Кислородные соединения ксенона являются

Обновлено: 26.01.2025

Триоксид ксенона XeO₃ — белые или светло-голубые кристаллы. Получают гидролизом тетра- или гексафторида ксенона. В сухом виде чрезвычайно взрывоопасен, особенно при контакте с органикой.

Содержание

Физические свойства

Плотность 4,55 г/см³. Взрывается в сухом виде при температуре выше 25 °C или при размере кристаллов более 20 мг. По теплоте взрыва равен тротилу. При взрыве образуются ксенон и кислород:

Химические свойства

С водой образует ксенонистую кислоту H₂XeO₄, которая постепенно разлагается с выделением кислорода и ксенона. Водный раствор не взрывоопасен, является сильным окислителем. Способен окислять соли марганца до перманганата. С щелочами образует соли — ксенаты.

Получение

Триоксид ксенона получают контролируемым гидролизом тетрафторида или гексафторида ксенона при пониженной температуре.

Применение

В настоящее время, из-за нестабильности, не находит применения.

Ксенон (Xe)
Гексафтороплатинат ксенона (Xe[PtF₆])
Диоксид-дифторид ксенона (XeO₂F₂)
Ксенат VI бария (Ba₃XeO₆)
Ксенонистая кислота (H₂XeO₄)
Ксеноновая кислота (H₄XeO₆)
Криптона дифторид-ксенона гексафторид (1/1) (KrF₂·XeF₆)
Ксенона VI оксид-тетрафторид - ванадия пентафторид (1/1) (XeOF₄·VF₅)
Оксид-дифторид ксенона (XeOF₂)
Оксид-тетрафторид ксенона (XeOF₄)
Пентафтортеллуроксид ксенона II (Xe(OTeF₅)₂)
Пентафтортеллуроксид ксенона IV (Xe(OTeF₅)₄)
Перксенат натрия (Na₄XeO₆)
Перксенат бария (Ba₂XeO₆)
Перхлорат ксенона II (Xe(ClO₄)₂)
Тетраоксид ксенона (XeO₄)
Триоксид ксенона (XeO₃)
Фторид ксенона II (XeF₂) Дифторид ксенона
Фторид ксенона IV (XeF₄) Тетрафторид ксенона
Фторид ксенона VI (XeF₆) Гексафторид ксенона
Фториды ксенона

Любое копирование, в т.ч. отдельных частей текстов или изображений, публикация и републикация, перепечатка или любое другое распространение информации, в какой бы форме и каким бы техническим способом оно не осуществлялось, строго запрещается без предварительного письменного согласия со стороны редакции. Во время цитирования информации подписчиками ссылки обязательны. Допускается цитирование материалов сайта без получения предварительного согласия, но в объеме не более одного абзаца и с обязательной прямой, открытой для поисковых систем гиперссылкой на сайт.

Гексафторид ксенона при охлаждении до 90 К (–183 ° С) гидролизуется спокойно с образованием сначала фторидов – оксидов ксенона(VI), а затем – оксида ксенона(VI):

XeO2 F2 + H2O= XeO3 + 2HF

Оксотетрафторид ксенона XeOF₄ - бесцветная жидкость, замерзающая при 245 К. Молекула имеет форму квадратной пирамиды.

С кислородом ни один из благородных газов не взаимодействует, и все известные оксиды и оксофториды ксенона получаются гидролизом со ответствующих фторидов. Наиболее спокойно протекает реакция взаимодействия дифторида ксенона с водой, но получаемый в качестве промежуточного продукта оксид ксенона(II) в чистом виде не выделен.

Оксид ксенона (VI) XeO3 – белое твердое гигроскопичное вещество, самопроизвольно взрывающееся. Молекула имеет форму тригональной пирамиды.

Вводе оксид ксенона (VI) хорошо растворяется с частичным образованием слабой кислоты H2XeO4.

Оксид ксенона (VI) XeO3 является более сильным окислителем, чем MnO₂.

При диспропорционировании соединений Xe (VI) или при их окислении энергичными окислителями (например, озоном) образуются производные Xe (VIII) – перксенаты.

При взаимодействии перксенатов с безводной серной кислотой получается XeO₄ - газ желтоватого цвета, медленно отщепляющий кислород уже при обычных условиях.

Молекула XeO4 имеет тетраэдрическую форму.

XeO4 проявляет кислотные свойства; реагирует с водой, нейтрализуется щелочами. В твердом состоянии XeO4 взрывается даже при –40 ° С; он является сильным окислителем.

Благородные газы подгруппы криптона также находят применение в современной технике и технологии.

Ксеноном заполняют кварцевые лампы высокого давления, являющиеся наиболее мощными источниками света.

Аргон широко используется в металлургических и химических процессах, требующих инертной атмосферы, светотехнике, электротехнике, ядерной энергетике.

Неон применяют в электровакуумной и криогенной технике.

Газообразный гелий применяется для создания инертной атмосферы в различных процессах.

Тяжелый благородный газ ксенон мало реакционно-способен в нормальных условиях, но вступает в реакции гораздо легче под давлением в десятки и сотни тысяч атмосфер, поскольку высокое давление делает некоторые реакции термодинамически выгодными. Исследователи из Эдинбургского университета провели реакцию ксенона со льдом под давлением 50 ГПа (полмиллиона атмосфер) и получили соединение Xe₄H₁₂O₁₂.

Если благородные газы не реагируют ни с чем в природе, они должны накапливаться в атмосферах планет. Аргона в них действительно много — он образуется при распаде радиоактивного изотопа калия 40 K, выделяется с вулканическими газами и накапливается в атмосфере. Криптона тоже достаточно много, и его количество согласуется с предсказаниями. Но содержание самого тяжелого и наименее инертного из благородных газов, ксенона, с классическими предсказаниями расходится.

В скалистых мирах (таких, как Земля) количество ксенона должно быть примерно как в твердом протопланетном материале, представленном на Земле углистыми хондритами (каменными метеоритами). В хондритах ксенона вдвое больше, чем криптона, поскольку ксенон образуется при распаде радиоактивных примесей и содержится в микроскопических полостях внутри породы. На газовых гигантах ксенона должно быть столько же, сколько на Солнце, поскольку значительная доля их массы образовалась из того же газа протопланетой туманности, из которого формировалось и само Солнце. Однако ксенона и на планетах земного типа, и на гигантах слишком мало (кроме Юпитера и Сатурна, но туда, как считается, попал дополнительный ксенон, адсорбированный на ледяных планетезималях, которых в месте образования этих двух планет было огромное количество).

Недостаток ксенона на Земле нельзя объяснить тем, что он улетучился в космос, как гелий (с атомной массой 4): ксенон намного тяжелее. И если даже аргон (с атомной массой 40) не улетает из земной атмосферы, то ксенон, атомная масса которого равна 131, и подавно не может улететь, и никакие солнечные вспышки его в космос не поднимут. Кроме того, можно ожидать, что в земной атмосфере, куда попадают выделяющиеся из недр продукты распада радиоактивных элементов, отношение содержания ксенона к содержанию криптона будет примерно как в метеоритах, то есть около 2 : 1. Но в земной атмосфере ксенона в 11 раз меньше, чем криптона, то есть разница даже больше, чем на Солнце, где это соотношение приблизительно равно 1 : 10. Кстати, именно такое значение считается средним для Солнечной системы, поскольку Солнце составляет 99,86% всей ее массы.

Причину нехватки ксенона на Земле недавно удалось объяснить, причем самым необычным образом (см. Chrystèle Sanloup et al., 2005. Retention of Xenon in Quartz and Earth's Missing Xenon). Ученые поместили в ячейку сверхвысокого давления смесь твердого ксенона с кварцем, в изобилии встречающимся в земной коре, сжали до десятков тысяч атмосфер и нагрели до 300°C. Оказалось, что в этих условиях ксенон вступает с кварцем в химическую реакцию, замещая кремний! Получившееся вещество имело состав (Si_1–_xXe_x)O₂, где значение х могло достигать нескольких процентов.

В атмосферах Урана и Нептуна тоже наблюдается сильная нехватка ксенона, и там его отсутствие с традиционной точки зрения объяснить еще сложнее. Недра этих планет в основном состоят из воды в сверхкритическом состоянии, то есть достаточно текучи, и ничто не должно помешать выделению инертных газов и распределению их по всему объему атмосферы и мантии. Нет и кварца, который, как теперь известно, может связать ксенон. Невозможно объяснить малое количество ксенона и образованием клатратов — соединений включения, в которых атомы ксенона входят в полости кристаллической решетки льда. При достаточно высоком давлении устойчивый в обычных условиях клатрат распадается обратно на воду и ксенон. Вода образует лед-VII с плотностью 1,7 г/см 3 и плотно упакованной кристаллической структурой, где нет места ксенону, как и в других модификациях льда высокой плотности.

Ученые из Эдинбургского университета (University of Edinburgh) во главе с Кристель Санлу (Chrystèle Sanloup) исследовали поведение ксенона в условиях инопланетных недр, смоделировав его экспериментально. Для этого им понадобились еще более высокие давления и температуры, чем для экспериментов по взаимодействиям с кварцем (такие условия позволяет создать ячейка с алмазными наковальнями). Опыты проводили при давлении до 80 ГПа и температуре 1500 К, или 1223°C (рис. 2).

Как показали опыты, при достижении давления в полмиллиона атмосфер (50 ГПа) на дифракционной картине пики, соответствующие отражениям от кристаллического ксенона, теряли интенсивность, но появились новые наборы отражений, что свидетельствует о протекании химической реакции. Один из них появляется и при сжатии в ячейке только воды и платинового кольца, а значит, не содержит ксенона. Анализ другого набора отражений показал, что он соответствует новому соединению, содержащему ксенон и кислород. С помощью рентгеновской дифракции можно с большой точностью определить параметры элементарной ячейки кристаллической структуры и положения атомов в ней, однако она практически нечувствительна к атомам водорода.

Полученное соединение в элементарной ячейке содержало 4 атома ксенона и 12 атомов кислорода, а содержание водорода определяли косвенным путем, с помощью квантово-химических расчетов. Ученые моделировали виртуальную ячейку, в которой было разное число атомов H, и рассчитывали методом функционала плотности, какие они займут положения и как это повлияет на параметры ячейки и положения других атомов в ней. Лучше всего результаты согласовывались с числом атомов водорода от 8 до 12, с наиболее вероятным значением 12 и итоговой формулой Xe₄O₁₂H₁₂. Лишний водород связывался платиной в PtH, а в условиях мантии планет-гигантов он, вероятно, выделяется в свободном виде.

4Xe + 12H₂O + (12 + x) Pt → Xe₄O₁₂H_12–_x + (12 + x) PtH (50 ГПа, 1500°C)

Структура получающегося соединения очень похожа на структуру металлического кислорода η-O₂ образующегося при давлениях около 15 ГПа, и ее можно представить как две взаимопроникающие решетки η-O₂ с увеличенным расстоянием между слоями вдоль одной из осей и твердого ксенона высокого давления, располагающегося в образовавшихся пустотах. Атомы водорода здесь связаны слабо и постоянно перемещаются из одних узлов решетки в другие, как в суперионной форме воды, однако они необходимы для существования структуры: расчеты показали, что соединения ксенона только с кислородом гораздо менее стабильны и имели бы другие параметры кристаллической структуры, а опыты свидетельствуют, что они не образуются вплоть до давлений в 83 ГПа. Полученное вещество обладает металлической проводимостью, возникающей за счет делокализованных уровней ксенона и кислорода.

Рис. 3. Внутреннее строение Нептуна. Внешний слой — атмосфера из газообразных водорода и гелия, на ее границе температура достигает 2000 К, а давление — десятков тысяч атмосфер. Под атмосферой находится мантия из воды с примесями аммиака и метана в различных экзотических фазах, температура поднимается от 2000 К на границе до 5000–7000 К вблизи ядра, а давление — от единиц ГПа до сотен ГПа. Граница мантии и атмосферы размыта, так как вещество находится в сверхкритическом состоянии, в котором нет различия между газом и жидкостью. Положение границы точно не известно и зависит от детального уравнения состояния вещества. На мантию приходится 70–80% массы планеты. В центре находится небольшое каменно-металлическое ядро массой с Землю (но сжатое до заметно меньших размеров). Какая новая химия скрывается под этими облаками? Изображения с сайта esrf.eu

Точное содержание ксенона в атмосферах Урана и Нептуна пока неизвестно, но если будет обнаружено, что его количество сильно меньше расчетного, это станет подтверждением того, что представленный здесь механизм химического связывания ксенона в самом деле существует в природе, а также прольет свет на строение недр Урана и Нептуна (рис. 3) и условия в них. Кроме того, сходные с описанными условия, то есть давления в сотни тысяч атмосфер и температуры 1000–1500°C, наблюдаются и в недрах Земли — в пластах, ушедших в мантию в районах субдукции. В них есть некоторое количество воды, поэтому не исключено, что связывание ксенона по описанному механизму может происходить и на Земле. А пока можно отметить, что представление об инертности ксенона в природе окончательно устарело, и поскольку в недрах планет имеет место целый набор экстремальных условий, большинство из которых еще не смоделированы ни в лаборатории, ни в квантово-химических расчетах, можно ожидать открытия новых необычных и интересных реакций и объяснения многих непонятных явлений.

Источник: Chrystèle Sanloup, Stanimir A. Bonev, Majdi Hochlaf, Helen E. Maynard-Casely. Reactivity of Xenon with Ice at Planetary Conditions // Physical Review Letters. 2013. V. 110. Issue 26, 265501.

См. также:
Chrystèle Sanloup, Burkhard C. Schmidt, Eva Maria Chamorro Perez, Albert Jambon, Eugene Gregoryanz, Mohamed Mezouar. Retention of Xenon in Quartz and Earth's Missing Xenon // Science. 2005. V. 310. P. 1174.

Заметим также, что и советские химики внесли значительный вклад в изучение химии ксенона. В 1967 году будущий академик Валерий Алексеевич Легасов защитил диссертацию, в которой описал получение соединений благородных газов.

Взять всё да и сжать.

Типичная конструкция ячейки с алмазными наковальнями состоит из двух огранённых алмазов конической формы, обращённых друг к другу заострёнными концами. Усилие передаётся механическим сдавливанием алмазов. Между поверхностями расположен так называемый гаскет — диск, изготовленный из металлического рения. Фото: Steve Jacobsen / Northwestern University

Что ещё может покорить ксенон? Оказалось, что под давлением в 50 ГПа лёд (вода не может существовать в жидком виде при таком давлении) начинает реагировать с ксеноном, и получается вещество с очередной поражающей воображение формулой Xe₄H₁₂O₁₂. Это уже не просто ксенон, запрессованный в пустоты льда, а настоящее соединение. Получить его удалось Кристель Санлу с коллегами из Эдинбургского университета. Кроме необычайного соединения ксенона, то есть его необычайной химии, в этой работе примечательно то, что нехватка ксенона в атмосфере таких планет, как Уран и Нептун, может быть объяснена именно образованием его соединений с водой, которой там вполне достаточно. Фантазия учёных заходит ещё дальше: они предположили, что и на Земле вполне возможен такой механизм связывания ксенона. Ведь в земной мантии есть места, где и давление подходящее, и температура 1000–1500°С, и вода имеется.

Посредничество фтора

Наконец, последний из ряда наиболее простых оксидов ксенона был получен уже практически в наше время. 22 февраля 2011 года в Университете МакМастер (Канада) Д. С. Брок и Г. Дж. Шробильген смогли получить диоксид ксенона XeO₂. Занятно, что они использовали достаточно простую реакцию фторида ксенона XeF₄ с водой и водным раствором серной кислоты.

Всего на сегодняшний день известно уже более 100 соединений ксенона.

Откуда на Земле ксенон и куда он делся?

Что же нам может рассказать об истории нашей планеты ксенон? Представьте себе, что зарождающаяся Земля была сильно разогретым куском магматического вещества. А теперь попробуйте ответить на простой вопрос: что будет с газами, окружающими такую разогретую массу, и с газами, растворёнными в ней? Конечно, они в значительной мере улетучатся в космическое пространство. Частично удержать их от этого может лишь земное тяготение. А значит, состав земной атмосферы обогатится тяжёлыми атомами, в то время как лёгкие атомы покинут её. Так что газообразный ксенон должен был в значительной мере исчезнуть в период зарождения Земли. Но наша планета начала остывать и по мере этого снова обогащаться газами и формировать атмосферу. При всех подобных метаморфозах йод-129, плутоний-244 и тем более уран-238 никуда из земного вещества не исчезли, а, значит, продолжили после остывания планеты пополнять атмосферу и мантию атомами ксенона. Если бы Земля остывала очень медленно, то до того, как она остыла, практически весь йод бы распался и образовавшийся ксенон улетучился бы из-за высокой температуры. Если же Земля остыла за время, соизмеримое с периодом полураспада йода-129, то значительная часть йода должна была сохраниться и продолжить продуцировать ксенон-129. При этом на остывшей Земле ксенон должен был сохраниться, что и наблюдается. Значит, наша планета остывала не более нескольких полупериодов распада йода-129.

Таблица. Сравнительное содержание некоторых благородных газов в атмосферах Земли и Марса

Атмосфера	Благородные газы (ppmv — объемные части на миллион)
Атмосфера	Неон	Аргон	Криптон	Ксенон
Земли	18,18	9340	1,14	0,087
Марса	2,5	16 000	0,3	0,08

С другими небесными телами — метеоритами — всё немного проще. Они падают непосредственно на Землю, и изучать их соответственно легче. Пессимизм вызывает только тот факт, что источников ксенона на Земле и других планетах достаточно много и факторов взаимодействия ксенона с веществами, наполняющими Землю, тоже немало, что создаёт задачу с огромным количеством неизвестных и трудно поддающуюся моделированию. Однако её успешное решение помогло бы открыть немало тайн развития солнечной системы, а может, даже и жизни на Земле.

Огни от ксеноновых ламп в Цусимском проливе, используемых японскими рыбаками во время ловли кальмаров. Снимок Цусимского пролива сделан одним из членов экипажа 37-й экспедиции на Международную космическую станцию в сентябре 2013 года. Фото: earthobservatory.nasa.gov

Содержание

1 История
- 1.1 Происхождение названия
- 2.1 В Солнечной системе
- 2.2 Земная кора
- 4.1 Физические свойства
- 4.2 Химические свойства
- 4.3 Изотопы
История

Открыт в 1898 году британскими учёными Уильямом Рамзаем и Морисом Траверсом, которые подвергли медленному испарению жидкий воздух и спектроскопическим методом исследовали его наиболее труднолетучие фракции. Ксенон был обнаружен как небольшая примесь к криптону. За открытие инертных газов (в частности ксенона) и определение их места в периодической таблице Менделеева Рамзай получил в 1904 году Нобелевскую премию по химии.

Происхождение названия

Распространённость

Ксенон — весьма редкий элемент. При нормальных условиях в кубометре воздуха содержится 0,086—0,087 см 3 ксенона.

В Солнечной системе

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 изотопа 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. В атмосфере Юпитера, напротив, концентрация ксенона необычно высока — почти в два раза выше, чем в фотосфере Солнца.

Земная кора

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. Он также встречается в газах, выделяемых водами некоторых минеральных источников. Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например 133 Xe и 135 Xe, получаются в результате нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.

Определение

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.

Свойства

Физические свойства

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) .

Плотность в газообразном состоянии при стандартных условиях (0 °C, 100 кПа ) 5,894 г/л (кг/м 3 ), в 4,9 раза тяжелее воздуха. Плотность жидкого ксенона при температуре кипения 2,942 г/см 3 . Плотность твёрдого ксенона 2,7 г/см 3 (при 133 К ), он образует кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm3m, параметры ячейки a = 0,6197 нм , Z = 4 .

Критическая температура ксенона 289,74 К (16,59 °C), критическое давление 5,84 МПа , критическая плотность 1,099 г/см 3 .

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

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).

При стандартных условиях (273 К, 100 кПа): теплопроводность 5,4 мВт/(м·К) , динамическая вязкость 21 мкПа·с , коэффициент самодиффузии 4,8·10 −6 м 2 /с , коэффициент сжимаемости 0,9950, молярная теплоёмкость при постоянном давлении 20,79 Дж/(моль·К).

Ксенон диамагнитен, его магнитная восприимчивость −4,3·10 −5 . Поляризуемость 4,0·10 −3 нм 3 . Энергия ионизации 12,1298 эВ .

Химические свойства

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.

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 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).

Изотопы

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: 126 Xe, 128 Xe, 129 Xe, 130 Xe, 131 Xe, 132 Xe, 134 Xe. Еще два изотопа ( 124 Xe и 136 Xe) имеют огромные периоды полураспада, много больше возраста Вселенной.

Остальные изотопы искусственные, самые долгоживущие — 127 Xe (период полураспада 36,345 суток) и 133 Xe (5,2475 суток), период полураспада остальных изотопов не превышает 20 часов. Среди ядерных изомеров наиболее стабильны 131 Xe m с периодом полураспада 11,84 суток, 129 Xe m (8,88 суток) и 133 Xe m (2,19 суток).

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, его накопление в ядерных реакторах в результате цепочки β-распадов ядер теллура-135 и йода-135 приводит к эффекту так называемого отравления ксеноном (см. также Иодная яма).

Получение

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

Из-за своей малой распространённости ксенон гораздо дороже более лёгких инертных газов. В 2009 году цена ксенона составляла около 20 евро за литр газообразного вещества при стандартном давлении.

Читайте также: