Xe · Элемент 54 · Благородный газ
Благородный газ, достаточно тяжёлый, чтобы служить анестетиком, и достаточно яркий, чтобы вспыхнуть в фотоаппарате.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение ксенон среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 140 pm — это 0,14 нм, поэтому около 3,57 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Ксенон находится в жидком состоянии в диапазоне 4 K — от 161 K до 165 K.
История
Используется в специализированном освещении и в качестве анестетика.
Открытие ксенона стало кульминацией революции благородных газов, изменившей наше понимание периодической таблицы. Sir William Ramsay и его молодой коллега Morris Travers открыли ксенон в University College London в 1898 году, всего через три года после открытия Ramsay аргона, потрясшего научный мир.
К 1898 году Ramsay уже открыл три благородных газа — аргон (1894), гелий (1895), а также неон и криптон (1898). Используя спектроскопический анализ, он заметил, что в периодической таблице, вероятно, существует пробел, где должен находиться ещё один благородный газ. Систематический подход Ramsay и Travers продемонстрировал силу периодических предсказаний Менделеева.
Для открытия потребовалась переработка огромных объёмов жидкого воздуха. Ramsay и Travers собрали самую тяжёлую, наименее летучую фракцию, оставшуюся после удаления кислорода, азота, аргона, неона и криптона. Работая с образцом жидкого воздуха объёмом 15 литров, они тщательно проводили фракционную перегонку, чтобы выделить всего 3.5 кубических сантиметра неизвестного газа.
12 июля 1898 года они впервые наблюдали характерные спектральные линии ксенона. Газ был настолько тяжёлым и нереакционноспособным, что едва регистрировался их оборудованием. Позднее Travers писал, что сначала они решили, будто их установка неисправна, поскольку казалось, что газ вообще не обладает химическими свойствами.
Название «xenon» происходит от греческого слова «xenos», означающего чужой или иностранец. Ramsay выбрал это название, поскольку газ был настолько инертным и нереакционноспособным, что казался совершенно чуждым всей известной химии. В то время никто не предполагал, что этот «инертный» газ в конечном итоге будет образовывать химические соединения.
Спектроскопический профиль ксенона не имел аналогов среди ранее наблюдавшихся. При электрическом возбуждении ксенон испускал красивое голубое свечение с характерными спектральными линиями, окончательно доказавшими, что это новый элемент. Это открытие завершило семейство благородных газов в том виде, в каком его понимали в XIX веке.
Нобелевская премия Ramsay по химии (1904) признала его открытие всего семейства благородных газов, включая ксенон. Это достижение произвело революцию в химии, показав, что в периодической таблице Менделеева есть место для целой новой группы ранее неизвестных элементов.
Открытие ксенона поставило под сомнение фундаментальные представления о химической реакционной способности. Более 60 лет ксенон считали полностью инертным, пока Neil Bartlett в 1962 году не доказал, что он способен образовывать соединения. Этот прорыв опроверг представление об «инертных» газах и открыл новые направления в химии.
Сложности выделения сделали ксенон самым трудным для изучения благородным газом. Его исключительная редкость означала, что исследователи располагали лишь крошечными количествами, а большая атомная масса заставляла его вести себя иначе, чем более лёгкие газы. Ранние эксперименты требовали разработки совершенно новых методов работы с малыми количествами нереакционноспособных газов.
Промышленное производство ксенона оставалось невозможным до создания крупномасштабных установок разделения воздуха в середине XX века. Из-за этой редкости ксенон десятилетиями оставался лабораторной диковинкой, прежде чем нашёл практическое применение в освещении и космической тяге.
Применение
Ксеноновые импульсные лампы создают самый интенсивный белый свет среди всех искусственных источников. Эти лампы генерируют свет, эквивалентный солнечному, пропуская электрический ток через газообразный ксенон и создавая яркую дуговую плазму. Фотостудии используют ксеноновые стробоскопы благодаря точной цветовой температуре и невероятной яркости, позволяющей фиксировать движение с идеальной детализацией.
Автомобильные фары высокой интенсивности (HID) используют газообразный ксенон для создания света, втрое более яркого, чем у традиционных галогенных ламп, при меньшем энергопотреблении. Характерный сине-белый луч обеспечивает превосходное освещение дороги и стал символом автомобилей класса люкс. Ксеноновые фары служат до 10 раз дольше обычных ламп.
Системы кинопроекции используют мощные ксеноновые дуговые лампы для освещения киноэкранов. Эти лампы могут создавать яркость более 75 000 люмен, обеспечивая чёткие, насыщенные изображения даже в больших кинотеатрах. Стабильный спектр ксенонового света сохраняет цветовую палитру, задуманную режиссёром.
Ионные двигатели используют ксенон как оптимальное топливо для космических аппаратов в дальних космических миссиях. При ионизации электрическими полями атомы ксенона ускоряются до огромных скоростей (до 30 km/s), создавая тягу с беспрецедентной эффективностью. Миссия NASA Dawn использовала ионную тягу на ксеноне для посещения двух астероидов, продемонстрировав возможности технологии для сложных межпланетных траекторий.
Двигатели с эффектом Холла ионизируют ксенон с помощью магнитных полей, создавая струю голубой плазмы, видимую с космических станций. Эти двигатели обеспечивают непрерывную малую тягу в течение месяцев или лет, позволяя космическим аппаратам достигать пунктов назначения, недоступных для химических ракет, используя лишь небольшую долю массы топлива.
Медицинская визуализация использует ксенон-133 и ксенон-127 в качестве радиоактивных индикаторов для исследования вентиляции лёгких. Пациенты вдыхают небольшие количества радиоактивного газа ксенона, что позволяет врачам с высокой точностью визуализировать характер воздушного потока и выявлять тромбоэмболию лёгочной артерии, хроническую обструктивную болезнь лёгких и другие заболевания дыхательной системы.
Нейропротекторная анестезия использует газообразный ксенон как наиболее передовой доступный общий анестетик. Ксенон обеспечивает эффективное обезболивание и потерю сознания, защищая ткани мозга и сердца от повреждений во время операции. В отличие от других анестетиков, ксенон не образует токсичных метаболитов и обеспечивает более быстрое восстановление.
Улучшение КТ-сканирования использует ксенон в качестве контрастного вещества для визуализации мозга. Вдыхаемый ксенон растворяется в крови и мозговой ткани пропорционально кровотоку, создавая подробные карты мозгового кровообращения, которые помогают диагностировать инсульты, опухоли и другие неврологические заболевания.
Эксперименты по обнаружению тёмной материи используют жидкий ксенон как оптимальную среду детектора. Подземные лаборатории, такие как XENON1T, применяют тонны сверхчистого жидкого ксенона для регистрации гипотетических частиц тёмной материи. Инертность благородного газа и его способность сцинтиллировать при столкновении с частицами делают его идеальным для обнаружения самой трудноуловимой материи Вселенной.
Исследования ядерного магнитного резонанса используют гиперполяризованный ксенон-129 для изучения материалов на молекулярном уровне. Этот метод выявляет структуру пор в катализаторах, функцию лёгких живых организмов и поверхностные свойства материалов с чувствительностью, недостижимой при использовании других методов.
Фары высокой интенсивности (HID) в автомобилях класса люкс и спортивных автомобилях используют газообразный ксенон для создания яркого белого света. Эти фары обеспечивают значительно лучшую видимость, чем традиционные галогенные лампы, особенно в туман и дождь. Характерный сине-белый цвет стал символом статуса, хотя установка комплектов HID на автомобиль требует соблюдения правил, чтобы не ослеплять других водителей.
Ксеноновые противотуманные фары лучше проникают сквозь неблагоприятные погодные условия благодаря интенсивному сфокусированному лучу. Многие европейские автомобили оснащены ксеноновым дополнительным освещением для повышения безопасности при плохой погоде.
Фотовспышки используют ксеноновые трубки для создания яркого белого света, необходимого в фотографии. От вспышек смартфонов до профессиональных студийных стробоскопов — ксенон обеспечивает мгновенное полноспектральное освещение, позволяющее получать естественно выглядящие изображения. Короткая интенсивная вспышка фиксирует движение и обеспечивает точную передачу цветов.
Сценическое и театральное освещение использует ксеноновые прожекторы, способные создавать интенсивные сфокусированные лучи для выделения исполнителей с большого расстояния. Концертные площадки и театры используют ксеноновые следящие прожекторы для сопровождения исполнителей по большим сценам ярким белым светом.
Плазменные панели (PDP) использовали смесь ксенона и неона для создания телевизионных экранов до широкого распространения светодиодной технологии. Каждый пиксель содержал небольшую ячейку, заполненную газом ксеноном, который при электрическом возбуждении создавал ультрафиолетовый свет, активировавший люминофоры для формирования видимых цветов.
Системы подсветки ЖК-мониторов иногда используют ксеноновые трубки в приложениях, требующих исключительно равномерного и яркого освещения. Хотя их в основном заменили светодиоды, ксеноновая подсветка всё ещё применяется в специализированных медицинских дисплеях и профессиональных графических мониторах.
Газовая хроматография использует ксенон как газ-носитель в специализированных аналитических приложениях. Большая атомная масса и химическая инертность делают его ценным для анализа летучих соединений и изучения механизмов реакций, в которых более лёгкие газы-носители могут мешать.
Пузырьковые камеры в экспериментах по физике частиц используют жидкий ксенон для обнаружения субатомных частиц. Когда частицы высокой энергии проходят через жидкий ксенон, они создают цепочки пузырьков, которые можно фотографировать и анализировать для изучения фундаментальной физики.
Системы спутниковой тяги используют ксенон для удержания спутника на позиции и коррекции орбиты. Коммерческие спутники используют ксеноновые ионные двигатели для сохранения положения и продления срока эксплуатации, благодаря чему возможны глобальные системы связи и GPS.
Откуда он происходит
0,03 мг/кг земной коры · более распространён, чем 39% элементов
Ксенон — один из самых редких стабильных элементов в атмосфере Земли; его объёмная доля в воздухе составляет всего 0.0000087% (87 частей на миллиард). Несмотря на редкость, атмосфера содержит около 2 миллиардов тонн ксенона — огромный резервуар, делающий промышленное извлечение возможным с помощью процессов разделения воздуха.
Первичная атмосфера Земли изначально содержала гораздо больше ксенона, но большая его часть улетучилась в космос в период раннего формирования планеты. Обнаруживаемый сегодня ксенон представляет собой небольшую долю, оказавшуюся захваченной горными породами и впоследствии высвобождавшейся в ходе геологических процессов на протяжении миллиардов лет.
Атмосфера Марса содержит ксенон в иных изотопных соотношениях по сравнению с Землёй, что даёт важные сведения о формировании планет и эволюции атмосфер. Миссии NASA на Марс измеряли изотопы ксенона, чтобы понять, как Красная планета за геологическое время потеряла большую часть атмосферы в космос.
Метеориты содержат ксенон, захваченный в ранней Солнечной системе, сохраняя сведения об условиях, существовавших при формировании планет 4.6 миллиарда лет назад. Эти внеземные образцы показывают, что соотношения изотопов ксенона различаются в разных областях Солнечной системы, указывая на различные процессы формирования небесных тел.
Месторождения природного газа иногда содержат повышенные концентрации ксенона, особенно в месторождениях с высоким содержанием других благородных газов. Однако по сравнению с разделением атмосферного воздуха эти источники обычно экономически невыгодны для извлечения ксенона.
Горячие источники и вулканические газы выделяют небольшие количества ксенона, происходящего из глубин мантии Земли. Эти геологические источники дают сведения о внутреннем составе планеты и процессах, формировавших эволюцию атмосферы на протяжении миллиардов лет.
Установки разделения воздуха производят ксенон как побочный продукт получения кислорода и азота. Процесс включает охлаждение воздуха до очень низких температур (-196°C) и фракционную перегонку для разделения компонентов по различию их температур кипения. Ксенон с температурой кипения -108°C требует дополнительных стадий очистки.
Мировое производство ксенона составляет всего около 5-7 миллионов литров в год, что делает его одним из самых дорогих промышленных газов. Ограниченное предложение и растущий спрос в космической отрасли, медицине и передовом освещении сделали ксенон стратегически важным материалом.
Звёздный нуклеосинтез производит ксенон посредством медленного захвата нейтронов (s-процесс) в стареющих красных гигантах. Когда эти звёзды сбрасывают внешние слои, они обогащают межзвёздную среду ксеноном и другими тяжёлыми элементами, из которых впоследствии формируются новые планетные системы.
Солнечный ветер содержит ионы ксенона, выброшенные из короны Солнца; их можно захватывать космическими аппаратами и анализировать для изучения состава Солнца и процессов, происходящих в атмосферах звёзд.
Обращение
Опасность удушья — основной риск при работе с газообразным ксеноном. Будучи инертным газом, ксенон вытесняет кислород в замкнутых пространствах и может без предупреждения вызвать потерю сознания или смерть. В отличие от токсичных газов, ксенон не имеет запаха и не вызывает раздражения, которые могли бы предупредить пострадавших. Всегда обеспечивайте достаточную вентиляцию и используйте кислородные анализаторы в местах применения или хранения ксенона.
Работа под высоким давлением требует специальных протоколов безопасности. Ксенон часто хранится и используется под значительным давлением, что создаёт риск взрывной разгерметизации при повреждении контейнеров. Используйте подходящие регуляторы давления и предохранительные клапаны; никогда не пытайтесь ремонтировать оборудование с ксеноном под давлением без надлежащей подготовки.
Наркотические свойства делают ксенон опасным при повышенных концентрациях. Даже кратковременное воздействие высоких концентраций может вызвать головокружение, эйфорию и потерю сознания. Медицинским учреждениям, использующим ксеноновую анестезию, необходимы специализированное оборудование и подготовка для предотвращения случайного воздействия на медицинский персонал.
Нарушение способности принимать решения возникает при неожиданно низких концентрациях. В отличие от кислородного голодания, ксеноновый наркоз может создавать ложное ощущение благополучия, мешающее распознать опасность. Работники могут не осознавать воздействия, пока координация движений и способность принимать решения не окажутся существенно нарушены.
Жидкий ксенон представляет серьёзную опасность из-за экстремально низкой температуры; его температура кипения составляет -108°C. Контакт с кожей вызывает немедленное обморожение, а проливы могут создавать опасность поскользнуться, поскольку жидкость быстро испаряется. При работе с жидким ксеноном необходимы специальные криогенные перчатки, защита лица и закрытая обувь.
Быстрое расширение происходит при испарении жидкого ксенона: объём увеличивается в 560 раз. Это расширение может вызвать опасное повышение давления в закрытых контейнерах и перегрузить вентиляционные системы, рассчитанные на обычные объёмы газа.
Медицинские изотопы, такие как ксенон-133 и ксенон-127, требуют соблюдения протоколов радиационной безопасности. Эти газы испускают гамма-излучение и требуют специальных процедур обращения, хранения и утилизации. Медицинские учреждения должны контролировать уровни радиационного воздействия и соблюдать строгие правила защиты пациентов и персонала.
Предотвращение загрязнения имеет решающее значение при работе с радиоактивными изотопами ксенона. Газ легко распространяется по вентиляционным системам, поэтому необходимы специализированные системы локализации и очистки воздуха. Весь персонал должен использовать соответствующие дозиметры и соблюдать установленные процедуры радиационной безопасности.
Краткие ответы
Ксенон (символ Xe) — элемент 54 в периодической таблице, представитель семейства Благородный газ в 5 периоде, 18 группе. Благородный газ, достаточно тяжёлый, чтобы служить анестетиком, и достаточно яркий, чтобы вспыхнуть в фотоаппарате. При комнатной температуре это газ.
[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 18, 8. На внешней оболочке находится 8 электронов, что определяет характер химических связей.Ксенон плавится при 161.4 K (-111.7 °C) и кипит при 165 K (-108.1 °C).
Стандартная атомная масса Ксенон составляет 131.293 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Ксенон при комнатной температуре — газ; его плотность при 0 °C и давлении 1 атм составляет около 5.898 г/л — он примерно тяжелее воздуха.
Электроотрицательность Ксенон по шкале Полинга составляет 2.6. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Ксенон был открыт в 1898 году Ramsay & Travers. Назван в честь греческое xenos, «чужой».
На долю Ксенон приходится около 0.03 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.