54 Xe 131.293
稀有气体 p-block Period 5 Group 18

Xe · Element 54 · Noble gases

A noble gas heavy enough to be an anaesthetic, and bright enough to flash a camera.

20°C时的状态 气态
原子量 131.293 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶

结构

氙 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示氙在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 0.006 g/cm³ 8%
熔点 161.4 K 7%
沸点 165 K 8%
比热容 0.158 J/g·K
热导率 0.01 W/m·K 1%

原子

原子半径 140 pm 33%
共价半径 140 pm
范德华半径 216 pm

电子

电负性 2.6 93%
电离能 1170.4 kJ/mol 92%
电子亲和能

存在

地壳中的丰度 0.03 mg/kg 39%

身份

符号Xe
原子序数54
原子量131.293 u
类别稀有气体
p
晶体结构面心立方
氧化态0, +2, +4, +6, +8
发现时间1898
发现者Ramsay & Travers

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 氙 atom?

Radius 140 pm — that is 0.14 nm, so about 3571 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

氙 is liquid over a 4 K window, from 161 K to 165 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 5, group 18. Everything in group 18 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 稀有气态

All 稀有气态

故事

氙 是什么,以及我们如何发现它

用于特种照明和作为麻醉剂。

The discovery of 氙

Sir William Ramsay和Morris Travers(1898年)

氙的发现代表了稀有气体革命的成果,这场革命改变了人们对元素周期表的理解。Sir William Ramsay和他的年轻合作者Morris Travers于1898年在伦敦大学学院发现了氙,这距离Ramsay发现氩仅仅三年,而氩的发现当时已经震动了科学界。

到1898年,Ramsay已经发现了三种稀有气体——氩(1894年)、氦(1895年)以及氖和氪(1898年)。通过光谱分析,他观察到元素周期表中似乎存在一个空位,那里应该还有另一种稀有气体。Ramsay和Travers采用的系统方法,证明了门捷列夫周期性预测的强大作用。

分馏突破

这项发现需要处理数量巨大的液态空气。在氧、氮、氩、氖和氪被除去后,Ramsay和Travers收集了剩余的最重、最不易挥发的馏分。他们使用15升液态空气样品,进行了细致的分馏,最终只分离出3.5立方厘米未知气体。

1898年7月12日,他们首次观察到氙特有的光谱线。这种气体非常重且不活泼,在他们的设备上几乎没有反应。Travers后来写道,他们起初以为仪器发生了故障,因为这种气体似乎完全没有任何化学性质。

“陌生者”得名

“氙”这个名称来自希腊词“xenos”,意思是陌生者外来者。Ramsay之所以选择这个名字,是因为这种气体非常惰性且不活泼,仿佛完全不属于已知化学。当时没有人想到,这种“惰性”气体最终竟然会形成化合物。

氙的光谱特征与此前观测到的任何物质都不同。氙受到电激发时会发出美丽的蓝光,并产生特征光谱线,确凿证明它是一种新元素。这项发现完成了19世纪人们所理解的稀有气体家族。

科学认可与影响

Ramsay的诺贝尔奖于1904年授予化学奖,以表彰他发现包括氙在内的整个稀有气体家族。这项成就彻底改变了化学,揭示出门捷列夫的元素周期表中还存在一个全新的元素族,而这一族元素此前完全不为人知。

氙的发现挑战了关于化学反应性的基本假设。在超过60年的时间里,氙一直被认为完全不活泼,直到Neil Bartlett于1962年证明它能够形成化合物。这一突破推翻了“惰性”气体的观念,并为化学开辟了新的前沿。

早期研究挑战

分离困难使氙成为最难研究的稀有气体。它极其稀少,意味着研究人员可用的样品非常少;同时,它较大的原子质量使其行为不同于较轻的气体。早期实验需要开发全新的技术,以处理痕量的不活泼气体。

直到20世纪中叶大规模空气分离厂发展起来,氙的商业生产才成为可能。在此之前,氙的稀缺性使其几十年来一直只是实验室中的好奇对象,后来才在照明和空间推进领域找到实际用途。

应用

氙的用途

先进照明技术

氙闪光灯产生所有人造光源中最强烈的白光。这些灯通过让电流通过氙气,产生明亮的弧光等离子体,从而生成相当于阳光的光线。摄影棚依靠氙频闪灯提供准确的色温和惊人的亮度,能够以完美细节定格运动。

汽车HID前照灯利用氙气产生比传统卤素灯亮三倍的光,同时消耗更少能量。其特有的蓝白色光束可提供更出色的道路照明,并已成为豪华汽车的标志。氙前照灯的使用寿命最长可达传统灯泡的10倍。

电影放映系统采用大功率氙弧灯照亮电影屏幕。这些灯可产生超过75,000流明的亮度,即使在大型影院中也能确保画面清晰鲜艳。氙光的一致光谱能够保留电影制作人设想的色彩范围。

空间推进系统

离子推力器将氙用作深空任务中理想的航天器燃料。氙原子被电场电离并加速至惊人的速度(最高30 km/s),以空前的效率产生推力。NASA的Dawn任务使用氙离子推进访问了两颗小行星,展示了该技术执行复杂行星际轨道的能力。

霍尔效应推力器利用磁场电离氙,形成从空间站即可看见的蓝色发光等离子体射流。这些发动机可连续提供数月或数年的低推力,使航天器能够抵达使用化学火箭无法到达的目的地,同时只需消耗一小部分燃料质量。

医学应用

医学成像利用氙-133和氙-127作为放射性示踪剂进行肺通气研究。患者吸入少量放射性氙气,使医生能够观察气流模式,并以极高的精度检测肺栓塞、慢性阻塞性肺疾病和其他呼吸系统疾病。

神经保护性麻醉使用氙气作为最先进的全身麻醉剂。氙能够提供出色的疼痛控制和意识丧失,同时在手术期间保护脑组织和心脏组织免受损伤。与其他麻醉剂不同,氙不会产生有毒代谢物,并且能够缩短恢复时间。

CT扫描增强将氙用作脑成像的造影剂。吸入的氙按血流比例溶解于血液和脑组织中,形成详细的脑循环图,帮助诊断中风、肿瘤和其他神经系统疾病。

科学研究

暗物质探测实验使用液态氙作为理想的探测介质。XENON1T等地下实验室使用数吨超纯液态氙捕捉理论上的暗物质粒子。稀有气体的惰性以及受到粒子撞击时能够闪烁的特性,使其成为探测宇宙中最难以捉摸的物质的理想材料。

核磁共振研究使用超极化氙-129在分子层面研究材料。这项技术能够揭示催化剂中的孔隙结构、活体生物的肺功能以及材料的表面性质,其灵敏度是其他方法无法达到的。

汽车照明

豪华车和高性能汽车中的高强度放电(HID)前照灯使用氙气产生明亮的白光。这些前照灯提供的能见度远高于传统卤素灯,尤其是在雾天和雨天。其独特的蓝白色已成为身份象征,不过售后HID套件必须正确安装,以免使其他驾驶员眩目。

氙雾灯凭借强烈而集中的光束模式,比标准灯泡更能穿透恶劣天气。许多欧洲汽车配备了氙辅助照明,以提高不利天气条件下的安全性。

摄影与娱乐

相机闪光灯使用氙管产生摄影所需的明亮白光。从智能手机闪光灯到专业摄影棚频闪灯,氙都能提供瞬时、全光谱的照明,拍摄出自然的图像。短暂而强烈的闪光能够定格运动,同时实现准确的色彩还原。

舞台和剧院照明利用氙聚光灯能够产生强烈、集中的光束这一特点,即使从很远的距离也能突出表演者。音乐会场馆和剧院依靠氙跟踪聚光灯,用明亮的白光追踪表演者在大型舞台上的移动。

显示技术

在LED技术占据主导地位之前,等离子显示面板(PDP)使用与氖混合的氙气制造电视屏幕。每个像素都含有一个充满氙气的小型单元,通电激发后产生紫外光,激活荧光粉并形成可见色彩。

背光系统有时会在需要极其均匀、明亮照明的LCD显示器中使用氙管。尽管已基本被LED取代,氙背光仍用于专业医疗显示器和高端图形显示器。

实验室与研究

气相色谱在专业分析应用中使用氙作为载气。氙较大的原子质量和化学惰性使其适合分析挥发性化合物,以及研究较轻载气可能产生干扰的反应机理。

粒子物理实验中的气泡室使用液态氙探测亚原子粒子。高能粒子穿过液态氙时会产生气泡轨迹,这些轨迹可以被拍摄和分析,用于理解基础物理学。

专业应用

卫星推进系统使用氙进行位置保持和轨道调整。商业卫星依靠氙离子推力器维持位置并延长运行寿命,使全球通信和GPS系统成为可能。

来源

自然存在

0.03 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 39% of elements

大气中的存在

氙是地球大气中最稀有的稳定元素之一,按体积计仅占空气的0.0000087%(每十亿份中87份)。尽管含量极低,大气中仍约含20亿吨氙,这一庞大储量使通过空气分离工艺进行商业提取成为可能。

地球的原始大气中最初含有更多氙,但其中大部分在地球早期形成期间逃逸到太空。如今发现的氙,代表了被困在岩石中、后来经过数十亿年地质过程释放出来的那一小部分。

行星分布

火星大气中的氙具有不同于地球的同位素比例,为行星形成和大气演化提供了重要线索。NASA的火星任务测量了氙同位素,以了解这颗红色星球如何在地质年代中将大部分大气损失到太空。

陨石中含有从早期太阳系中捕获的氙,保存了46亿年前行星形成期间环境条件的记录。这些地外样本表明,氙同位素比例在太阳系各处有所不同,说明不同天体经历了不同的形成过程。

地球上的来源

天然气矿藏有时含有浓度升高的氙,尤其是在其他稀有气体浓度较高的气田中。不过,与空气分离相比,这些来源通常不具备经济上的氙提取价值。

温泉和火山气体会释放少量源自地球深部地幔的氙。这些地质来源有助于了解地球内部组成,以及数十亿年来塑造大气演化的过程。

商业生产

空气分离厂在生产氧和氮时会副产氙。该过程包括将空气冷却至极低温度(-196°C),再利用分馏根据各组分不同的沸点进行分离。氙的沸点为-108°C,因此还需要额外的纯化步骤。

全球氙产量每年仅约500万至700万升,使其成为最昂贵的工业气体之一。有限的供应以及对空间应用、医学用途和先进照明日益增长的需求,使氙成为具有战略重要性的材料。

宇宙丰度

恒星核合成通过老年红巨星中的慢中子俘获过程(s过程)产生氙。当这些恒星抛出外层物质时,会用氙和其他重元素丰富星际介质,这些物质最终形成新的行星系统。

太阳风含有从太阳日冕喷出的氙离子,这些离子可被航天器捕获和分析,用于了解太阳的组成以及恒星大气中发生的过程。

处理

安全

呼吸安全

窒息危险是使用氙气时的主要风险。作为惰性气体,氙会置换密闭空间中的氧气,并可能在毫无预警的情况下导致昏迷或死亡。与有毒气体不同,氙没有气味,也不会产生刺激性,无法提醒受害者。使用或储存氙的区域必须确保通风充足,并使用氧气监测器。

高压应用需要特殊的安全规程。氙通常在较高压力下储存和使用,容器损坏时会产生爆炸性减压风险。应使用适当的压力调节器和泄压阀,未经适当培训,绝不要尝试维修加压的氙设备。

麻醉作用

麻醉性质使高浓度氙具有危险性。即使短时间暴露于高浓度氙中,也可能导致头晕、欣快感和意识丧失。使用氙麻醉的医疗机构需要专用设备和培训,以防止医务人员意外暴露。

判断能力受损可能在浓度低得出人意料时发生。与缺氧不同,氙中毒可能造成虚假的良好感觉,使人无法意识到危险。工作人员可能直到协调能力和决策能力受到明显损害时,才意识到自己已经受到影响。

低温危险

液态氙会带来极端低温危险,其沸点为-108°C。接触皮肤会立即造成冻伤,而泄漏还会在液体迅速蒸发时产生滑倒危险。处理液态氙时,必须使用专用低温手套、面部防护用品和包头鞋。

快速膨胀会在液态氙汽化时发生,其体积会增加560倍。这种膨胀可能导致密闭容器内危险的压力积聚,并使为正常气体体积设计的通风系统超负荷。

放射性同位素

氙-133和氙-127等医学同位素需要遵守辐射安全规程。这些气体会发射伽马辐射,需要特殊的处理、储存和处置程序。医疗机构必须监测辐射暴露水平,并遵守严格的患者和工作人员防护指南。

防止污染对于使用放射性氙同位素至关重要。气体很容易通过通风系统扩散,因此需要专用的隔离和空气处理设备。所有人员都必须使用适当的个人剂量监测设备,并遵守既定的辐射安全程序。

快速回答

氙:常见问题

What is 氙?

氙 (symbol Xe) is element 54 on the periodic table, a 稀有气体 in period 5, group 18. A noble gas heavy enough to be an anaesthetic, and bright enough to flash a camera. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of 氙?

氙's ground-state electron configuration is [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 18, 8 electrons respectively. Its outer shell holds 8 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 氙?

氙 melts at 161.4 K (-111.7 °C) and boils at 165 K (-108.1 °C).

What is the atomic mass of 氙?

The standard atomic weight of 氙 is 131.293 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 氙?

氙 is a gas at room temperature; its density is about 5.898 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly heavier than air.

What is the electronegativity of 氙?

氙 has a Pauling electronegativity of 2.6. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 氙, and when?

氙 was discovered in 1898 by Ramsay & Travers. It is named after greek xenos, "stranger".

How common is 氙 on Earth?

氙 makes up about 0.03 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.