Ксенон
Общие сведения
Ксенон представляет собой химический элемент восемнадцатой группы периодической системы с атомным номером пятьдесят четыре. Это тяжелый одноатомный благородный газ. Элемент был обнаружен относительно поздно из-за своей редкости в природе. Открытие принадлежит химику Уильяму Рамзаю, лауреату Нобелевской премии 1904 года, который выделил ксенон в качестве примеси к криптону. Название элемента происходит от греческого слова, означающего «чужой» или «чуждый», что отражает его природу как редкой примеси в газовых смесях. Известны изотопы ксенона с массовыми числами от 108 до 147, девять из которых встречаются в природе. Особое значение имеет изотоп ксенон-135 с периодом полураспада 9 часов, который обладает максимальным сечением захвата тепловых нейтронов среди всех известных веществ. Данный изотоп активно накапливается в ядерных реакторах в процессе радиоактивного распада, что приводит к эффекту отравления реакторов.
Свойства и характеристики
Ксенон переходит в жидкое состояние в узком температурном диапазоне: температура его плавления составляет -112 °C, а температура кипения равна -108 °C. Тройная точка элемента находится на отметке -11,79 °C. В твердом состоянии при температурах ниже -112 °C ксенон образует кристаллы кубической сингонии. Газ в пять раз тяжелее воздуха и при вдыхании способен понижать тембр голоса. В электрическом разряде ксенон испускает синее свечение. Вещество является диамагнитным и слабо растворяется в воде. Ксенон стал первым инертным газом, для которого удалось получить химические соединения, что делает его наиболее реактивным среди благородных газов. В 1962 году Нил Бартлетт синтезировал первое соединение ксенона в реакции с гексафторидом платины. Впоследствии были получены дифторид, тетрафторид и гексафторид ксенона, которые являются крайне ядовитыми веществами. Гидролиз тетрафторида и гексафторида позволяет получить оксид ксенона и ксенонистую кислоту, которая легко разлагается на соли при добавлении щелочи. Тетраоксид ксенона представляет собой взрывоопасное вещество. В 1988 году были синтезированы стабильные ксенонорганические соединения, такие как гексафторарсенат пентафторфенилксенона, плавящийся при 102 °C. Сам по себе газ не токсичен и не имеет запаха, однако способен вызывать наркоз, а в больших концентрациях — удушье из-за вытеснения кислорода.
Нахождение в природе
В Солнечной системе ксенон является крайне редким элементом. В атмосфере Солнца, а также на Земле и Марсе его содержание минимально. Предполагается, что Земля и Марс потеряли свою первичную атмосферу, в то время как ксенон постоянно образуется в процессе радиоактивного распада, и его расчетное количество должно быть выше. На Юпитере концентрация ксенона в два раза превышает солнечную, что может свидетельствовать о формировании Солнечной системы из двух звезд. В земной атмосфере доля ксенона составляет миллионные доли процента. В незначительных количествах газ также выделяется из минеральных источников. Значительные объемы ксенона в настоящее время образуются искусственным путем в процессе ядерного распада в реакторах.
Получение
Обнаружение элемента осуществляется с помощью эмиссионной спектроскопии, а количественное определение проводится методами масс-спектрометрии и абсорбционного анализа. В промышленных масштабах ксенон получают как побочный продукт при производстве жидкого кислорода из атмосферного воздуха. В процессе разделения воздуха остается смесь, содержащая криптон и ксенон. Около 1 % криптоно-ксеноновой смеси выделяется путем длительной ректификации, после чего смесь разделяют с помощью адсорбирования на силикагеле и последующей дистилляции. Данный процесс отличается высокой сложностью, из-за чего стоимость чистого ксенона достигает 20 евро за литр.
Применение
Несмотря на высокую стоимость, ксенон находит широкое применение в различных отраслях. Он используется в производстве ламп накаливания и газоразрядных импульсных источников света. Радиоактивные изотопы ксенона применяются в качестве источников излучения в радиографии. Фториды ксенона используются для пассивации металлов. Газ выступает рабочим телом для электрореактивных двигателей космических аппаратов, часто в сочетании с цезием; подобная технология заложена в проектируемой российской ядерной силовой установке «Нуклон». В медицине ксенон разрешен к применению для наркоза, хотя его использование ограничено высокой ценой. Жидкий ксенон служит рабочей средой в лазерах. В 2014 году ксенон был официально зарегистрирован в качестве допинга.