 136 Хe. Их массовые числа равны 124, 126, 128, 129, 130, 131, 132, 134 и 136 соответственно. Ядро атома изотопа ксенона 124 Хe содержит пятьдесят четыре протона и пятьдесятсемьдесят нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы ксенона с массовыми числами от 110-ти до 147-ми, а также двенадцать изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 127 Хe с периодом полураспада равным 36,345 суток.
Ионы ксенона
На внешнем энергетическом уровне атома ксенона имеется восемь электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 6 .
Ксенон - первый инертный газ, для которого были получены химические соединения. В результате химического взаимодействия ксенон отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Хe 0 -1e → Хe + ;
Хe 0 -2e → Хe 2+ ;
Хe 0 -4e → Хe 4+ ;
Хe 0 -6e → Хe 6+ ;
Хe 0 -8e → Хe 8+ .
Молекула и атом ксенона
В свободном состоянии ксенон существует в виде одноатомных молекул Хе. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ксенона:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Вычислите энергию ионизации для иона ксенона Хе(1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 3). |
| Решение | Рассчитаем энергию ионизации иона аргона Хе(1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 3):
Завершающие четыре первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и не удивительно: в 1 м 3 воздуха 9,3 л аргона и всего лишь 0,08 мл ксенона. Процесс выделения благородных газов из воздуха описан многократно. Воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижают, а затем начинают испарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы. Любопытно, что с точки зрения химика ксенон на самом деле оказался «чужим» среди инертных газов. Он первым вступил в химическую реакцию, первым образовал устойчивое соединение. И потому сделал неуместным сам термин «инертные газы». Ксенон вступает в реакцииКогда-то сочетание слов «химия ксенона» казалось абсурдным. И все же дерзкая мысль о том, что ксенон может образовывать устойчивые соединения с галогенами, приходила в голову многим ученым. Так, еще в 1924 г. высказывалась идея, что некоторые соединения тяжелых инертных газов (в частности, фториды и хлориды ксенона) термодинамически вполне стабильны и могут существовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали и развили известные теоретики - Полипг и Оддо. Убедившись, что он действительно вступил в реакцию с гексафторидом платины, Бартлетт выступил с докладом и в 1962 г. опубликовал в журнале «Proceedings of the Chemical Society» статью, посвященную сделанному им открытию. Статья вызвала огромный интерес, хотя многие химики отнеслись к ней с нескрываемым недоверием. Но уже через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американских исследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Кроме того, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидами рутения , родия и плутония . Так были открыты первые пять соединений ксенона: XePtF 6 , Xe(PtFe) 2 , XeRuFe, XeRhF 6 , XePuFe - миф об абсолютной инертности благородных газов развеян и заложено начало химии Xe. Фториды ксенонаНастало время проверить правильность гипотезы о возможности прямого взаимодействия ксенона с фтором. Для получения XeFe требуются более жесткие условия: 700° С и 200 атм. В таких условиях в смеси Xe и фтора (отношение от 1:4 до 1: 20) практически весь ксенон превращается в XeF 6 . Гексафторид ксенона черезвычайно активен и разлагается со взрывом. Он легко реагирует с фторидами щелочных металлов (кроме LiF): XeF 6 + RbF = RbXeF 7 , но при 50° С эта соль разлагается: 2RbXeF 7 = XeF 6 + Rb 2 XeF 8 . Сообщения о синтезе высшего фторида XeFs, устойчивого лишь при температуре ниже 77° К, не подтвердились. Синтез первых соединений Xe поставил перед химиками вопрос о месте инертных газов в периодической системе элементов. Прежде благородные газы были выделены в отдельную нулевую группу, что вполне отвечало представлению об их валентности. Но, когда ксенон вступил в химическую реакцию, когда стали известны его высший оксид ХеO 4 и оксифториды, в которых валентность ксенона равна 8 (а это вполне согласуется со строением его электронной оболочки), инертные газы решили перенести в VIII группу. Нулевая группа перестала существовать. Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Эти вещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изучено взаимодействие фторидов ксенона с водой. Гидролиз XeF 4 в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона ХеO 3 - бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула ХеO 3 имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Достаточно нескольких сотен миллиграммов ХеO 3 , чтобы эксикатор разнесло в куски. Не исключено, что со временем трехокись ксенона будут использовать как взрывчатое вещество дробящего действия. Такая взрывчатка была бы очень удобна, потому что все продукты взрывной реакции - газы. Пока же использовать для этой цели трехокись ксенона слишком дорого - ведь ксенона в атмосфере меньше, чем золота в морской воде, и процесс его выделения слишком трудоемок. Напомним, что для получения 1 м 3 ксенона нужно переработать 11 млн. м 3 воздуха. Соответствующая трехокиси неустойчивая кислота шестивалентного ксенона Н 2 ХеO 4 образуется в результате гидролиза XeF 6 при 0°С: XeF 6 + 4Н 20 → 6HF + Н2ХеO 4 . Если к продуктам этой реакции быстро добавить Ва(ОН) 2 , выпадает белый аморфный осадок ВаХеO 4 . При 125° С он разлагается на , применение ксенона , производство ксенона , ксенон в светотехнике , ксенон в медицне Этот газ, названный «чужим», практически перевернул с ног на голову представления химиков об инертных газах. С самого начала он проявил «странные» свойства: в отличие от других инертных газов, ксенон первым вступил в химическую реакцию, первым же образовал устойчивое соединение. И заодно сделал неуместным сам термин «инертные газы». Благодаря вновь открытому веществу ранее созданная «нулевая» группа периодической системы перестала существовать. В поисках «чужого»После того как были открыты гелий, неон, аргон и криптон, завершающие четыре первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом. Но найти их удалось не сразу. Это и неудивительно: в 1 м 3 воздуха 9,3 л аргона и всего лишь 0,08 мл ксенона. Но к тому времени стараниями ученых, прежде всего англичанина Траверса, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон. Однако после откачки его в сосуде неизменно оставался пузырек газа. Этот газ голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой. В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около ста тонн жидкого воздуха. Индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см 3 этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Характерные спектральные линии — визитная карточка элемента. У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»: в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком. Любопытно, что с точки зрения химика ксенон на самом деле оказался «чужим» среди инертных газов. Он первым вступил в химическую реакцию, первым образовал устойчивое соединение. И потому сделал неуместным сам термин «инертные газы». Синтез первых соединений ксенона поставил перед химиками вопрос о месте инертных газов в периодической системе. Прежде благородные газы были выделены в отдельную нулевую группу, что вполне отвечало представлению об их валентности. Но, когда ксенон вступил в химическую реакцию, когда стал известен его высший фторид, в котором валентность ксенона равна восьми (а это вполне согласуется со строением его электронной оболочки), инертные газы решили перенести в VIII группу. Нулевая группа перестала существовать. Свойства ксенонаКсенон, как и все инертные газы VIII группы таблицы Менделеева, состоит из одноатомных молекул, не имеет ни запаха, ни цвета, не горит и не поддерживает горение, не взрывоопасен, слабо растворяется в воде и очень быстро выделяется из организма через легкие. Как инертный газ он благороден, никакой биотрансформации в организме не подвергается, не вступает ни в какие химические реакции. Инертность Хе обусловлена насыщенностью внешней электронной оболочки, электронные конфигурации его предельно замкнуты и максимально прочны. Порядковый номер Хе — 54, молекулярный вес —131,29. Плотность при 0 °С и 1 Ата составляет 5,89 кг/м 3 , что в 4 раза выше, чем у воздуха и в З,2 раза выше, чем у N 2 О. Ксенон в природеКсенон 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 виды ксенона, например, 133 Xe и 135 Xe , получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах. 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 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. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере — почти в два раза выше, чем у Солнца. Получение ксенонаОсновным источником промышленного производства ксенона является воздух, где в 1000 м 3 содержится 86 см 3 ксенона. В России и странах СНГ уровень годового промышленного производства чистого ксенона составляет около 1500 м 3 . 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% криптоноксеноновой смеси, которая отделяется адсорбированием на силикагель или дистилляцией. Как заключение, ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделен дистилляцией на криптон и ксенон. Основными поставщиками сырья (криптон-ксенонового концентрата) являются крупные промышленные центры металлургической промышленности России. Для получения чистого ксенона используется криптон-ксеноновый концентрат, который подвергается криогенной ректификации на газоразделительных установках, обеспечивающих получение ксенона высокой чистоты (99,999%). Из-за своей малой распространенности ксенон гораздо дороже более легких инертных газов. Ксенон на практикеНесмотря 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 . С конца XX века ксенон стал применяться как средство для общего наркоза (достаточно дорогой, но абсолютно нетоксичный, точнее — не вызывает химических последствий — как инертный газ). Первые диссертации о технике ксенонового наркоза в России появились в 1993 г. В качестве лечебного наркоза ксенон эффективно применяется для снятия острых абстинентных состояний и лечения наркомании, а также психических и соматических расстройств. Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива , а также в качестве компонентов газовых смесей для лазеров. В изотопе ксенон-129 возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния, называемого гиперполяризацией .  Публикации
|
