Оксид ксенона 8 крайне неустойчивое соединение при легком нагревании он распадается со взрывом

Опубликовано: 08.05.2024

Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора(или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Эти вещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изучено взаимодействие фторидовксенона с водой.Гидролиз XeF₄ в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона ХеО₃— бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов.

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. Достаточно нескольких сотен миллиграммов ХеО₃, чтобы эксикатор разнесло в куски. Не исключено, что со временем трехокись ксенона будут использовать как взрывчатое вещество дробящего действия. Такая взрывчатка была бы очень удобна, потому что все продукты взрывной реакции — газы.Пока же использовать для этой цели трехокись ксенона слишком дорого — ведь ксенона в атмосфере меньше, чем золота в морской воде, и процесс его выделения слишком трудоемок.

Напомним, что для получения 1 м 3 ксенона нужно переработать 11 млн. м 3 воздуха. Соответствующая трехокиси неустойчивая кислота шестивалентного ксенона Н₂ХеО₄ образуется в результате гидролиза XeF₆ при 0°С:

Если к продуктам этой реакции быстро добавить Ва(ОН)₂, выпадает белый аморфный осадок ВаХеО₄. При 125° С он разлагается на окись бария, ксенон и кислород. Получены аналогичные соли — ксенонаты аммония, натрия, лития, кальция и калия.

Из всех окислителей-перхлоратов он самый сильный. Окисел, соответствующий высшей кислоте ксенона, получают при взаимодействии Na₄XeО₆ с охлажденной безводной серной кислотой. Получается уже упоминавшаяся четырехокись ксенона ХеО₄. Ее молекула построена в виде тетраэдра с атомом ксенона в центре. Вещество это нестойко. При температуре выше 0° С оно разлагается на кислород и ксенон. Иногда разложение четырехокиси ксенона (трехокиси — тоже) носит характер взрыва. И все-таки большинство известных ныне соединений ксенона (а всего их получено примерно полторы сотни) — бескислородные.

Преимущественно это двойные соли — продукты взаимодействия фторидов ксенона с фторидами сурьмы, мышьяка, бора, тантала, ниобия, хрома, платиновых металлов.Сильные окислительные свойства соединений ксенона химики уже используют в своих целях. Так, водные растворы дифторида ксенона позволили впервые в мировой практике получить перброматы — соединения семивалентного брома, состав которых МВrO₄, где М — одновалентный металл.

Ксенон - это химический элемент с символом Xe и атомным номером 54. Это бесцветный, плотный благородный газ без запаха, обнаруженный в атмосфере Земли в следовых количествах. Хотя обычно ксенон не реагирует, он может подвергаться нескольким химическим реакциям, таким как образование гексафтороплатината ксенона , первого синтезируемого соединения благородного газа .

Ксенон используется в импульсных и дуговых лампах , а также в качестве общего анестетика . Первый эксимерный лазер конструкции используется ксеноновая димера молекула (Xe ₂ ) в качестве активной среды , а также самые ранние лазерные конструкции используются лампы ксеноновой вспышки , как насосы . Ксенон используется для поиска гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц и в качестве топлива для ионных двигателей космических кораблей.

Встречающийся в природе ксенон состоит из семи стабильных изотопов и двух долгоживущих радиоактивных изотопов. Более 40 нестабильных изотопов ксенона подвергаются радиоактивному распаду , и изотопные отношения ксенона являются важным инструментом для изучения ранней истории Солнечной системы . Радиоактивный ксенон-135 получают путем бета - распада от йода-135 (продукт ядерного деления ), и является наиболее значимым (и нежелательные) поглотитель нейтронов в ядерных реакторах .

СОДЕРЖАНИЕ

История

Ксенон был открыт в Англии шотландским химиком Уильямом Рамзи и английским химиком Моррисом Траверсом в сентябре 1898 года, вскоре после открытия ими криптона и неона . Они обнаружили ксенон в остатках испаряющихся компонентов жидкого воздуха . Рамзи предложил название ксенон для этого газа от греческого слова ξένον xénon , среднего единственного числа от ξένος xénos , что означает «чужой (эр)», «странный (г)» или «гость». В 1902 году Рамзи оценил долю ксенона в атмосфере Земли в одну 20 миллионов.

В 1930-х годах американский инженер Гарольд Эдгертон начал исследовать технологию стробоскопического освещения для высокоскоростной фотографии . Это привело его к изобретению ксеноновой лампы-вспышки, в которой свет генерируется путем пропускания короткого электрического тока через трубку, заполненную газом ксеноном. В 1934 году Эджертон смог с помощью этого метода генерировать вспышки длительностью в одну микросекунду .

В 1939 году американский врач Альберт Р. Бенке- младший начал исследовать причины «пьянства» у глубоководных дайверов. Он проверил влияние изменения дыхательных смесей на своих испытуемых и обнаружил, что это заставляет дайверов ощущать изменение глубины. Из своих результатов он пришел к выводу, что газ ксенон может служить обезболивающим . Хотя русский токсиколог Николай В. Лазарев, по- видимому, изучал анестезию ксеноном в 1941 году, первое опубликованное сообщение, подтверждающее анестезию ксеноном, было в 1946 году американским медицинским исследователем Джоном Х. Лоуренсом, который экспериментировал на мышах. Ксенон впервые был использован в качестве хирургического анестетика в 1951 году американским анестезиологом Стюартом Калленом, который успешно применил его на двух пациентах.

Ксенон и другие благородные газы долгое время считались полностью химически инертными и неспособными образовывать соединения . Однако, преподавая в Университете Британской Колумбии , Нил Бартлетт обнаружил, что газовый гексафторид платины (PtF ₆ ) является мощным окислителем, который может окислять газообразный кислород (O ₂ ) с образованием диоксигенилгексафтороплатината ( O +
₂ [PtF
₆ ] -
). Поскольку O ₂ (1165 кДж / моль) и ксенон (1170 кДж / моль) имеют почти одинаковый первый потенциал ионизации , Бартлетт понял, что гексафторид платины также может окислять ксенон. 23 марта 1962 года он смешал два газа и получил первое известное соединение благородного газа, гексафтороплатинат ксенона .

Бартлетт думал, что его состав был Xe + [PtF ₆ ] - , но более поздняя работа показала, что это, вероятно, смесь различных ксенонсодержащих солей. С тех пор были обнаружены многие другие соединения ксенона, помимо некоторых соединений благородных газов аргона , криптона и радона , включая фторгидрид аргона (HArF), дифторид криптона (KrF ₂ ) и фторид радона . К 1971 году было известно более 80 соединений ксенона.

В ноябре 1989 года ученые IBM продемонстрировали технологию, способную управлять отдельными атомами . Программа, названная IBM в атомах , использовала сканирующий туннельный микроскоп, чтобы расположить 35 отдельных атомов ксенона на подложке из охлажденного кристалла никеля, чтобы обозначить трехбуквенный инициализм компании. Это был первый случай, когда атомы были точно расположены на плоской поверхности.

Характеристики

Ксенон имеет атомный номер 54; то есть его ядро содержит 54 протона . При стандартной температуре и давлении чистый газообразный ксенон имеет плотность 5,761 кг / м 3 , что примерно в 4,5 раза превышает плотность атмосферы Земли на уровне моря, 1,217 кг / м 3 . В жидком виде ксенон имеет плотность до 3,100 г / мл, причем максимум плотности приходится на тройную точку. Жидкий ксенон обладает высокой поляризуемостью из-за большого атомного объема и, таким образом, является отличным растворителем. Он может растворять углеводороды, биологические молекулы и даже воду. В тех же условиях плотность твердого ксенона 3,640 г / см 3 больше, чем средняя плотность гранита 2,75 г / см 3 . Под гигапаскаль от давления , ксенон образует металлическую фазу.

Твердый ксенон превращается из гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической фазы в гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую фазу под давлением и начинает превращаться в металлическую при примерно 140 ГПа без заметного изменения объема в ГПУ-фазе. Он полностью металлический при давлении 155 ГПа. В металлизированном состоянии ксенон кажется небесно-голубым, потому что он поглощает красный свет и передает другие видимые частоты. Такое поведение необычно для металла и объясняется относительно небольшой шириной электронных зон в этом состоянии.

Жидкие или твердые наночастицы ксенона могут быть сформированы при комнатной температуре путем имплантации ионов Xe + в твердую матрицу. У многих твердых тел постоянные решетки меньше, чем у твердого Xe. Это приводит к сжатию имплантированного Хе до давлений, которые могут быть достаточными для его разжижения или затвердевания.

Ксенон входит в группу элементов с нулевой валентностью , которые называются благородными или инертными газами . Он инертен по отношению к большинству обычных химических реакций (например, к горению), поскольку внешняя валентная оболочка содержит восемь электронов. Это создает стабильную конфигурацию с минимальной энергией, в которой внешние электроны тесно связаны.

В газонаполненной трубке ксенон излучает голубое или бледно-лиловое свечение при возбуждении электрическим разрядом . Ксенон излучает полосу эмиссионных линий, которые охватывают визуальный спектр, но наиболее интенсивные линии возникают в области синего света, вызывая окраску.

Возникновение и производство

Ксенон - это следовой газ в атмосфере Земли , встречающийся в 87 ± 1 нл / л ( частей на миллиард ), или примерно 1 часть на 11,5 миллиона. Он также входит в состав газов, выбрасываемых из некоторых минеральных источников .

Ксенон получают в промышленных масштабах как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот . После этого разделения, обычно выполняемого фракционной перегонкой на установке с двумя колоннами, полученный жидкий кислород будет содержать небольшие количества криптона и ксенона. Путем дополнительной фракционной перегонки жидкий кислород можно обогатить, чтобы он содержал 0,1–0,2% смеси криптон / ксенон, которую экстрагируют либо абсорбцией на силикагеле, либо перегонкой. Наконец, смесь криптона и ксенона может быть разделена на криптон и ксенон путем дальнейшей перегонки.

Мировое производство ксенона в 1998 г. оценивалось в 5 000–7 000 м 3 . Из-за своего дефицита ксенон намного дороже, чем более легкие благородные газы - приблизительные цены на закупку небольших количеств в Европе в 1999 году составляли 10 евро / л для ксенона, 1 евро / л для криптона и 0,20 евро / л для неона. , в то время как гораздо более обильный аргон стоит менее цента за литр.

В Солнечной системе, то нуклон доля ксенона 1,56 × 10 -8 , для изобилия приблизительно одной части в 630 тысяч от общей массы. Ксенон относительно редко встречается в атмосфере Солнца , на Земле , а также в астероидах и кометах . Содержание ксенона в атмосфере планеты Юпитер необычно велико, примерно в 2,6 раза больше, чем у Солнца. Это изобилие остается необъяснимым, но могло быть вызвано ранним и быстрым накоплением планетезималей - небольших субпланетных тел - до нагрева пресолнечного диска . (В противном случае ксенон не попал бы в ловушку планетезимальных льдов.) Проблема низкого уровня земного ксенона может быть объяснена ковалентной связью ксенона с кислородом внутри кварца , что снижает выделение ксенона в атмосферу.

В отличие от благородных газов с меньшей массой, в процессе нормального звездного нуклеосинтеза внутри звезды ксенон не образуется. Элементы более массивные, чем железо-56, потребляют энергию за счет синтеза, а синтез ксенона не дает никакой выгоды для звезды. Вместо этого ксенон образуется во время взрывов сверхновых, при взрывах классических новых , в результате медленного процесса захвата нейтронов ( s-процесса ) в красных гигантах , которые исчерпали свой водород в ядре и вошли в асимптотическую ветвь гигантов , а также в результате радиоактивного распада, например при бета - распаде из потухшего йода-129 и спонтанного деления из тория , урана и плутония .

Изотопы

Встречающийся в природе ксенон состоит из семи стабильных изотопов : 126 Xe, 128–132 Xe и 134 Xe. Теоретически изотопы 126 Xe и 134 Xe предсказывают двойной бета-распад , но этого никогда не наблюдалось, поэтому они считаются стабильными. Кроме того, изучено более 40 нестабильных изотопов. Самыми долгоживущими из этих изотопов являются первичный 124 Xe, который подвергается двойному захвату электронов с периодом полураспада 1,8 × 10 22 лет , и 136 Xe, который претерпевает двойной бета-распад с периодом полураспада 2,11 × 10 21 год . 129 Xe производится бета - распада из 129 I , который имеет период полураспада 16 миллионов лет. 131m Xe, 133 Xe, 133m Xe и 135 Xe являются одними из продуктов деления 235 U и 239 Pu и используются для обнаружения и контроля ядерных взрывов.

Ядра двух стабильных изотопов ксенона , 129 Xe и 131 Xe, имеют ненулевые собственные угловые моменты ( ядерные спины , подходящие для ядерного магнитного резонанса ). Ядерные спины могут быть выровнены за пределы обычных уровней поляризации с помощью света с круговой поляризацией и паров рубидия . Результирующая спиновая поляризация ядер ксенона может превышать 50% от своего максимально возможного значения, что значительно превышает значение теплового равновесия, продиктованное парамагнитной статистикой (обычно 0,001% от максимального значения при комнатной температуре , даже в самых сильных магнитах ). Такое неравновесное выравнивание спинов является временным состоянием и называется гиперполяризацией . Процесс гиперполяризации ксенона называется оптической накачкой (хотя этот процесс отличается от накачки лазера ).

Поскольку ядро 129 Xe имеет спин 1/2 и, следовательно, нулевой электрический квадрупольный момент , ядро 129 Xe не испытывает никаких квадрупольных взаимодействий во время столкновений с другими атомами, и гиперполяризация сохраняется в течение долгих периодов времени даже после возникновения света и пар был удален. Спиновая поляризация 129 Xe может сохраняться от нескольких секунд для атомов ксенона, растворенных в крови, до нескольких часов в газовой фазе и нескольких дней в глубоко замороженном твердом ксеноне. Напротив, 131 Xe имеет значение ядерного спина 3 ⁄ 2 и ненулевой квадрупольный момент , а также время релаксации t ₁ в миллисекундном и втором диапазонах.

Некоторые радиоактивные изотопы ксенона (например, 133 Xe и 135 Xe) производятся нейтронным облучением делящегося материала в ядерных реакторах . 135 Xe имеет большое значение в работе ядерных реакторов деления . 135 Xe имеет огромное поперечное сечение для тепловых нейтронов , 2,6 × 10 6 барн , и действует как поглотитель нейтронов или « яд », который может замедлить или остановить цепную реакцию после определенного периода работы. Это было обнаружено в самых первых ядерных реакторах, построенных американским Манхэттенским проектом для производства плутония . Однако конструкторы предусмотрели в конструкции увеличение реактивности реактора (количества нейтронов при делении, которые переходят к делению других атомов ядерного топлива ). 135 Отравление реактора Xe было основным фактором чернобыльской катастрофы . Остановка или снижение мощности реактора может привести к накоплению 135 Xe, что приведет к переходу реактора в состояние, известное как йодная яма .

В неблагоприятных условиях относительно высокие концентрации радиоактивных изотопов ксенона могут исходить от треснувших топливных стержней или деления урана в охлаждающей воде .

Поскольку ксенон является индикатором двух родительских изотопов, соотношение изотопов ксенона в метеоритах является мощным инструментом для изучения формирования Солнечной системы . Иод-ксенон метод из знакомства дает время , прошедшее между нуклеосинтезом и конденсациями твердого объекта из солнечной туманности . В 1960 году физик Джон Х. Рейнольдс обнаружил, что некоторые метеориты содержат изотопную аномалию в виде переизбытка ксенона-129. Он предположил, что это продукт распада радиоактивного йода-129 . Этот изотоп медленно образуется в результате расщепления космических лучей и деления ядер , но в больших количествах образуется только при взрывах сверхновых.

Поскольку период полураспада 129 I сравнительно короткий в космологическом масштабе времени (16 миллионов лет), это продемонстрировало, что между сверхновой и моментом, когда метеориты затвердели и захватили 129 I, прошло очень короткое время. (сверхновая и затвердевание газового облака) предполагалось, что это произошло в течение ранней истории Солнечной системы , потому что изотоп 129 I, вероятно, был образован незадолго до образования Солнечной системы, засевая облако солнечного газа изотопами из второго источника. Этот источник сверхновой мог также вызвать коллапс солнечного газового облака.

Аналогичным образом, отношения изотопов ксенона, такие как 129 Xe / 130 Xe и 136 Xe / 130 Xe, являются мощным инструментом для понимания планетарной дифференциации и раннего выделения газа. Например, атмосфера Марса показывает содержание ксенона, аналогичное земному (0,08 частей на миллион), но Марс показывает большее содержание 129 Xe, чем Земля или Солнце. Поскольку этот изотоп образуется в результате радиоактивного распада, результат может указывать на то, что Марс потерял большую часть своей изначальной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после образования планеты. В другом примере считается , что избыток 129 Xe, обнаруженный в углекислотных газах из скважин из Нью-Мексико, является результатом распада газов, образованных из мантии, вскоре после образования Земли.

Соединения

После открытия Нилом Бартлеттом в 1962 году того факта, что ксенон может образовывать химические соединения, было обнаружено и описано большое количество соединений ксенона. Почти все известные соединения ксенона содержат электроотрицательные атомы фтора или кислорода. Химический состав ксенона в каждой степени окисления аналогичен химическому составу соседнего элемента йода в непосредственно более низкой степени окисления.

При легком наргревании он распадается со взрывом на простые вещества .

НАПИШИТЕ УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ.

XeO + O(двоечка внизу) = Xe + O(троечка внизу).

4. Кислота H2MnO4 – неустойчивая кислота?

4. Кислота H2MnO4 – неустойчивая кислота.

В момент её образования она сразу дегидратируется.

Какое вещество при этом образуется.

Предположите, какие вещества образуются при разложении этого неустойчивого оксида.

Запишите уравнения протекающих реакций.

Нужна помощь по разделу "Сера" - простое неустойчивое газообразное вещество А превращается в другое простое вещество В, в атмосфере которого сгорает металл С, продуктом этой реакции является оксид, в ?

Нужна помощь по разделу "Сера" - простое неустойчивое газообразное вещество А превращается в другое простое вещество В, в атмосфере которого сгорает металл С, продуктом этой реакции является оксид, в котором металл находится в двух степенях окисления.

Расшифровать вещества А, В, С и написать уравнения.

Даны три простых вещества - А, В, С?

Даны три простых вещества - А, В, С.

Соединение С и В хорошо растворяется в воде и окрашивает лакмус в красный цвет.

Соединение А с В образует твердое бесцветное кристаллическое вещество.

Если на это вещество подействовать серной кислотой, то выделяется соединение В с С.

Назовите эти вещества, напишите уравнение соответствующих реакций.

Напишите уравнение реакции разложения оксида ртути HgO на простые вещества?

Напишите уравнение реакции разложения оксида ртути HgO на простые вещества!

Простое вещество - оксид - гидроксид - соль уравнение реакций?

Простое вещество - оксид - гидроксид - соль уравнение реакций.

Даны три простых вещества - А, В, С?

Даны три простых вещества - А, В, С.

Соединение С и В хорошо растворяется в воде и окрашивает лакмус в красный цвет.

Соединение А с В образует твердое бесцветное кристаллическое вещество.

Если на это вещество подействовать серной кислотой, то выделяется соединение В с С.

Назовите эти вещества, напишите уравнение соответствующих реакций.

Составьте уравнения реакций получения оксида алюминия, кальция и водорода из простых веществ?

Составьте уравнения реакций получения оксида алюминия, кальция и водорода из простых веществ.

Напишите уравнение реакции фторида ксенона 6 - ти валентного и фторида ксенона 4 - х валентного?

Напишите уравнение реакции фторида ксенона 6 - ти валентного и фторида ксенона 4 - х валентного.

Оксид ртути(II) при нагревании легко разлагается на простые вещества?

Оксид ртути(II) при нагревании легко разлагается на простые вещества.

Почему при восстановлении его водородом может произойти взрыв, даже если водород был предварительно проверен на чистоту?

Напишите уравнения реакций.

Составьте уравнения реакций соединения кислорода со следующими простыми веществами серебра алюминием?

Составьте уравнения реакций соединения кислорода со следующими простыми веществами серебра алюминием.

В трех пронумерованных пробирках находятся растворы солей карбоната калия, йодида калия и сульфата калияю Напишите уравнения реакций, с помощью которых опытным путем их можно распознатью
3)
При длительном пропускании углекислого газа через известковую воду образуется осадок, который затем исчезает. Напишите уравненя соответсвующих реакций.

При сгорании 187.5 г угля образовалось 336 л оксида углерода (4) (н.у.). Вычислите массовую долю углерода в угле.

цинком. 2)Составьте уравнение реакции окисления кремния кислородом. Докажите с помощью схемы электронного баланса, что кремний в этой реакции является восстановителем. 3)Напишите уравнение реакции окисления кремния серой и схему электронного баланса. Назовите продукты реакции. Чем объяснить, что кремний является восстановителем по отношению к сере? 4) Приведите уравнения реакции восстановления оксида марганца(4) кремнием. 5)К уравнению этой реакции составьте схему электронного баланса и докажите, что кремний выступает здесь в роли окислителя. Какую степень окисления приобретает кремний после реакции? 6) Составите схему электронного баланса и расставите в схеме реакции коэффициенты. Какой элемент является окислителем кремния? Как назвать продукт реакции?

3) Напишите уравнение реакции горения: а) калия, б) углерода, в) алюминия.

4) В результате реакции, термохимическое уравнение которой

2C2H2 + 5O2 = 4CO2 + 2H20 + 2610 кДж выделилось 652,5 кДж теплоты. Определите массу сгоревшего ацетилена.

5) При окисление 16 г. меди кислородом до оксида меди (II) выделилось 77,5 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

Прошу С РЕШЕНИЕМ.

ая кислота, оксид углерода(4).

2) Напишите уравнения реакция, с помощью которых можно осуществить цепочку превращений веществ: Фосфор ---> Оксид фосфора (5) ---> Фосфорная кислота ---> Фосфат калия ---> Фосфат кальция ---> Фосфарная кислота.

3) Напишите уравнения реакций, в результате которых образуется а) сульфат натрия, б) гидроксид кальция . Найдите возможно большее число различных способов.

4) Вычислите массу карбоната натрия, образовавшегося при пропускании 44,8 л (м.у.) углекислого газа через избыток раствора гидроксида натрия.

5) Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить цепочку превращений веществ: Натрий ---> Гидроксид натрия ---> Сульфат натрия ---> Хлорид натрия ---> Сульфат натрия ---> Сульфат бария.

Инертные газы обнаружены в атмосфере в 1894 г. После того как были открыты гелий, пеон, 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 не удивительно: 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.

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.

В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около 100 т жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см 3 этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента! Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух – практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый – потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.

Процесс выделения благородных газов из воздуха описан многократно. Воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижают, а затем начинают испарять. Сначала «летят» более легкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжелые инертные газы.

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».

Ксенон вступает в реакции

Когда-то сочетание слов «химия ксенона» казалось абсурдным. И все же дерзкая мысль о том, что ксенон может образовывать устойчивые соединения с галогенами, приходила в голову многим ученым. Так, еще в 1924 г. высказывалась идея, что некоторые соединения тяжелых инертных газов (в частности, 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 оболочек криптона и ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению, что эти газы в состоянии образовывать устойчивые соединения с фтором. Нашлись и экспериментаторы, решившие проверить гипотезу, но шло время, ставились опыты, а фторид ксенона не получался. В результате почти все работы в этой области были прекращены, и мнение об абсолютной инертности благородных газов утвердилось окончательно.

Однако в 1961 г. Бартлетт, сотрудник одного из университетов Канады, изучая свойства гексафторида платины – соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации у ксенона ниже, чем у кислорода (12,13 и 12,20 эВ соответственно). Между тем кислород образовывал с гексафторидом платины соединение состава O₂PtF₆. Бартлетт ставит опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает твердое оранжево-желтое вещество – гексафторплатинат ксенона XePtF₆, поведение которого ничем не отличается от поведения обычных химических соединений. При нагревании в вакууме XePtF₆ возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяя ксенон:

Последующие работы Бартлетта позволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует два соединения с гексафторидом платины: XePtF₆ и Xe(PtF₆)₂; при гидролизе их получаются одни и те же конечные продукты.

Убедившись, что ксенон действительно вступил в реакцию с гексафторидом платины, Бартлетт выступил с докладом и в 1962 г. опубликовал в журнале «Proceedings of the Chemical Society» статью, посвященную сделанному им открытию. Статья вызвала огромный интерес, хотя многие химики отнеслись к ней с нескрываемым недоверием. Но уже через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американских исследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Кроме того, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидами рутения, родия и плутония. Так были открыты первые пять соединений ксенона: XePtF₆, Xe(PtF₆)₂, XeRuF₆, XeRhF₆, XePuF₆ – миф об абсолютной инертности благородных газов развеян и заложено начало химии ксенона.

Фториды ксенона

Настало время проверить правильность гипотезы о возможности прямого взаимодействия ксенона с фтором.

Смесь газов (1 часть ксенона и 5 частей фтора) поместили в никелевый (поскольку никель наиболее устойчив к действию фтора) сосуд и нагрели под сравнительно небольшим давлением. Через час сосуд быстро охладили, а оставшийся в нем газ откачали и проанализировали. Это был фтор. Весь ксенон прореагировал! Вскрыли сосуд и обнаружили в нем бесцветные кристаллы XeF₄.

Тетрафторид ксенона оказался вполне устойчивым соединением, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре. Тетрафторид ксенона фторирует ртуть:

Платина тоже фторируется этим веществом, но только растворенным во фтористом водороде.

Интересно в химии ксенона то, что, меняя условия реакции, можно получить не только XeF₄, но и другие фториды – XeF₂, XeF₆.

Советские химики В.М. Хуторецкий и В.А. Шпанский показали, что для синтеза дифторида ксенона совсем не обязательны жесткие условия. По предложенному ими способу смесь ксенона и фтора (в молекулярном отношении 1:1) подается в сосуд из никеля или нержавеющей стали, и при повышении давления до 35 атм. начинается самопроизвольная реакция.

Дифторид ксенона XeF₂ можно получить, не пользуясь элементарным фтором. Он образуется при действии электрического разряда на смесь ксенона и четырехфтористого углерода. Возможен, конечно, и прямой синтез. Очень чистый XeF₂ получается, если смесь ксенона и фтора облучить ультрафиолетом. Растворимость дифторида в воде невелика, однако раствор его – сильнейший окислитель. Постепенно он саморазлагается на ксенон, кислород и фтористый водород; особенно быстро разложение идет в щелочной среде. Дифторид имеет резкий специфический запах.

Большой теоретический интерес представляет метод синтеза дифторида ксенона, основанный па воздействии на смесь газов ультрафиолетового излучения (длина волн порядка 2500. 3500 Å). Излучение вызывает расщепление молекул фтора F₂ на свободные атомы. В этом и заключается причина образования дифторида: атомарный фтор необычайно активен.

Для получения XeF₆ требуются более жесткие условия: 700°C и 200 атм. В таких условиях в смеси ксенона и фтора (отношение от 1:4 до 1:20) практически весь ксенон превращается в XeF₆.

Гексафторид ксенона чрезвычайно активен и разлагается со взрывом. Он легко реагирует с фторидами щелочных металлов (кроме LiF): XeF₆ + RbF = RbXeF₇, но при 50°C эта соль разлагается: 2RbXeF₇ = XeF₆ + Rb₂XeF₈.

Синтез первых соединений ксенона поставил перед химиками вопрос о месте инертных газов в периодической системе элементов. Прежде благородные газы были выделены в отдельную нулевую группу, что вполне отвечало представлению об их валентности. Но, когда ксенон вступил в химическую реакцию, когда стали известны его высший оксид XeO₄ и оксифториды, в которых валентность ксенона равна 8 (а это вполне согласуется со строением его электронной оболочки), инертные газы решили перенести в VIII группу. Нулевая группа перестала существовать.

Созданы из фторидов

Заставить ксенон вступить в реакцию без участия фтора (или некоторых его соединений) пока не удалось. Все известные ныне соединения ксенона получены из его фторидов. Эти вещества обладают повышенной реакционной способностью. Лучше всего изучено взаимодействие фторидов ксенона с водой.

Гидролиз XeF₄ в кислой среде ведет к образованию окиси ксенона XeO₃ – бесцветных, расплывающихся на воздухе кристаллов. Молекула XeO₃ имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Достаточно нескольких сотен миллиграммов XeO₃, чтобы эксикатор разнесло в куски. Не исключено, что со временем трехокись ксенона будут использовать как взрывчатое вещество дробящего действия. Такая взрывчатка была бы очень удобна, потому что все продукты взрывной реакции – газы.

Пока же использовать для этой цели трехокись ксенона слишком дорого – ведь ксенона в атмосфере меньше, чем золота в морской воде, и процесс его выделения слишком трудоемок. Напомним, что для получения 1 м 3 ксенона нужно переработать 11 млн м 3 воздуха.

Соответствующая трехокиси неустойчивая кислота шестивалентного ксенона H₂XeO₄ образуется в результате гидролиза XeF₆ при 0°C:

Если к продуктам этой реакции быстро добавить Ba(OH)₂, выпадает белый аморфный осадок BaXeO₄. При 125°C он разлагается на окись бария, ксенон и кислород. Получены аналогичные соли – ксенонаты аммония, натрия, лития, кальция и калия.

При действии озона на раствор XeO₃ в одномолярном едком натре образуется натриевая соль высшей кислоты ксенона Na₄XeO₆. Перксенонат натрия может быть выделен в виде бесцветного кристаллогидрата Na₄XeO₆ · 6H₂O. К образованию перксенонатов приводит и гидролиз XeF₆ в гидроокисях натрия и калия. Если твердую соль Na₄XeO₆ обработать раствором нитрата свинца, серебра или уранила UO₂ 2+ , получаются соответствующие перксенонаты. Перксенонат серебра – черного цвета, свинца и уранила – желтого. Перксенонат-анион – самый сильный из ионов окислителей. Чрезвычайно мощный окислитель и перхлорат ксенона Xe(ClO₄)₂, в котором ксенон играет роль катиона. Из всех окислителей-перхлоратов он самый сильный.

Окисел, соответствующий высшей кислоте ксенона, получают при взаимодействии Na₄XeO₆ с охлажденной безводной серной кислотой. Получается уже упоминавшаяся четырехокись ксенона XeO₄. Ее молекула построена в виде тетраэдра с атомом ксенона в центре. Вещество это нестойко. При температуре выше 0°C оно разлагается на кислород и ксенон. Иногда разложение четырехокиси ксенона (трехокиси – тоже) носит характер взрыва.

И все-таки большинство известных ныне соединений ксенона (а всего их получено примерно полторы сотни) – бескислородные. Преимущественно это двойные соли – продукты взаимодействия фторидов ксенона с фторидами сурьмы, мышьяка, бора, тантала, ниобия, хрома, платиновых металлов.

Сильные окислительные свойства соединений ксенона химики уже используют в своих целях. Так, водные растворы дифторида ксенона позволили впервые в мировой практике получить перброматы – соединения семивалентного брома, состав которых MBrO₄, где M – одновалентный металл.

Советские химики внесли большой вклад в синтез и изучение соединений благородных газов, ксенона в первую очередь. В 1976 г, группе ученых во главе с В.А. Легасовым за синтез и исследование физико-химических свойств этих веществ была присуждена Государственная премия.

Ксенон на практике

Без ксенона – тяжелого, редкого и пассивного газа сегодня не могут обойтись многие отрасли народного хозяйства. Области его применения разнообразны и порой неожиданны.

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.

Цвет его близок к белому с чуть желтоватым оттенком; на него можно смотреть только через фильтр: глаза не выдерживают таких ярких лучей.

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.

Коллектив Московского электролампового завода создал уникальное осветительное устройство – ксеноновый светильник «Сириус». В лампе используется непрерывный электрический разряд в сосуде из кварцевого стекла, наполненном ксеноном под высоким давлением. Между двойными стенками сосуда циркулирует охлаждающая его вода. Мощность лампы «Сириус» 300 киловатт. Одна такая лампа способна осветить большую городскую площадь. Это, пожалуй, самая мощная лампа в мире.

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.

Промышленность начинает применять фториды ксенона, прежде всего моноизотопные. Изотопы ксенон-133 и особенно ксенон-135 имеют очень большие сечения захвата тепловых нейтронов, это сильные реакторные яды. Но после получения твердых и достаточно стойких соединений элемента №54 появилась надежда использовать это свойство изотопов ксенона на благо ядерной физики. С другой стороны, возможность связать эти изотопы фтором позволяет решить и технически, и экологически важную задачу эффективного улавливания этих изотопов. А еще: в виде фторидов ксенона удобно хранить и транспортировать и дефицитный ксенон, и всеразрушающий фтор.

Окислительные свойства соединений ксенона, прежде всего того же дифторида, уже широко используют в лабораторной практике и несколько уже – при синтезе новых практически важных веществ. В частности, с помощью соединений ксенона получают некоторые медицинские препараты, например 5-фторурацил. Но, как говорится, это только цветочки – ягодки впереди. Как и другие новые области науки, химия благородных газов, в первую очередь ксенона, развивается очень быстрыми темпами. Скоро никого уже не удивит, например, реактивный двигатель с ксенонсодержащим окислителем.

Соединения элемента №54 коренным образом преобразили его судьбу.

Клатратные соединения

В 1896 г. было сделано открытие, долгое время казавшееся абсурдным. Вайяр сообщил, что им синтезирован гидрат аргона Ar · 6H₂O. Почти 30 лет не удавалось получить аналогичных соединений других инертных газов. Лишь в 1925 г. Форкан обнаружил, что при взаимодействии ксенона со льдом под давлением образуется гидрат ксенона Xe · 6H₂O. В 1940 г. известный советский химик Б.А. Никитин при кристаллизации фенола под давлением 40 атм. в присутствии ксенона получил соединение Xe · 3C₆H₅OH. Все эти соединения – клатратные (или соединения включения). В них нет химической связи. Процесс их образования сводится к внедрению «чужих» молекул в полости, которые уже существуют или могут возникнуть при определенных условиях в кристаллической решетке того или иного вещества. Нужно только, чтобы совпадали размеры пустот и размеры «внедряемых» атомов.

В циклотронном тандеме

Сейчас физикам уже очевидно, что получать элементы далекой трансурановой области можно только в ядерных реакциях с участием тяжелых ионов, причем чем тяжелее будут ускоряемые частицы, тем тяжелее окажется и составное ядро. И пусть оно будет жить неизмеримо малое время; образование ядер новых элементов возможно не только в результате реакции слияния, но и распада! При распаде сверхтяжелых ядер могут образовываться и сверхтяжелые осколки – тоже новые ядра. И возможно – ядра атомов гипотетической пока области относительной стабильности в районе элементов с атомными номерами 114 и 126. Интерес представляет такая, к примеру, реакция:

238 ₉₂U + 129 ₅₄Xe → 367 146

Ученые надеются, что среди осколков деления такого ядра будут ядра элемента №114 с 184 нейтронами, а они, по расчетам теоретиков, должны жить достаточно долго.

Опыты по ускорению тяжелых ионов ксенона начались в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований, в 1971 г.

Оказалось, что даже мощности большого дубненского циклотрона У-300 недостаточно, чтобы придать необходимую энергию таким тяжелым «снарядам» (их пучок к тому же должен быть достаточно интенсивным). Нашли обходный маневр: первоначально ионы ксенона ускорялись и «обдирались» – теряли электроны в большом циклотроне, а затем по ионопроводу направлялись в малый, где приобретали необходимую энергию и заряд. Так что не исключено, что ксенон будет полезен и при синтезе новых химических элементов.

Изотопы

Обычный природный ксенон состоит из 9 изотопов, массовые числа которых – 124, 126, 128, 129, 130, 131, 132, 134 и 136. В 1946 г. советский ученый В.Г. Хлопин с сотрудниками впервые установил присутствие ксенона в осколках, образующихся при спонтанном делении урана. Среди продуктов такого деления ксенона много – 19% общей суммы осколков. Радиогенный ксенон образуется не только из самого урана, но и из некоторых продуктов его деления. Например, в ксенон превращается радиогенный теллур – путем двойного бета-перехода. А при нейтронном захвате бета-активные изотопы теллура превращаются сначала в иод, а затем – в ксенон.

Радиоактивные изотопы ксенона тоже многочисленны. Их массовые числа – от 121 до 144, а периоды полураспада – от секунды ( 144 Xe) и почти до двух недель ( 127 Xe).

Читайте также: