Ксенон, Xenon, Xe

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 м³ 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 см³ 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/м³, что в 4 раза выше, чем у воздуха и в З,2 раза выше, чем у N₂О.

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 м³ содержится 86 см³ ксенона. В России и странах СНГ уровень годового промышленного производства чистого ксенона составляет около 1500 м³.

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.