Ксенон

Ксенон был обнаружен как небольшая примесь к криптону^[8][9]. За открытие инертных газов (в частности ксенона) и определение их места в периодической таблице Менделеева Уильям Рамзай получил в 1904 году Нобелевскую премию по химии.

Рамзай предложил в качестве названия элемента древнегреческое слово ξένον, которое является формой среднего рода единственного числа от |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.

Ксенон — весьма редкий элемент. При нормальных условиях в кубометре воздуха содержится 0,086^[4]—0,087^[10] см³ ксенона.

Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0,08 миллионной доли^[11], 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^[12][13]. В атмосфере Юпитера, напротив, концентрация ксенона необычно высока — почти в два раза выше, чем в фотосфере Солнца^[14].

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^[10]. 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.

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].

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/см^3[4].

Тройная точка: температура 161,36 К (−111,79 °C), давление 81,7 кПа, плотность 3,540 г/см^3[4].

В электрическом разряде светится синим цветом (462 и 467 нм). Жидкий ксенон является сцинтиллятором.

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 нм^3[4]. Энергия ионизации 12,1298 эВ^[3].

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^[15].

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 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^[16]:

${\displaystyle {\mathsf {Xe+F_{2}\rightarrow XeF_{2}}}}$ при комнатной температуре и УФ-облучении или при 300—500 ºC под давлением;

${\displaystyle {\mathsf {Xe+2F_{2}\rightarrow XeF_{4}}}}$ при 400 ºC под давлением; примеси XeF₂, XeF₆;

${\displaystyle {\mathsf {Xe+3F_{2}\rightarrow XeF_{6}}}}$ при 300 ºC под давлением; примесь XeF₄.

Оксид ксенона(VI) впервые был получен осторожным гидролизом тетрафторида ксенона и гексафторида ксенона. При подкислении водных растворов перксенатов образуется желтый летучий взрывчатый тетраоксид ксенона.

Первые стабильные ксенонорганические соединения были получены в 1988 году реакцией дифторида ксенона с перфторарилборанами. Гексафторарсенат(V) пентафторфенилксенона(II) (C₆F₅Xe)[AsF₆] необычайно стабилен, плавится почти без разложения при 102°С и используется как исходное соединение для синтеза других ксенонорганических соединений.

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)^[17].

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^[18], его накопление в ядерных реакторах в результате цепочки β-распадов ядер теллура-135 и иода-135 приводит к эффекту так называемого отравления ксеноном (иодная яма).

В промышленности ксенон получают как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот^[3].

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 (¹²⁷Xe, ¹³³Xe, ¹³⁷Xe 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. В 2020 году Роскосмос заявил о начале строительства космического аппарата «Нуклон» с ядерной силовой установкой. Ксенон будет использоваться в качестве рабочего тела реактивного двигателя.
• В конце XX века был разработан метод применения ксенона в качестве средства для наркоза и обезболивания. Первые диссертации о технике ксенонового наркоза появились в России в 1993 году. В 1999 году ксенон был разрешён к медицинскому применению в качестве средства для ингаляционного наркоза^[19].
• Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива, а также в качестве компонентов газовых смесей для лазеров^[20].
• Ксенон используется для наполнения ячейки Голея в детекторах терагерцевого излучения^[21].
• Для транспортировки фтора, проявляющего сильные окисляющие свойства.

• В 2014 году Всемирное антидопинговое агентство приравняло ингаляции ксенона к применению допинга^[22].