Ксенон
| 54 | Ксенон
|
| 4d105s25p6 | |
Ксено́н (лат. Xenon; обозначается символом Xe) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы VIII группы или группы VIIIа) пятого периода периодической системы с атомным номером 54. Следом за гелием, неоном, аргоном и криптоном — пятый элемент из группы инертных газов. Ксенон — весьма редкий элемент. При нормальных условиях в одном кубометре воздуха содержится около 0,087 см3 ксенона. Как простое вещество представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Ксенон был открыт одновременно с криптоном на основе периодической системы, по следам предыдущих инертных газов. В 1898 году Уильям Рамзай совместно со своим ассистентом Морисом Уильямом Траверсом выделил из жидкого воздуха, предварительно удалив кислород, азот и аргон, смесь, в которой спектральным методом были открыты два газа, названные: криптоном (от др.-греч. κρυπτός — «скрытый», «секретный») и ксеноном («чуждый», «необычный»). Название связано с тем, что ксенон был обнаружен как примесь к криптону, и с тем, что его доля в атмосферном воздухе чрезвычайно мала. Он встречается в газах, выделяемых водами некоторых минеральных источников. Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например 133Xe и 135Xe, получаются в результате нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.
Ксенон в афоризмах и кратких определениях
[править]...в самых последних пузырьках пара Рамзай и Трэверс отыскали еще один неизвестный газ. Его они назвали ксеноном. По-гречески это значит «чуждый».[1] | |
| — Матвей Бронштейн, «Солнечное вещество», 1936 |
Если бы на лунной поверхности имелись радиоактивные элементы в достаточном количестве, то при радиоактивном распаде урана должны были бы выделяться газы криптон и ксенон, которые благодаря большому атомному весу даже в условиях Луны улетучиваются очень медленно.[2] | |
| — Николай Барабашов, «В лунных условиях», 1959 |
| — Борис Красильников, «Заметка», 1965 |
Еще в 1933 году Лайнус Полинг, развивая представления о валентных связях, предсказал возможность существования фторидов криптона и ксенона. Но лишь в 1962 году было получено первое такое соединение ― гексафтороплатинат ксенона.[4] | |
| — Давид Финкельштейн, «Криптон», 1969 |
За трехнедельный срок в результате столкновения между антипротонами и атомами ксенона образовались девять атомов антивещества.[5] | |
| — Василий Голышев, Павел Крижевский, «Синтезировано антивещество», 1996 |
Чтобы оценить шансы на успех, мы уже в этом году поставим модельный эксперимент. Попытаемся получить изотопы не сверхтяжелого, но достаточно тяжелого 108-го элемента, используя слияние двух ядер ксенона-136...[6] | |
| — Юрий Оганесян, «И начало всё расти и распускаться», 2007 |
Ксенон в научной и научно-популярной литературе
[править]Рамзай и Трэверс стали выпаривать твердый аргон и собирать первые порции пара отдельно от последующих. Первым всегда уходил гелий. А когда мороз делался слабее, начинал улетучиваться и неон. За ним испарялись аргон и криптон. А в самых последних пузырьках пара Рамзай и Трэверс отыскали еще один неизвестный газ. Его они назвали ксеноном. По-гречески это значит «чуждый». Каждый новый газ они очищали и взвешивали на точных весах. Наконец работа была закончена. Когда-то, до Рэлея и Рамзая, ученые были уверены, что воздух состоит только из кислорода и азота. Потом был открыт аргон. А Рамзай и Трэверс доказали, что к каждому литру воздуха подмешано, кроме аргона, 18 кубических миллиметров неона, 5 кубических миллиметров гелия, 1 кубический миллиметр криптона, одна десятая кубического миллиметра ксенона. Добыв из воздуха эти газы, Рамзай принялся проделывать с ними всевозможные опыты. Он хотел узнать, вступают ли они в какие-нибудь химические соединения. Оказалось, что не вступают. Не только аргон и гелий, но и неон, криптон и ксенон не захотели соединяться ни с одним веществом. Гелий, аргон, неон, криптон, ксенон — все они оказались инертными — ленивыми газами. Целая компания лентяев! И всех их Рамзай выделил из воздуха, очистил и изучил.[1] | |
| — Матвей Бронштейн, «Солнечное вещество», 1936 |
Очень немногие химики могли похвастаться тем, что держали в руках хотя бы крохотный пузырек неона или гелия. А криптон и ксенон еще и в наше время редко можно найти в химической лаборатории, несмотря на то что после их открытия прошло уже немало лет. И это понятно: на литр воздуха приходится криптона всего только 1 кубический миллиметр, а ксенона еще того меньше. И добыть их из воздуха очень трудно. Только аргон и неон давно перестали быть редкостью. Их добывают из воздуха на химических заводах. В Москве на заводе «Сжатый газ» есть машина, выпускающая 2 1/2 тысячи литров аргона в час. Скоро станут добывать на заводах и криптон и ксенон.[1] | |
| — Матвей Бронштейн, «Солнечное вещество», 1936 |
Некоторые соображения наталкивают на мысль, что на дне кратера Альфонс возможно наличие небольшого количества каких-то газов. Если бы на лунной поверхности имелись радиоактивные элементы в достаточном количестве, то при радиоактивном распаде урана должны были бы выделяться газы криптон и ксенон, которые благодаря большому атомному весу даже в условиях Луны улетучиваются очень медленно. Однако поскольку эти газы на Луне не обнаруживаются, то можно считать, что в лунных горных породах должно содержаться не более одного процента того количества урана, которое содержится в земной коре.[2] | |
| — Николай Барабашов, «В лунных условиях», 1959 |
Рассматривая редкоземельные элементы в их совокупности, периодическая система ничего не могла сказать об их индивидуальных свойствах. И не могла объяснить, почему для церия, празеодима и тербия известно четырехвалентное состояние, а для самария и европия ― двухвалентное. Это и сделал в 1929 г. немецкий химик Вильгельм Клемм. Своеобразными «инертными газами» в его таблице были трехвалентные ионы лантана, гадолиния и лютеция. В этом случае ион лантана имел, как говорят физики, электронную конфигурацию ближайшего «обычного» инертного газа ксенона; ион лютеция ― ту же структуру плюс заполненная подоболочка, содержащая 14 электронов; у гадолиния же эта подоболочка заполнялась наполовину (семь электронов). Так Клемму удалось объяснить аномальные (отличные от трех) валентности лантаноидов.[7] | |
| — Дмитрий Трифонов, «Настанет ли век редкоземельных элементов?», 1965 |
Открытие аргона и гелия столкнуло периодический закон с большими трудностями. Возник вопрос о размещении новых элементов в периодической системе. Принцип периодического повторения свойств элементов не мог допустить существования только аргона и гелия. Поместив гелий между водородом и литием, а аргон ― между хлором и калием, Уильям Рамзай предположил, что недостающие элементы должны быть аналогами аргона и гелия и обладать сходными свойствами. Иными словами, это должны быть более тяжелые инертные газы… Действительно, в 1897-1898 гг. были открыты неон, криптон и ксенон.[3] | |
| — Борис Красильников, «Заметка», 1965 |
Но существует еще один тип соединении, в котором молекулы одного типа как бы «включены» в молекулы (или в кристаллическую решетку) другого вещества. В таких «молекулярных соединениях» связь между отдельными частицами обусловлена только вандер-ваальсовыми силами, первое соединение одного из инертных газов ― аргона, относящееся к этому типу, было получено в 1896 г. французским физиком Н. Вийяром, который сжимал аргон до 15U атмосфер при 0°C. Вийяр определил упругость диссоциации гидрата аргона при двух температурах и нашел ее равной 150 ат при 0° C и 210 ат при 8° C. Намного позже, в 1923-1925 гг., Р. Форкран тем же методом синтезировал гидраты криптона и ксенона, которые оказались значительно устойчивее гидрата аргона. Таким образом, гидраты были получены только для трех инертных газов, а для остальных ― радона, неона и гелия ― они оставались неизвестными. Открытие этих гидратов, которые бесспорно доказывали реальность существования каких-то соединений инертных газов, весьма долго оставалось для многих непонятным и удивительным.[3] | |
| — Борис Красильников, «Заметка», 1965 |
Настоящий переворот в химии инертных газов произошел летом 1962 г., когда американскому химику Н. Бартлету удалось синтезировать соединение ксенона с гексафторидом платины. Перечисленные в статье Г. Малма и Г. Классена методы получения фторидов ксенона связаны с большими экспериментальными трудностями. Советские исследователи В. М. Хуторецкий и В. А. Шпанский пошли по другому пути, считая, что применение таких жестких условий не обязательно (учитывая, что синтез первого соединения происходил при непосредственном соединении ксенона с гексафторидом платины при комнатной температуре). В. М. Хуторецкому и В. А. Шпанскому удалось синтезировать дифторид ксенона при обычной температуре и под небольшим давлением. В. М. Хуторецкому и В. А. Шпанскому удалось синтезировать дифторид ксенона при обычной температуре и под небольшим давлением. Реакция протекала с выделением тепла (40-50 ккал/ моль), а иногда со взрывом. К настоящему времени синтезировано и довольно подробно изучено около тридцати соединений ксенона, криптона и радона (большинство из них принадлежит ксенону, что касается радона, то известен только его фторид). Несмотря на то что вопрос о строении соединений инертных газов еще окончательно не решен, можно с уверенностью считать их самыми обычными химическими соединениями, обладающими настоящими химическими связями.[3] | |
| — Борис Красильников, «Заметка», 1965 |
Кальверт поставил простой опыт, который впоследствии стал классическим. Кальверт облучил смесь ксенона и водорода светом, который поглощался только молекулами ксенона. Казалось бы, никаких химических процессов в такой смеси протекать не должно. Ведь ксенон ― газ инертный и в химические реакции не вступает, а водород для света, которым Кальверт освещал смесь газов, прозрачен, и по закону Гротгуса ― Дрейпера с ним также ничего не должно случиться. Когда эти газы освещали по отдельности, действительно ничего не происходило. Но когда Кальверт брал для опыта их смесь, молекулы водорода неожиданно распадались на атомы. Первый закон фотохимии почему-то нарушался. Прозрачное вещество становилось чувствительным к свету в присутствии другого вещества, которое поглощает свет, но само в химическую реакцию не вступает. Догадаться о причине протекания такой реакции (ее назвали сенсибилизированной) Кальверту было нетрудно, так как за 10 лет до его опытов Дж. Франк и Г. Карио открыли явление, лежащее в основе этой реакции ― межмолекулярный перенос энергии. В опыте Кальверта возбужденные атомы ксенона, сталкиваясь с молекулами водорода, передают им энергию возбуждения. Это и есть перенос энергии, который приводит к сенсибилизированному распаду молекул водорода. Этот процесс может протекать не только в газах, но также и в жидких растворах и в кристаллах.[8] | |
| — Виктор Кронгауз, «Как толковать законы», 1968 |
Кислород ― один из сильных окислителей. Об этом можно судить хотя бы потому, что баки с жидким кислородом ― необходимая принадлежность большинства жидкостных ракетных двигателей, и еще потому, что получено соединение кислорода даже с таким химически пассивным газом как ксенон. Впрочем, далеко не всегда окислительные реакции с участием кислорода выглядят как стихия пламени или взрыва. Процессы медленного окисления различных веществ, протекающие с небольшой скоростью и при обычной температуре, имеют для жизни не меньшее значение, чем горение ― для энергетики.[9] | |
| — Теодор Молдавер, «Кислород», 1969 |
Иного мнения придерживается другая группа. На их взгляд, земной криптон (равно как и ксенон) ― пришел на Землю из Вселенной, в процессе зарождения Земли. Он присутствовал еще в протопланетном облаке, его сорбировала первичная земная материя, откуда он потом, при разогреве планеты, выделился в атмосферу. Это мнение тоже опирается на факты. <...> | |
| — Давид Финкельштейн, «Криптон», 1969 |
Ожиженную кислородную фракцию направляют в ректификационную колонну, где получается так называемый бедный криптоновый концентрат. В нём <содержится> 0,1-0,2% Kr ― то есть в 400 раз больше чем в исходном кислороде. Прежде чем продолжить ректификацию, из бедного концентрата выжигают метан, ацетилен и прочие углеводороды. Если этого не сделать, возможен взрыв газовой смеси при дальнейших операциях по отделению криптона и ксенона от кислорода. По мере обогащения газа криптоном и ксеноном, эту операцию приходится повторять. Окончательная криптоно-ксеноновая смесь содержит 90-98% Kr+Xe. <...> Последний этап ― разделение криптона и ксенона. Жидкую смесь опять превращают в газ и направляют в адсорбер с активированным углем. Здесь при температуре минус 65-75° C ксенон и некоторое количество криптона поглощаются углем, а выходящий из адсорбера газ содержит, по меньшей мере, 97% криптона.[4] | |
| — Давид Финкельштейн, «Криптон», 1969 |
На ЦЕРНовском низкоэнергетическом антипротонном кольцевом ускорителе (LEAR) экспериментаторы прогоняли заранее заготовленные антипротоны сквозь ксеноновую струю. Антипротоны, за секунду делавшие в ускорителе 3 млн оборотов, изредка наталкивались на атомы ксенона и расходовали часть своей энергии на создание электрон-позитронной пары. В удачных случаях скорость позитрона оказывалась достаточно близкой к скорости антипротона, и тогда происходил захват: рождался атом антиводорода. Обычный водород составляет три четверти Вселенной, и многие наши знания о ней были получены в ходе его изучения. <...> За трехнедельный срок в результате столкновения между антипротонами и атомами ксенона образовались девять атомов антивещества. Каждый просуществовал приблизительно сорок миллиардных долей секунды и, пройдя со скоростью, близкой к скорости света, десятиметровый отрезок, аннигилировал с обычным веществом. Именно аннигиляционная вспышка и засвидетельствовала рождение антивещества.[5] | |
| — Василий Голышев, Павел Крижевский, «Синтезировано антивещество», 1996 |
Лучше всего использовать принципиально новые источники свечения ― металлогалогеновые лампы, более известные как ксеноновые. Ксеноновая лампа ― газоразрядная колба, наполненная смесью инертных газов, включающих ксенон. Ксеноновые лампы имеют ярко-белый цвет. Разные оттенки свечения достигаются при помощи специальной смеси газов внутри газоразрядной колбы, единицей яркости источника света является световая температура. Световая температура ксеноновых ламп ― 4300-8000К (для сравнения Солнце имеет световую температуру около 5000-6000K). Желтыми выглядят лампы с температурой 4300-5200К, голубыми - лампы с температурой больше 6000К. Разобравшись с цветовой температурой, посмотрим, какие же еще преимущества у настоящего ксенонового света. Во-первых, это более интенсивный, яркий свет при меньших энергетических затратах, а во-вторых, больший ресурс работы. Срок службы ламп в несколько раз (до 10) превышает срок службы галогеновых ламп. <...> Ксеноновое освещение делает автомобиль безопаснее и для окружающей среды, так как меньшее потребление энергии означает уменьшение потребления топлива и снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.[10] | |
| — Ксеноновый свет ― что это такое и зачем это нужно, 2004 |
Зеркала на этой длине волны сами являются наноструктурами ― системой чередующихся пленок молибдена и кремния с периодом 6.5 нм. Более точно длина волны зависит от материала мишени. В настоящее время большинство предлагает ксенон, максимум излучения которого лежит на 13.5 нм. Чтобы построить литографический процесс на более чем в 10 раз меньшей длине волны, требуется пересмотреть всю технологию.[11] | |
| — Сергей Гапонов, «Литография на длине волны 13 нм», 2004 |
Чтобы оценить шансы на успех, мы уже в этом году поставим модельный эксперимент. Попытаемся получить изотопы не сверхтяжелого, но достаточно тяжелого 108-го элемента, используя слияние двух ядер ксенона-136 (атомный номер ксенона ― 54). Пучок стабильного изотопа ксенона-136 на нашем ускорителе У-400 имеет достаточно высокую интенсивность. Этот же изотоп в виде газа будет использован в качестве материала мишени. В данном опыте мы надеемся получить количественные данные о вероятности слияния двух ядер ксенона. Затем, в зависимости от результата, оценим возможности в использовании пучка олова-132, интенсивность которого, даже по самым оптимистическим прогнозам, будет существенно уступать имеющейся интенсивности пучка ксенона-136. Если эффект окажется положительным ― бросим на эти работы все силы, если нет, ― быть может, останется красивая идея и придется (уже в который раз!) искать новые пути.[6] | |
| — Юрий Оганесян, «И начало всё расти и распускаться», 2007 |
Ксенон в мемуарах, публицистике и художественной прозе
[править]Но что когда-то по крайней мере еще одна планета носилась между Марсом и Юпитером ― несомненно. Там теперь множество маленьких планеток ― вместо одной. Уцелели большие планеты, уцелели массивные спутники. Сравнительно маленькие, пройдя те же ступеньки, начали остывать ― распад атомов и, значит, приток тепла прекратились. А радиоактивные элементы в длинной цепи превращений образуют газы ― гелий, аргон, ксенон. Начиненные газами планеты-крошки гибнут, пропутешествовав миллиарды лет. Проходит еще какое-то время, и на пути им встречается Земля.[12] | |
| — Борис Ляпунов, «Неоткрытая планета», 1963 |
Вывод один: только марсианские полёты принесут разгадку спутников Марса. | |
| — Борис Ляпунов, «Неоткрытая планета», 1963 |
Источники
[править]- ↑ 1 2 3 М. П. Бронштейн «Солнечное вещество». — М.: Детиздат ЦК ВЛКСМ, 1936 г.
- ↑ 1 2 Н. Барабашов. В лунных условиях — М.: «Огонек». № 39, 1959 г.
- ↑ 1 2 3 4 Б. В. Красильников, Заметка. ― М.: «Химия и жизнь», № 4, 1965 г.
- ↑ 1 2 3 Д.Н.Финкельштейн, «Криптон». — М.: «Химия и жизнь», № 12, 1969 год
- ↑ 1 2 Василий Голышев, Павел Крижевский, Синтезировано антивещество. — М.: «Коммерсантъ-Daily», 27 января 1996 г.
- ↑ 1 2 Ю. Ц. Оганесян, О ядрах и ускорителях. Что такое «хороший» ускоритель. — М., «Наука и жизнь». № 7, 2007 г.
- ↑ Д. Трифонов. Настанет ли век редкоземельных элементов? — М.: «Химия и жизнь», № 2, 1965 г.
- ↑ В. А. Кронгауз. Как толковать законы. — М.: «Химия и жизнь», № 7, 1968 г.
- ↑ Теодор Молдавер. «Кислород». — М.: «Химия и жизнь», № 5, 1969 г.
- ↑ Ксеноновый свет ― что это такое и зачем это нужно. — «Калининградские Новые колеса» 26 ноября 2004 г.
- ↑ С. В. Гапонов. Литография на длине волны 13 нм. — Москва, «Вестник РАН», том 73, № 5, 2006 г.
- ↑ 1 2 Борис Ляпунов. «Неоткрытая планета». — М.: «Детская литература», 1968 г.