Степени окисления ксенона в соединениях

Обновлено: 30.01.2025

Степень окисления – это количественная оценка состояния атома химического элемента в соединении, основанная на его электроотрицательности.

Следует помнить, что степень окисления — величина, не имеющая физического смысла, так как не отражает реальный заряд атома. Однако это понятие весьма широко используется в химии.

Таблица степени окисления химических элементов

Если рассматривать химические соединения более конкретно, то в веществах с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю (N₂, H₂, Cl₂).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 ₂, Al +3 F -1 ₃, Zr +4 Br -1 ₄.

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Существуют элементы, для которых характерно только одно значение степени окисления (фтор, металлы IA и IIA групп и т.д.). Фтор, характеризующийся наибольшим значением электроотрицательности, в соединениях всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления (-1).

Щелочные и щелочноземельные элементы, для которых свойственно относительно невысокое значение электроотрицательности, всегда имеют положительную степень окисления, равную соответственно (+1) и (+2).

Однако, имеются и такие химические элементы, для которых характерны несколько значений степени окисления (сера – (-2), 0, (+2), (+4), (+6) и др.).

Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие степени окисления характерны для конкретного химического элемента используют таблицы степеней окисления химических элементов, которые выглядят следующим образом:

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

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.

Применение

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) двигателейкосмических аппаратов.

С конца XX века ксенон стал применяться как средство для общего наркоза (достаточно дорогой, но абсолютно нетоксичный, точнее — как инертный газ — не вызывает химических последствий). Первые диссертации о технике ксенонового наркоза в России — 1993 г., в качестве лечебного наркоза эффективно применяется для снятия острых абстинентных состояний (Абстинентный синдром) и лечения наркомании, а также психических и соматических расстройств.

Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда лазеров

Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива, а так же в качестве компонентов газовых смесей для лазеров.

В изотопе 129 Xe возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния называемого гиперполяризацией.

Ксенон используется в конструкции ячейки Голея.

Биологическая роль

Ксенон не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие

Газ ксенон безвреден, но способен вызвать наркоз (по физическому механизму), а в больших концентрациях (более 80 %) вызывает асфиксию.
Фториды ксенона ядовиты, ПДК в воздухе 0,05 мг/м³.

Периодическая система химических элементов Менделеева

Классификация хим. элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона/

198095, г.Санкт-Петербург, ул.Швецова, д.23, лит.Б, пом.7-Н, схема проезда

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.

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 источников света. Радиоактивные изотопы ксенона применяют в качестве источников излучения в радиографии. Определение концентрации изотопов ксенона в урановых минералах позволяет определить их возраст.

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 лампах 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

В 1930-х годах американский инженер Гарольд Эдгертон начал исследовать технологию стробоскопического света 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 Эдгертон смог с помощью этого метода генерировать вспышки длительностью в одну микросекунду .

Ксенон и другие благородные газы долгое время считались полностью химически инертными и не способными 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 поздние исследования показали, 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

Жидкие (безликие) и кристаллические твердые наночастицы Xe, полученные имплантацией ионов Xe + в алюминий при комнатной температуре.

Ксенон имеет атомный номер 54; то есть его ядро содержит 54 протона . При стандартной температуре и давлении чистый газообразный ксенон имеет плотность 5,894 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 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 прочно 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 в двухколонной установке, 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. Эквивалентные затраты на килограмм ксенона рассчитываются путем умножения стоимости литра на 174.

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 в планетезимальных льдах.) Проблема низкого 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 звездах-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 должны подвергаться двойному бета-распаду , 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 циркулярно поляризованного света 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.

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 звездой и моментом, когда метеориты затвердели и захватили 129 I. (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 также мог 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 ранней дегазации. 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.

Читайте также: