База данных по теплофизическим свойствам газов и их смесей, используемых в яэу. Строение атома ксенона Атомная масса ксенона

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):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Ксенон — элемент главной подгруппы восьмой группы, пятого периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 54. Обозначается символом Xe (Xenon). Простое вещество ксенон (CAS-номер: 7440-63-3) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Открыт в 1898 году английскими учеными У.Рамзаем и У. Рэлей как небольшая примесь к криптону.

Происхождение названия

ξένος — чужой.

Распространённость

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.

Земная кора

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 изотопы ксенона, например, 133 Xe и 135 Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.

Определение

Качественно ксенон обнаруживают с помощью эмиссионной спектроскопии (характеристические линии 467,13 нм и 462,43 нм). Количественно его определяют масс-спектрометрически, хроматографически, а также методами абсорбционного анализа.

Физические свойства

Температура плавления −112 °C,температура кипения −108 °C,свечение в разряде фиолетовым цветом.

Химические свойства

Первый инертный газ, для которого были получены настоящие химические соединения. Примерами соединений могут быть дифторид ксенона, тетрафторид ксенона, гексафторид ксенона, триоксид ксенона.

Изотопы ксенона

Получение

Ксенон получают как побочный продукт производства жидкого кислорода на металлургических предприятиях.

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. В заключение, ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделен дистилляцией на криптон и ксенон. Из-за своей малой распространенности, ксенон гораздо дороже более легких инертных газов.

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. Открыт в 1898 году английскими исследователями У. Рамзаем и М. Траверсом, которые подвергли медленному испарению жидкий воздух и спектроскопическим методом исследовали его наиболее труднолетучие фракции. Ксенон был обнаружен как примесь к криптону, с чем связано его название (от греч. xenos - чужой). Ксенон -весьма редкий элемент. При нормальных условиях 1000 м 3 воздуха содержат около 87 см 3 Ксенона. Ксенон - одноатомный газ без цвета и запаха; плотность при 0 °С и 10 5 н/м 2 (760 мм рт. ст.) 5,851 г/л, t пл -111,8 °С, t кип -108,1 °С. В твердом состоянии обладает кубической решеткой с параметром элементарной ячейки а = 6.25Å (при -185 °С). Пятая, внешняя электронная оболочка атома Ксенона содержит 8 электронов и весьма устойчива. Однако притяжение внешних электронов к ядру в атоме Ксенона экранировано большим количеством промежуточных электронных оболочек, и первый потенциал ионизации Ксенона, хотя и довольно велик (12, 13 эв), но значительно меньше, чем у других стабильных инертных газов. Поэтому Ксенон был первым инертным газом, для которого удалось получить химические соединение - XePtF 6 (канадский химик Н. Бартлетт, 1961). Дальнейшие исследования показали, что Ксенон способен проявлять валентности I, II, IV, VI и VIII. Лучше всего изучены соединения Ксенон с фтором: XeF 2 , XeF 4 , XeF 6 , XeF 8 , которые получают в специальных условиях, используя никелевую аппаратуру. Так, ХеF 4 можно синтезировать при простом пропускании смеси Хе и F 2 через нагретую никелевую трубку. Синтез XeF 2 возможен при облучении смеси Хе и F 2 ультрафиолетовым излучением. Получить же фториды XeF 6 и XeF 8 удается только при использовании высоких давлений (до 20 Мн/м 2 , или 200 ат) и повышенной температуры (300-600 °С). ХеF 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 оксид ХеО 3 - сильное взрывчатое вещество. Действием раствора Ва(ОН) 2 на XeF 6 можно получить ксенонат бария Ва 3 ХеО 6 Известны и соли, содержащие восьмивалентный Ксенон, - перксенонаты, например Na 4 ХеО 6 ·6Н 2 О. Действуя на него серной кислотой, можно получить высший оксид ХеO 4 . Известны двойные соли XeF 2· 2SbF 5 , XeF 6 ·AsF 3 и других, перхлорат ХеClО 4 - очень сильный окислитель и другие.

В промышленности Ксенон получают из воздуха. Вследствие очень низкого содержания Ксенона в атмосфере объем производства невелик.

Одно из самых важных применений Ксенона - использование его в мощных газоразрядных лампах. Кроме того, Ксенон находит применение для исследовательских и медицинских целей. Так, благодаря высокой способности Ксенона поглощать рентгеновское излучение его используют как контрастное вещество при исследовании головного мозга. Фториды Ксенона находят применение как мощные окислители и фторирующие агенты. В виде фторидов удобно хранить и транспортировать чрезвычайно агрессивный фтор.

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.