Строение атома ксенона. База данных по теплофизическим свойствам газов и их смесей, используемых в яэу Ксенон физические и химические свойства

Ксенон (лат. xenonum), xe, химический элемент viii группы периодической системы Д. И. Менделеева, относится к инертным газам; ат. н. 54, ат. м. 131,30. На Земле К. присутствует главным образом в атмосфере. Атмосферный К. состоит из 9 стабильных изотопов, среди которых преобладают 129 xe, 131 xe и 132 xe. Открыт в 1898 английскими исследователями У. Рамзаем и М. Траверсом, которые подвергли медленному испарению жидкий воздух и спектроскопическим методом исследовали его наиболее труднолетучие фракции. К. был обнаружен как примесь к криптону, с чем связано его название (от греч. x e nos - чужой). К. - весьма редкий элемент. При нормальных условиях 1000 м 3 воздуха содержат около 87 см 3 К.

К. - одноатомный газ без цвета и запаха; плотность при 0°С и 10 5 н/м 3 (760 мм рт. cm. ) 5,851 г/л , t пл -111,8 °С, t кип -108,1 °С. В твёрдом состоянии обладает кубической решёткой с параметром элементарной ячейки а= 6,25 a (при -185 °С). Пятая, внешняя электронная оболочка атома К. содержит 8 электронов и весьма устойчива. Однако притяжение внешних электронов к ядру в атоме К. экранировано большим количеством промежуточных электронных оболочек, и первый потенциал ионизации К., хотя и довольно велик (12, 13 эв ), но значительно меньше, чем у других стабильных инертных газов. Поэтому К. был первым инертным газом, для которого удалось получить химическое соединение - xeptf 6 (канадский химик Н. Бартлетт, 1961). Дальнейшие исследования показали, что К. способен проявлять валентности i, ii, iv, vi и viii. Лучше всего изучены соединения К. с фтором: xef 2, xef 4 , xef 6 , xef 8 , которые получают в специальных условиях, используя никелевую аппаратуру. Так, xef 4 можно синтезировать при простом пропускании смеси xe и f 2 через нагретую никелевую трубку. Синтез xef 2 возможен при облучении смеси xe и f 2 ультрафиолетовым излучением. Получить же фториды xef 6 и xef 8 удаётся только при использовании высоких давлений (до 20 Мн/м 2 , или 200 ат ) и повышенной температуры (300-600°С). xef 4 наиболее устойчив (длительное время сохраняется при комнатной температуре), наименее устойчив xef 8 (сохраняется при температуре ниже 77 К). При осторожном упаривании раствора xef 4 в воде образуется весьма неустойчивый нелетучий окисел xeo 3 - сильное взрывчатое вещество. Действием раствора ba (oh) 2 на xef 6 можно получить ксенонат бария ba 3 xeo 6 . Известны и соли, содержащие восьмивалентный К., - перксенонаты, например na 4 xeo 6 · 6h 2 o. Действуя на него серной кислотой, можно получить высший окисел xeo 4 . Известны двойные соли xef 2 · 2sbf 5 , xef 6 · asf 3 и др., перхлорат xecio 4 - очень сильный окислитель и др.

В промышленности К. получают из воздуха. Вследствие очень низкого содержания К. в атмосфере объём производства невелик. Одно из самых важных применений К. - использование его в мощных газоразрядных лампах. Кроме того, К. находит применение для исследовательских и медицинских целей. Так, благодаря высокой способности К. поглощать рентгеновское излучение его используют как контрастное вещество при исследовании головного мозга. Фториды К. находят применение как мощные окислители и фторирующие агенты. В виде фторидов удобно хранить и транспортировать чрезвычайно агрессивный фтор.

КСЕНОН, Xe (от греческого xenos — чужой * а. xenon; н. xenon; ф. xenon; и. xenon),- химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева , относится к инертным газам , атомный номер 54, атомная масса 131,3. Природный ксенон — смесь девяти стабильных изотопов, среди которых наиболее распространены 129 Xe, 131 Xe, 132 Xe. Открыт в 1898 английским учёными У. Рамзаем и М. Траверсом.

Ксенон — одноатомный инертный газ без цвета и запаха. Плотность 5851 кг/м 3 , t плавления -111,8°С, t кипения -108,1°С. В твёрдом состоянии имеет кубическую гранецентрированную решётку; параметр элементарной ячейки а=0,625 нм (при -185°С). Ксенон проявляет степени окисления +1, +2, +4, +6, +8. Непосредственно ксенон взаимодействует только со фтором , образуя XeF 2 , XeF 4 , XeF 6 . Наиболее устойчив XeF 4 , из которого в водном растворе получается неустойчивый, нелетучий и взрывчатый триоксид XeO 3 ; известен и тетраоксид XeO 4 . В водных растворах образуются соли ксеноновой кислоты, получены также соли с 8-валентным ксеноном — перксенаты. Синтезированы двойные соли: XeF 2 .2SbF 5 , XeF 6 .AsF 3 и др. Ксенон образует также клатраты (например, Xe.5,75Н 2 О и др.).

В природных условиях соединения ксенона неизвестны. В изученных породах ювенильного происхождения концентрация ксенона варьирует более чем в 1000 раз; наиболее вероятная концентрация ксенона в базальтах , кимберлитах и включениях в них 7.10 -12 см 3 /г. В глинах концентрация ксенона от 10 -10 до 10 -8 см 3 /г. В воздухе объёмная концентрация ксенона 8,77.10 -6 %. Общее количество ксенона в атмосфере Земли 3,5.10 17 см 3 . В мантии до глубины 200-400 км общее количество ксенона много меньше, чем в атмосфере. Изотопный состав мантийного ксенона практически неотличим от изотопного состава атмосферного ксенона. Большое обогащение изотопом 129 Xe найдено в каменных и железных (в силикатных и сульфидных включениях) метеоритах, в атмосфере Mapca. В урансодержащих минералах имеется ксенон спонтанного деления 238 U (изотопы 136 Xe, 134 Xe, 132 Xe, 131 Xe) и ксенон нейтронно-индуцированного деления 235 U (те же изотопы и 129 Xe Соотношение концентрации этих изотопов ксенона зависит от химического состава минерала. В теллуридах, теллуровисмутитах и других минералах Te накапливается изотоп 130 Xe за счёт 2b - -распада 130 Te (ТЅ=10 21 лет). В некоторых баритах в земных условиях, а также во внеземном веществе (метеориты, лунный грунт) содержатся нейтронно-дефицитные изотопы ксенона 124 Xe, 126 Xe, 128 Xe, 129 Xe, 130 Xe, 131 Xe — продукты расщепления атомных ядер Ba и редкоземельных элементов высокоэнергетичными протонами космического излучения.

В промышленности ксенон получают из воздуха методом глубокого охлаждения с последующей ректификацией . Используют ксенон для наполнения ламп накаливания, рентгеновских трубок и мощных газоразрядных и импульсных света. Радиоактивные изотопы ксенона применяют в качестве источников излучения в радиографии. Определение концентрации изотопов ксенона в урановых минералах позволяет определить их возраст.

Ксенон (лат. Xenonum), Xe, химический элемент VIII группы периодической системы Д. И. Менделеева, относится к инертным газам; атомный номер 54, атомная масса 131,30. На Земле Ксенон присутствует главным образом в атмосфере. Атмосферный Ксенон состоит из 9 стабильных изотопов, среди которых преобладают 129 Хе, 131 Хе и 132 Хе.

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 XeF2 , летучие кристаллы, имеет резкий специфический запах. Он образуется при действии электрического разряда на смесь ксенона и четырехфтористого углерода. Очень чистый XeF2 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 XeF4 , 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 ХеО3. Тетрафторид ксенона фторирует ртуть:
XeF4 + 2Hg = Хе + 2HgF2.
Платина тоже фторируется этим веществом, но только растворенным во фтористом водороде.

Гексафторид ксенона XeF6 , 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*XeF6

Гексафторплатинат ксенона XePtF6 твердое оранжево-желтое вещество. При нагревании в вакууме XePtF6возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяя ксенон:
2XеPtF6+6H2O = 2Xe+РtO3 + 12HF
Существует также соединение Xе2. Аналогичные соединения ксенон образует с гексафторидами рутения, родия и плутония.
Оксид ксенона(VI) , бесцветные, расплывающиеся на воздухе кристаллы. Молекула ХеО3 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 - H2ХеO4, растворимы, в щелочной среде разлагаются на ксенон и перксенаты. Окислители, взрывоопасны.

Оксид ксенона(VIII) Молекула ХеО4 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 - H4ХеO6, 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.

, 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 ксенона

Ксенон, 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 природе

Ксенон 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 ксенона

Основным 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 практике

Несмотря 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 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ксенон расположен в пятом периоде VIII группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к семейству инертных (благородных газов). Обозначение - Xe. Порядковый номер - 54. Относительная атомная масса - 131,3 а.е.м.

Электронное строение атома ксенона

Атом ксенона состоит из положительно заряженного ядра (+54), внутри которого есть 54 протона и 77 нейтронов, а вокруг, по пяти орбитам движется 54 электрона.

Рис.1. Схематическое строение атома ксенона.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

54Xe) 2) 8) 18) 18) 8 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 .

Внешний энергетический уровень атома ксенона содержит 8 электронов, т.е. полностью завершен (именно поэтому ксенон мало химически активный элемент). Все эти электроны являются валентными. Возбужденного состояния нет. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома ксенона можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Электронная формула аниона Э 2- [ 10 Ne]3s 2 3p 6 отвечает элементу: аргон, хлор, сера или фосфор?
Решение	Для того, чтобы записать полную электронную формулу искомого элемента, нужно знать электронную конфигурацию неона: 10 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 . Тогда, полная электронная формула имеет вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 . Так как при образовании отрицательно заряженных ионов элемент выступает в качестве акцептора протонов, то электронная формула элемента в основном состоянии имеет вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . Общее количество электронов в электронной оболочке совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице. Оно равно 16. Это сера.
Ответ	Сера (S)