Ксенон: Сипаттамасы, қасиеттері және қолданылуы

Кіріспе

химиялық элемент

Ксенон – химиялық элемент, символы Xe, атомдық нөмірі 54. Бұл тығыз, түссіз, иіссіз асыл газ, Жер атмосферасында аздаған мөлшерде кездеседі. Көбінесе реакцияға түспесе де, ол кейбір химиялық реакцияларға қатыса алады, мысалы, синтезделген алғашқы асыл газ қосылысы – ксенон гексафторплатинаты. Бірінші эксимерлік лазер конструкциясында лазерлік орта ретінде ксенон димерлік молекуласы (Xe2) және ғарыш кемелерінде иондық қозғалтқыштар үшін отын ретінде қолданылды. Бұл ашлым криптон мен неон элементтерін ашқаннан кейін болды. Олар сұйық ауа компоненттерін буландырғаннан қалған қалдықтарда ксенон тапты. Рамсей бұл газға ксенон деген атты грекше ξένον (ксэнон) сөзінен берді, ол ξένος (ксэнос) сөзінің бейтарап жекеше түрі, яғни «шетелдік», «жат», немесе «қонақ» деген мағынаны білдіреді. 1902 жылы Рамсей Жер атмосферасындағы ксенонның мөлшерін 20 миллионнан бір бөлік деп бағалады. 1930 жылдары американдық инженер Харольд Эджертон жоғары жылдамдықты фотосуретке түсіру үшін стробоскопты жарық технологиясын зерттеуге кірісті. Бұл оны ксенон газбен толтырылған түтікше арқылы қысқа электр тогын өткізу арқылы жарық шығаратын ксенон жарқырағын ойлап табуға жеткізді. 1934 жылы Эджертон осы әдіспен бір микросекундқа дейін созылатын жарқырауды жасауға қол жеткізді. 1939 жылы американдық дәрігер Альберт Р. Бэнк кезеңі теңіз суға батып жүретін адамдардағы «маскүнемдікке» не себеп болатынын зерттеуді бастады. Ол суға батып жүретін адамдарға әртүрлі тыныс қоспаларын беріп, олардың әсерін тексерді және бұл суға батып жүретін адамдардың тереңдік сезімін өзгертетінін анықтады. Оның нәтижелерінен ксенон газының жансырғыш ретінде қолданылуы мүмкін екенін түсінді. Ресейлік токсиколог Николай Лазарев 1941 жылы ксенонның жансырғыш әсерін зерттегенімен, ксенонның жансырғыш екенін растайтын алғашқы жарияланған есеп 1946 жылы американдық медицина зерттеушісі Джон Х. Лоуренс жасады, ол егешқұйрықтарда тәжірибе жүргізген. Ксенон алғаш рет хирургиялық жансырғыш ретінде 1951 жылы американдық анестезиолог Стюарт К. Каллен қолданды, ол оны екі науқасқа сәтті қолданды. Ксенон және басқа асыл газдар ұзақ уақыт бойы химиялық тұрғыдан инертті және қосылыстар құрай алмайды деп есептелді. Алайда, Британ Колумбия университетінде сабақ берген кезде Нил Бартлетт платина гексафториді (PtF6) газының күшті тотықтырғыш екенін және оксиген газын (O2) тотықтырып, диоксигенил гексафторплатинатын түзетінін анықтады. O2 (1165 кДж/моль) және ксенон (1170 кДж/моль) шамамен бірдей бірінші иондалу потенциалына ие болғандықтан, Бартлетт платина гексафториді ксенонды да тотықтыра алатынын түсінді. 1962 жылдың 23 наурызында ол екі газды араластырып, асыл газдың алғашқы белгілі қосылысын – ксенон гексафторплатинатын жасады. Бартлетт оның құрамын Xe+[PtF6]− деп ойлады, бірақ кейінгі зерттеулер оның әртүрлі ксенон қосылыстарынан тұратын қоспа екенін көрсетті. Содан бері көптеген басқа ксенон қосылыстары, сондай-ақ аргон, криптон және радон сияқты басқа асыл газдардың қосылыстары ашылды, оның ішінде аргон флюорогидриді (HArF), криптон дифлюориді (KrF2) және радон флюориді. 1971 жылға қарай 80-нен астам ксенон қосылысы белгілі болды. 1989 жылдың қараша айында IBM ғалымдары жеке атомдарды манипуляциялай алатын технологияны көрсетті. «IBM атомдарда» деп аталған бағдарламада сканирлеуші туннельдік микроскоп арқылы 35 ксенон атомын суытылған никель кристалдының бетіне орналастырып, компанияның үш әріпті аббревиатурасын жазды. Бұл атомдарды тегіс бетке дәл орналастырған алғашқы рет болды.

Xenon is a chemical element; it has symbol Xe and atomic number 54. It is a dense, colorless, odorless noble gas found in Earth's atmosphere in trace amounts. Although generally unreactive, it can undergo a few chemical reactions such as the formation of xenon hexafluoroplatinate, the first noble gas compound to be synthesized. The first excimer laser design used a xenon dimer molecule (Xe2) as the lasing medium, and as a propellant for ion thrusters in spacecraft. shortly after their discovery of the elements krypton and neon. They found xenon in the residue left over from evaporating components of liquid air. Ramsay suggested the name xenon for this gas from the Greek word ξένον xénon, neuter singular form of ξένος xénos, meaning 'foreign(er)', 'strange(r)', or 'guest'. In 1902, Ramsay estimated the proportion of xenon in the Earth's atmosphere to be one part in 20 million. During the 1930s, American engineer Harold Edgerton began exploring strobe light technology for high speed photography. This led him to the invention of the xenon flash lamp in which light is generated by passing brief electric current through a tube filled with xenon gas. In 1934, Edgerton was able to generate flashes as brief as one microsecond with this method. In 1939, American physician Albert R. Behnke Jr. began exploring the causes of "drunkenness" in deep sea divers. He tested the effects of varying the breathing mixtures on his subjects, and discovered that this caused the divers to perceive a change in depth. From his results, he deduced that xenon gas could serve as an anesthetic. Although Russian toxicologist Nikolay V. Lazarev apparently studied xenon anesthesia in 1941, the first published report confirming xenon anesthesia was in 1946 by American medical researcher John H. Lawrence, who experimented on mice. Xenon was first used as a surgical anesthetic in 1951 by American anesthesiologist Stuart C. Cullen, who successfully used it with two patients. Xenon and the other noble gases were for a long time considered to be completely chemically inert and not able to form compounds. However, while teaching at the University of British Columbia, Neil Bartlett discovered that the gas platinum hexafluoride (PtF6) was a powerful oxidizing agent that could oxidize oxygen gas (O2) to form dioxygenyl hexafluoroplatinate Since O2 (1165 kJ/mol) and xenon (1170 kJ/mol) have almost the same first ionization potential, Bartlett realized that platinum hexafluoride might also be able to oxidize xenon. On March 23, 1962, he mixed the two gases and produced the first known compound of a noble gas, xenon hexafluoroplatinate. Bartlett thought its composition to be Xe+[PtF6]−, but later work revealed that it was probably a mixture of various xenon containing salts. Since then, many other xenon compounds have been discovered, in addition to some compounds of the noble gases argon, krypton, and radon, including argon fluorohydride (HArF), krypton difluoride (KrF2), and radon fluoride. By 1971, more than 80 xenon compounds were known. In November 1989, IBM scientists demonstrated a technology capable of manipulating individual atoms. The program, called IBM in atoms, used a scanning tunneling microscope to arrange 35 individual xenon atoms on a substrate of chilled crystal of nickel to spell out the three letter company initialism. It was the first time atoms had been precisely positioned on a flat surface.

Сипаттамалары

Ксенонның атомдық нөмірі 54; яғни оның ядросында 54 протон бар. Стандартты температура мен қысымда таза ксенон газының тығыздығы 5.894 кг/м3, бұл теңіз деңгейіндегі Жер атмосферасының тығыздығынан 4,5 есе артық, 1.217 кг/м3. Сұйық күйде ксенонның тығыздығы 3.100 г/мл-ге дейін жетеді, ең жоғары тығыздық үштік нүктеде байқалады. Сұйық ксенонның үлкен атомдық көлеміне байланысты поляризациялану қабілеті жоғары, сондықтан ол тамаша еріткіш болып табылады. Ол көмірсутектерді, биологиялық молекулаларды және тіпті суды да еріте алады. Осыған ұқсас жағдайларда қатты ксенонның тығыздығы 3.640 г/см3, граниттің орташа тығыздығы 2.75 г/см3-тан жоғары. Қатты ксенон қысым әсерінен бетке ортайтын кубтық (fcc) кристалдық құрылымынан гексагонды тығыз жиналған (hcp) кристалдық құрылымына өтеді және шамамен 140 ГПа қысымда металлға айнала бастайды, hcp фазасында көлемде айтарлықтай өзгеріс болмайды. 155 ГПа қысымда толығымен металлға айналады. Металлданған кезде ксенон аспан көгіне ұқсас түс алады, себебі ол қызыл жарықты сіңіріп, көрінетін спектрдің басқа жиіліктерін өткізеді. Мұндай қасиет металл үшін ерекше және бұл күйдегі электрондық жолақтың салыстырмалы түрде тарлығымен түсіндіріледі. Сұйық немесе қатты ксенон нанобөлшектерін бөлме температурасында Xe+ иондарын қатты матрицаға енгізу арқылы жасауға болады. Көптеген қатты денелердің кристалдық тор тұрақтылары қатты ксеноннан кіші болады. Бұл енгізілген ксенонның сұйықтануына немесе қатаюына жеткілікті қысымға дейін сығылуына әкеледі. Ксенон – нөлдік валенттілікке ие элементтердің қатарына жататын асыл немесе инертті газдардың бірі. Ол көптеген химиялық реакцияларға (мысалы, жану сияқты) инертті, себебі сыртқы валентті қабығында сегіз электрон бар. Бұл жағдай тұрақты, ең төмен энергия деңгейіндегі конфигурацияны қамтамасыз етеді, онда сыртқы электрондар тығыз байланысқан. Газ толтырылған түтікте ксенон электр разрядының әсерінен көк немесе лавандр түсті жарқырау шығарады. Ксенон көрінетін спектрді қамтитын эмиссиялық сызықтар жолағын шығарады, бірақ ең қарқынды сызықтар көк жарық аймағында орналасқан, нәтижесінде осы түс пайда болады.

Xenon has atomic number 54; that is, its nucleus contains 54 protons. At standard temperature and pressure, pure xenon gas has a density of 5.894 kg/m3, about 4.5 times the density of the Earth's atmosphere at sea level, 1.217 kg/m3. As a liquid, xenon has a density of up to 3.100 g/mL, with the density maximum occurring at the triple point. Liquid xenon has a high polarizability due to its large atomic volume, and thus is an excellent solvent. It can dissolve hydrocarbons, biological molecules, and even water. Under the same conditions, the density of solid xenon, 3.640 g/cm3, is greater than the average density of granite, 2.75 g/cm3. Solid xenon changes from face centered cubic (fcc) to hexagonal close packed (hcp) crystal phase under pressure and begins to turn metallic at about 140 GPa, with no noticeable volume change in the hcp phase. It is completely metallic at 155 GPa. When metallized, xenon appears sky blue because it absorbs red light and transmits other visible frequencies. Such behavior is unusual for a metal and is explained by the relatively small width of the electron bands in that state. Liquid or solid xenon nanoparticles can be formed at room temperature by implanting Xe+ ions into a solid matrix. Many solids have lattice constants smaller than solid Xe. This results in compression of the implanted Xe to pressures that may be sufficient for its liquefaction or solidification. Xenon is a member of the zero valence elements that are called noble or inert gases. It is inert to most common chemical reactions (such as combustion, for example) because the outer valence shell contains eight electrons. This produces a stable, minimum energy configuration in which the outer electrons are tightly bound. In a gas filled tube, xenon emits a blue or lavenderish glow when excited by electrical discharge. Xenon emits a band of emission lines that span the visual spectrum, but the most intense lines occur in the region of blue light, producing the coloration.

Өрлеу және өндіріс

Ксенон – Жер атмосферасындағы іздік газ, оның көлемі 87 (миллиардқа бөлік) немесе шамамен 11,5 миллионға 1 бөлік. Ол сондай-ақ кейбір минералды бұлақтардан шығатын газдардың құрамында да кездеседі. Егер атмосфераның жалпы массасы болса, атмосферадағы ксенонның жалпы массасы шамамен құрайды, атмосфераның орташа молярлық массасы 28,96 г/моль екенін ескерсек, бұл шамамен 394 массалық ppb-ге баламалы.

Коммерциялық

Ксенон коммерциялық түрде ауаның оттегі мен азотқа бөлінуінің қосалқы өнімі ретінде алынады. Әдетте екі бағаналы қондырғыда фракциялық дистилляция арқылы орындалатын осы бөлінуден кейін өндірілген сұйық оттегіде криптон мен ксенонның аз мөлшері болады. Қосымша фракциялық дистилляция арқылы сұйық оттегін криптон/ксенон қоспасының 0,1–0,2% құрайтын етіп байытуға болады, ол силикагельге адсорбциялау немесе дистилляция арқылы алынады. Соңында криптон/ксенон қоспасын одан әрі дистилляциялау арқылы криптон мен ксенонға бөліп алуға болады. 1998 жылы әлемдегі ксенон өндірісі шамамен бағаланды. Оның тығыздығы осыған тең, яғни шамамен. Сирек кездесетіндіктен, ксенон жеңіл асыл газдардан әлдеқайда қымбат – 1999 жылы Еуропада шағын көлемде сатып алу бағасы ксенон үшін 10 €/л (~1,7 €/г), криптон үшін 1 €/л (~0,27 €/г) және неон үшін 0,20 €/л (~0,22 €/г) құрады. Ксенон Күн атмосферасында, Жерде және астероидтар мен кометаларда салыстырмалы түрде сирек кездеседі. Юпитер планетасының атмосферасындағы ксенон мөлшері ерекше жоғары, Күндегіден шамамен 2,6 есе көп. Бұл мөлшердің себебі әлі анықталған жоқ, бірақ планеталық денелердің – кішкентай, планеталық емес денелердің – планеталық диск қызудан бұрын ерте және жылдам жиналуынан туындаған болуы мүмкін; әйтпесе ксенон планеталық мұзда тұрақтап қалмас еді. Жердегі ксенонның аз болуын кварцтың ішіндегі оттекпен ксенонның коваленттік байланысы арқылы түсіндіруге болады, бұл атмосфераға ксенонның шығарылуын азайтады.

Жұлдызды

Массасы төмен асыл газдардан өзгеше, жұлдыз ішіндегі қалыпты жұлдыздық нуклеосинтез процесі ксенон жасамайды. Темір-56-дан ауыр элементтер синтез арқылы энергияны жұмсайды, ал ксенон синтезі жұлдызға энергия беретін процесс емес. Керісінше, ксенон р-процесінде супернова жарылыстары кезінде, өз ядролық сутегін толық пайдаланып, асимптотикалық алып тармағына өткен қызыл алып жұлдыздардағы баяу нейтронды ұстау процесінде (s-процесінде) және радиоактивті ыдырау арқылы пайда болады, мысалы, жойылған йод-129-дың бета ыдырауы және торий, уран мен плутонийдің спонтанды ыдырауы. Ксенонның тұрақты немесе өте ұзақ өмір сүретін изотоптары ядролық бөліну кезінде де маңызды мөлшерде өндіріледі. Ксенон-136, ксенон-135 ыдырауға үлкермес бұрын нейтронды ұстағанда түзіледі. Ксенон-136 мен ксенон-135-тің (немесе оның ыдырау өнімдерінің) арақатынасы белгілі бір реактордың қуат тарихы туралы ақпарат бере алады, ал ксенон-136-ның болмауы ядролық жарылыстың "белгісі" болып табылады, себебі ксенон-135 тікелей өндірілмейді, ол бірнеше бета ыдыраудың нәтижесінде пайда болады және сондықтан ядролық жарылыс кезінде нейтрондарды сіңіре алмайды (жарылыс секундтың үлесі ішінде болады). Тұрақты изотоп ксенон-132 термиялық нейтрондық бөлінуде 4%-дан астам бөліну өнімділігіне ие, яғни тұрақты немесе жартылай тұрақты ксенон изотоптарының массалық үлесі пайдаланылған отында (бөліну өнімдерінің шамамен 3%) ауадағыдан жоғары. Дегенмен, 2022 жылға дейін ядролық қайта өңдеу кезінде пайдаланылған отыннан ксенон алуға бағытталған коммерциялық жобалар жоқ.

Изотоптар

Табиғи ксенон жеті тұрақты изотоптан тұрады: 126Xe, 128–132Xe және 134Xe. Теория бойынша 126Xe және 134Xe изотоптары қос бета ыдырауына ұшырайды деп болжанады, бірақ бұл құбылыс ешқашан байқалмаған, сондықтан олар тұрақты деп есептеледі. Сонымен қатар, 40-тан астам тұрақсыз изотоп зерттелген. Бұл изотоптардың ішінде ең ұзақ өмір сүретіні – бастапқы 124Xe, ол 1,8 жартылай өмір сүру мерзімімен қос электронды тұтқындауға ұшырайды, ал 136Xe – 2,11 × 1021 жыл жартылай өмір сүру мерзімімен қос бета ыдырауына ұшырайды. 129Xe, 16 миллион жыл жартылай өмір сүру мерзіміне ие 129I бета ыдырауы нәтижесінде пайда болады. 131mXe, 133Xe, 133mXe және 135Xe – 235U және 239Pu ядролық бөлінуінің өнімдері болып табылады және ядролық жарылыстарды анықтау және бақылау үшін қолданылады.

Ядролық спин

Ксенонның екі тұрақты изотопының ядролары, 129Xe және 131Xe (екі тұрақты, тақ массалық саны бар изотоп), нөлдік емес ішкі бұрыштық моментке (ядролық спиндерге, ядролық магниттік резонансқа жарамды) ие. Ядролық спиндерді дөңгелек поляризацияланған жарық және рубидий буы арқылы қалыпты поляризация деңгейінен асырып бағыттауға болады. Ксенон ядроларының спиндік поляризациясы оның ең жоғары мүмкін мәнінің 50% -ын асып түседі, бұл парамагниттік статистикамен анықталған жылулық тепе-теңдік мәнінен (бөлме температурасында ең жоғары мәннің 0,001% -ы, тіпті ең күшті магниттерде) әлдеқайда жоғары. Спиннің тепе-теңдіксіз жағдайы уақытша болып табылады және гиперполяризация деп аталады. Ксенонды гиперполяризациялау процесі оптикалық сорғылау деп аталады (бірақ бұл лазерді сорғылаудан өзгеше). 129Xe ядросының спині 1/2 болғандықтан, демек нөлдік электрлік төртполюс моментіне ие болғандықтан, 129Xe ядросы басқа атомдармен соқтығысқанда төртполюс өзара әрекеттесуін сезінбейді, сондықтан гиперполяризация жарық пен бу алынғаннан кейін де ұзақ сақталады. 129Xe спиндік поляризациясы қанда еріген ксенон атомдары үшін бірнеше секундтан, газ фазасында бірнеше сағатқа дейін және қатты мұздатылған ксенонда бірнеше күнге дейін сақталуы мүмкін. Керісінше, 131Xe ядролық спині 3/2-ге тең және нөлдік емес төртполюс моментіне ие, ал t1 релаксация уақыты миллисекунд және секунд диапазонында болады.

Бөлінуден

Ксенонның кейбір радиоактивті изотоптары (мысалы, 133Xe және 135Xe) ядролық реакторларда бөлінетін материалды нейтрондармен сәулелендіру арқылы өндіріледі. Ол сондай-ақ, нейтрондарды сіңіретін немесе "у" ретінде жұмыс істейді, белгілі бір уақыт жұмыс істегеннен кейін тізбекті реакцияны баяулатуға немесе тоқтатуға мүмкіндік береді. Бұл американдық Манхэттен жобасының плутоний өндіру үшін салған ең алғашқы ядролық реакторларында анықталған. Дегенмен, конструкторлар реактордың реактивтілігін (бір жарылу кезінде ядролық отынның басқа атомдарын жарылуға қатыстыратын нейтрондар саны) арттыру үшін жобаға түзетулер енгізді. 135Xe реакторының "улануы" Чернобыль апатының маңызды себебі болды. Реакторды тоқтату немесе қуатын төмендету 135Xe-нің жиналуына алып келуі мүмкін, бұл реактордың жұмысын "йод шұңқыры" деп аталатын жағдайға түсіреді. Қиын жағдайларда, радиоактивті ксенон изотоптарының салыстырмалы түрде жоғары концентрациясы жарылған отын таяқшаларынан немесе салқындату суындағы уранның бөлінуінен шығуы мүмкін. Габондағы Оклодағы табиғи ядролық реакторларда өндірілген ксенон изотоптарының арақатынасы шамамен 2 миллиард жыл бұрын болған тізбекті реакция кезіндегі реактордың қасиеттерін көрсетеді.

Космикалық процестер

Ксенон екі аталық изотоптың ізін табатын зат болғандықтан, метеориттердегі ксенон изотоптарының қатынасы Күн жүйесінің қалыптасуын зерттеуде қуатты құрал болып табылады. Йод-ксенонмен жас анықтау әдісі ядролық синтез бен Күн тұмандығынан қатты дененің конденсациялануына дейінгі уақытты көрсетеді. 1960 жылы физик Джон Х. Рейнольдс кейбір метеориттерде ксенон-129-дың артық мөлшері түріндегі изотоптық аномалия бар екенін анықтады. Ол бұл радиоактивті йод-129-дың ыдырауынан пайда болған өнім деп болжады. Бұл изотоп ғарыштық сәулелердің шашырауы және ядролық бөліну арқылы баяу өндіріледі, бірақ тек супернова жарылыстарында ғана көп мөлшерде пайда болады. 129I-дың жартылай ыдырау мерзімі космологиялық уақыт өлшемі бойынша салыстырмалы түрде қысқа (16 миллион жыл), бұл супернова мен метеориттердің 129I-ды қатып, тұтқындаған уақыты арасында аз ғана уақыт өткенін көрсетті. Осы екі оқиғаның (супернова және газ бұлтының қатаюы) Күн жүйесінің ерте тарихында болғаны болжанады, себебі 129I изотобы Күн жүйесі қалыптасқанға дейін, күн газ бұлтын екінші көзден келген изотоптармен толықтыру арқылы пайда болған. Бұл супернова көзі күн газ бұлтының құлауына да себеп болуы мүмкін. Мысалы, Марстың атмосферасындағы ксенон мөлшері Жердегіге ұқсас (0,08 миллионнан бір бөлік), бірақ Марстағы 129Xe Жер мен Күнге қарағанда көп. Бұл изотоп радиоактивті ыдырау арқылы өндірілгендіктен, нәтиже Марс өзінің бастапқы атмосферасының көп бөлігін жоғалтқанын, мүмкін планета қалыптасқаннан кейінгі алғашқы 100 миллион жыл ішінде жоғалтқанын көрсетеді. Тағы бір мысал келтерсек, Нью-Мексикодағы көмірқышқыл газ ұңғымаларынан табылған 129Xe артық мөлшері Жердің қалыптасқаннан кейін көп ұзамай пайда болған жер қабығынан шыққан газдардың ыдырауынан туындаған деп есептеледі.

Құралымдар

1962 жылы Нил Бартлетт ксенонның химиялық қосылыстар құрай алатынын ашқаннан кейін, көптеген ксенон қосылыстары ашылып, сипатталды. Ксенонның белгілі барлық қосылыстарында электрожағымды фтор немесе оттегі атомдары болады. Ксенонның әрбір тотығу күйіндегі химиясы, бір төменгі тотығу күйіндегі көршілес йод элементінің химиясына ұқсас. Бұл ксенонның барлық дерлік қосылыстарын синтездеудің бастапқы нүктелері. Фтор және ксенон газдарының қоспасын ультракүлгін сәулеге түсіргенде қатты, кристалды дифторид түзіледі. Күндізгі жарықтың ультракүлгін компоненті жеткілікті. Жоғары температурада катализатордың қатысуымен ұзақ уақыт қыздырғанда пиролизденеді. NaF қатысуында пиролизденгенде жоғары тазалықта алынады. Ксенон фторидтері фторды қабылдаушы да, фторды донор ретінде де әрекет етеді, соның салдарынан XeF5, XeF7 және XeF82 сияқты катиондарды (мысалы, ) және аниондарды құрайтын тұздар түзеді. Ксенон газымен азайту арқылы көгілдір, парамагниттік Xe2+ түзіледі. Сондай-ақ, ол өтпелі металл иондарымен координациялық кешендерді де құрайды. Мұндай 30-дан астам кешен синтезделген және сипатталған. Бұл эндотермиялық, түссіз, кристалды қосылыс 80°C температурада элементтерге ыдырайды деп хабарланады. Дегенмен, бұл әлсіз байланысқан Xe атомдары мен молекулаларының ван дер Ваальс молекуласы болуы мүмкін және нағыз қосылыс емес. Теориялық есептеулер сызықтық молекуланың ван дер Ваальс кешенінен аз тұрақты екенін көрсетеді. Ксенон тетрахлориді мен ксенон дибромиді соншалықты тұрақсыз, оларды химиялық реакциялар арқылы синтездеу мүмкін емес. Олар тиісінше және радиоактивті ыдырау арқылы ғана пайда болды.

Басқа қосылыстар

Ксенон фтор немесе оттегіге қарағанда, әсіресе көміртекке қарағанда электрожағымсыз элементке тікелей байланысуы мүмкін. Фтор алмастыруы бар топтар сияқты электронды тартып алушы топтар, осы қосылыстарды тұрақтандыру үшін қажет, мұндағы C6F5 – пентафторфенил тобы. Ксенонды қамтитын басқа қосылыстар, сондай-ақ ксенонды аз электронегативті элементтерге байланысты қосылыстар: және . Соңғысы диоксониль тетрафторборатынан, температурасында −100 °C дайындалады. Ксеноннан тұратын ерекше ион – тетраксенон-алтын(II) катионы, AuXe42+, онда Xe–Au байланыстары бар. Бұл ион қосылыста кездеседі және екі өте инертті атом, ксенон мен алтын арасында тікелей химиялық байланыстардың болуымен ерекшеленеді, ксенон өтпелі металл лигандасы ретінде әрекет етеді. Сондай-ақ, ұқсас сынап кешені (HgXe)(Sb3F17) (формуласы [HgXe2+][Sb2F11–][SbF6–]) белгілі. Құрамында Xe–Xe байланысы бар, ол ең ұзын элемент-элемент байланысы болып табылады (308,71 пм = 3,0871 Å). 1995 жылы М. Рясянен және оның әріптестері, Финляндиядағы Хельсинки университетінің ғалымдары ксенон дигидридін (HXeH) және кейіннен ксенон гидрид гидроксидін (HXeOH), гидроксеноацетиленді (HXeCCH) және басқа Xe-құрамындағы молекулаларды дайындауды жариялады. 2008 жылы Khriachtchev және басқалар судың фотолизі арқылы криогендік ксенон матрицасында HXeOXeH дайындалғанын хабарлады. Сондай-ақ, дейтериленген молекулалар HXeOD және DXeOH алынған.

Клатраттар мен эксимерлер

Ксенон химиялық байланыс түзетін қосылыстардан өзге, ксенон клятраттарды да түзетуі мүмкін – тағы бір қосылыстың кристалдық торында ксенон атомдарының немесе жұптарының тұтылып қалуынан пайда болатын заттар. Мысалы, ксенон гидраты (Xe·5 ¾H2O), онда ксенон атомдары су молекулаларының торындағы бос орындарды иеленеді. Бұл клятраттың балқу температурасы 24 °C. Бұл гидраттың дейтерийленген түрі де алынған. Тағы бір мысал – ксенон гидриді (Xe(H2)8), онда ксенон жұптары (димерлер) қатты сутектің ішінде тұтылады. Мұндай клятрат гидраттары жоғары қысым жағдайында, мысалы, Антарктида мұз қабатының астындағы Восток көлінде табиғи түрде кездесуі мүмкін. Клятраттардың түзілуі ксенон, аргон және криптонды фракциялық дистилляциялауға қолданылуы мүмкін. Ксенон эндогедралды фуллерен қосылыстарын да түзетуі мүмкін, онда ксенон атомы фуллерен молекуласының ішінде тұтылады. Фуллеренге қамалған ксенон атомын 129Xe ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы арқылы байқауға болады. Ксенон атомының ортасына қатысты химиялық ығысуы арқылы фуллерен молекуласындағы химиялық реакцияларды талдауға болады. Алайда, бұл байқаулар ескертусіз емес, себебі ксенон атомы фуллереннің реакциялық қабілетіне электрондық әсер етеді. Ксенон атомдары негізгі энергия күйінде болғанда, олар бір-бірін итеріп, байланыс құра алмайды. Бірақ, ксенон атомдары энергия алғанда, электрондар негізгі күйіне оралғанға дейін экцимер (қозған димер) түзеді. Бұл құбылыс ксенон атомының көрші ксенон атомынан электронды қосып, сыртқы электрон қабығын толықтыруға бейімділігінен туындайды. Ксенон экцимерінің өмір сүру мерзімі 1–5 наносекунд, ал ыдырауы шамамен 150 және 173 нм толқын ұзындығындағы фотондарды бөліп шығарады. Ксенон басқа элементтермен, мысалы, галогендер – бром, хлор және фтормен де экцимерлерді түзетуі мүмкін.

Қолданбалар

Ксенон сирек және Жер атмосферасынан өндіру салыстырмалы түрде қымбат болғанымен, оның көптеген қолданыс салалары бар.

Газбен разрядталатын шамдар

Ксенон фотосуретке түсіруге арналған импульстік шамдар мен стробоскоптық шамдарда қолданылады; лазерлерде активті ортаны қоздыру үшін, нәтижесінде когерентті жарық пайда болады; сондай-ақ кейде бактерицидтік шамдарда. 1960 жылы ойлап табылған алғашқы қатты күйдегі лазер ксенон импульстік лампасымен қоздырылды, ал инерциялық термоядролық синтез үшін қолданылатын лазерлер де ксенон импульстік лампаларымен қоздырылады. Ұзаққа созылмайтын, қысқа доғалы, жоғары қысымды ксенон доғалы шамдардың түс температурасы ортаңғы күн сәулесіне жақын және күн сәулесін модельдеуге қолданылады. Яғни, бұл шамдардың түстік сипаттамасы Күн температурасындағы қыздырылған қара дене сәулеленуіне ұқсас. 1940 жылдары енгізілген бұл шамдар кинопроекторлардағы аз өмір сүретін көміртекті доғалы шамдарды ығыстырды. Олар сондай-ақ стандартты 35 мм, IMAX және цифрлық кинопрожекторларда қолданылады. Ксенон – қысқа толқынды ультракөк сәулеленудің тамаша көзі және кейбір түнгі көру жүйелерінде қолданылатын жақын инфрақызыл сәулеленудің жоғары қарқынды шығарылуын қамтамасыз етеді. Ксенон автомобильдердегі HID фаралары мен жоғары сапалы «тактикалық» фонарьларда металл-галогенді шамдардағы бастаушы газ ретінде қолданылады. Плазмалық дисплейдегі жеке жасушалар электродтармен иондалған ксенон мен неон қоспасын қамтиды. Бұл плазманың электродтармен өзара әрекеттесуі ультракөк фотондарын тудырады, олар дисплейдің алдыңғы бетіндегі люминофорлық жабындыны қоздырады. Ксенон жоғары қысымды натрийлі шамдарда «бастаушы газ» ретінде қолданылады. Ол барлық радиоактивті емес инертті газдардың арасында ең төмен жылу өткізгіштігіне және ең төмен иондану потенциалына ие. Инертті газ ретінде ол шамның жұмыс істеу кезіндегі химиялық реакцияларға кедергі келтірмейді. Төмен жылу өткізгіштігі шам жұмыс істеп тұрғандағы жылу шығындарын азайтады, ал төмен иондану потенциалы газдың кернеуін суық күйде салыстырмалы түрде төмендетеді, бұл шамды оңай қосуға мүмкіндік береді.

Лазерлер

1962 жылы Белл зертханасындағы зерттеушілер тобы ксенонда лазерлік құбылысты ашты, ал кейіннен лазерлік ортаға гелий қосу арқылы лазерлік күшейтудің жақсартылғанын анықтады. Алғашқы эксимерлік лазер 176 нм толқын ұзындығындағы ультракөк сәулеленуді тудыру үшін электронды сәулемен қуаттандырылған ксенон димерін (Xe2) пайдаланды. Ксенон хлориді және ксенон фториді де эксимерлік (немесе, дәлірек айтқанда, эксиплекстік) лазерлерде қолданылған.

Анестезия

Ксенон жалпы анестетик ретінде қолданылады, бірақ ол дәстүрлі анестетиктерге қарағанда қымбат. Ксенон көптеген түрлі рецепторлармен және иондық каналдармен өзара әрекеттеседі, және көптеген теориялық көп режимді ингаляциялық анестетиктер сияқты, осы өзара әрекеттесулер толықтыратын сипатқа ие. Ксенон – жоғары сәйкестікке ие глицин орынындағы NMDA рецепторларының антагонисті. Дегенмен, ксенон кейбір басқа NMDA рецепторларының антагонистерінен өзгешелігі, ол нейротоксикалық емес, кетамин мен азот оксидінің (N2O) нейротоксикалық әсерін тежейді, сонымен қатар нейроқорғау әсерін көрсетеді. Кетамин мен азот оксидінен айырмашылығы, ксенон аккумбенс ядросындағы допамин шығынын стимуляцияламайды. Азот оксиді мен циклопропан сияқты, ксенон екі порлы доменді калий каналын TREK 1 белсендіреді. Ингаляциялық анестетиктердің әсеріне қатысты TASK 3 деп аталатын туыс канал ксенонға сезімтал емес. Ксенон спинальдік анальгезияға үлес қосатын α4β2 никотиндік ацетилхолин рецепторларын тежейді. Ксенон плазмалық мембрана Ca2+ АТФазасының тиімді тежегіші болып табылады. Ксенон Ca2+ АТФазасын фермент ішіндегі гидрофобтық тесікке байланыстыру арқылы тежейді, ферменттің белсенді конформацияға өтуіне кедергі келтіреді. Ксенон серотонин 5 HT3 рецепторының бәсекелестік тежегіші болып табылады. Бұл анестезиялық немесе антиноцицептивтік емес, бірақ анестезиядан кейінгі жүрек айну мен құсуды азайтады. Ксенонның минималды альвеолярлық концентрациясы (MAC) 40 жаста 72% құрайды, бұл оны анестетик ретінде N2O-дан 44% күшті етеді. Осылайша, оны гипоксия қаупі төмен концентрациядағы оттегімен бірге қолдануға болады. Азот оксиді сияқты, ксенон парниктік газ емес және экологиялық таза деп есептеледі. Қазіргі заманғы жүйелерде қайта өңделгенімен, атмосфераға шығарылған ксенон бастапқы көзіне қайта оралады, қоршаған ортаға зиян келтірмейді.

Нейропротектор

Ксенон түрлі механизмдер арқылы жүрек пен жүйке клеткаларын қорғауды күшейтеді. Ол Ca2+, K+, KATP\HIF және NMDA антагонизміне әсер ете отырып, ишемиялық зақымдарға дейін, оның кезінде және кейін қолданылғанда нейропротективті әсер көрсетеді. Ксенон – NMDA рецепторларының глицин байланыс орнында жоғары сәйкестікке ие антагонист. Ксенон ATP-ге сезімтал калий каналдарын белсендіре отырып, нейрондық ишемиялық алдын ала дайындалуды имитациялайды. Ксенон сульфонилмочевина рецепторының 1 суббөлігіне тәуелсіз, ATP арқылы іске қосылатын каналдардың тежелуін аллостерикалық түрде азайтады, соның нәтижесінде KATP каналдарының ашық уақыты мен жиілігі артады.

Спорттық допинг

Ксенон / оттегі қоспасын тынысқа алу HIF 1 альфа транскрипция факторының өндірісін белсендіреді, бұл эритропоэтин өндірісінің ұлғаюына алып келуі мүмкін. Бұл гормонның қызыл қан клеткаларын көбейтуге және спортшылардың өнеміне әсер ететіні мәлім. Хабарламаларға сәйкес, Ресейде 2004 жылдан бері, тіпті одан бұрын да ксенонмен ингаляциялық допинг қолданылған. 2014 жылдың 31 тамызында Дүниежүзілік допингке қарсы агенттік (WADA) ксенон мен аргонды тыйым салынған заттар мен әдістер тізіміне енгізді, алайда осы газдарды анықтау үшін сенімді допинг-тест әзірленбеген. Сонымен қатар, ксенонның адам организмінде эритропоэтин өндірісіне тигізетін әсері әзірге дәлелденбеді.

Суреттеу

Ксенонның 133Xe радиоизотобының гамма-эмиссиясы жүрек, өкпелер және миды бейнелеу үшін, мысалы, бір фотонды эмиссиялық компьютерлік томография арқылы қолданылуы мүмкін. 133Xe қан ағынын өлшеу үшін де пайдаланылған. Ксенон, әсіресе гиперполяризацияланған 129Xe, магниттік-резонанстық томографияда (МРТ) тиімді контраст агенті болып табылады. Газ күйінде ол кеуекті үлгідегі қуыстарды, өкпедегі альвеолаларды немесе өкпедегі газдар ағынын бейнелей алады. Ксенон суда да, гидрофобтық еріткіштерде де ерітін болғандықтан, түрлі жұмсақ тірі тіндерді бейнелеуге болады. Қазіргі уақытта ксенон-129 МРТ сканерлеуінде визуализациялаушы зат ретінде қолданылуда. Пациент гиперполяризацияланған ксенон-129-ды тыныс алғанда өкпедегі желдету және газ алмасуын бейнелеуге және сандық мәнін анықтауға болады. Ксенон-133-тен айырмашылығы, ксенон-129 иондаушы емес және оны тыныс алу қауіпсіз, ешқандай қолайсыз әсері жоқ.

Хирургиялық операция

Ксенон хлориді экцимер лазері дерматологияда қолданылады.

NMR спектроскопиясы

Ксенон атомының үлкен, икемді сыртқы электрон қабығының арқасында ЯМР спектрі қоршаған ортаның өзгеруіне жауап береді және осы ортадағы химиялық жағдайларды бақылау үшін қолданылуы мүмкін. Мысалы, суда еріген ксенон, гидрофобты еріткіште еріген ксенон және белгілі бір ақуыздармен байланысқан ксенон ЯМР арқылы ажыратылуы мүмкін. Гиперполяризацияланған ксенонды беттік химия мамандары пайдалана алады. Көбінесе, ЯМР көмегімен беттерді сипаттау қиын, себебі беттен келетін сигналдар үлгінің көлемдік бөлігіндегі атомдық ядролардан келетін сигналдармен жабылып қалады, ал беттік ядроларға қарағанда олардың саны әлдеқайда көп. Дегенмен, қатты беттердегі ядролық спиндерге гиперполяризацияланған ксенон газынан спиндік поляризацияны беру арқылы таңдамалы түрде поляризациялауға болады. Бұл беттік сигналдарды өлшеуге және көлемдік сигналдардан ажыратуға жеткілікті күшті етеді.

Басқа

Ядролық энергияны зерттеуде ксенон көпіршік камераларында, зондтарда және жоғары молекулалық салмағы мен инертті химиясы қажетті басқа да салаларда қолданылады. Ядролық қару сынақтарының қосалқы өнімі – радиоактивті ксенон-133 және ксенон-135 бөлінуі. Бұл изотоптар ядролық сынақтарды тоқтату туралы шарттарға сәйкестікті қамтамасыз ету және Солтүстік Корея сияқты мемлекеттердің ядролық сынақтарын растау үшін бақыланады. Сұйық ксенон гамма-сәулелерін өлшеу үшін калориметрлерде, сондай-ақ гипотетикалық, әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер, немесе WIMP-терді анықтау үшін қолданылады. Теория бойынша, WIMP ксенон ядросымен соқтығысқанда, иондану мен сцинтилляция тудыратын жеткілікті энергияны бөліп шығарады. Сұйық ксенонның жоғары тығыздығы қара материямен өзара әрекеттесу ықтималдығын арттырады және өзін-өзі қорғайтын тыныш детектор жасауға мүмкіндік береді, сондықтан бұл эксперименттер үшін өте пайдалы. Ксенон – ғарыш кемелерінің иондық қозғалтқыштары үшін ең қолайлы отын, себебі оның атомдық салмағына шаққандағы иондану потенциалы төмен, бөлме температурасына жуық температурада (жоғары қысымда) сұйық күйде сақтауға болады, ал қозғалтқыштың жұмысы үшін оңай булануға келеді. Ксенон инертті, экологиялық таза және сынап немесе цезий сияқты басқа отын түрлеріне қарағанда иондық қозғалтқыштың тозуын азайтады. Ксенон алғаш рет 1970 жылдары спутниктік иондық қозғалтқыштарда қолданылды. Кейіннен ол JPL-дің Deep Space 1 ғарыштық зонды, Еуропаның SMART 1 ғарыш кемесі және NASA-ның Dawn ғарыш кемесіндегі үш иондық қозғалтқыш үшін отын ретінде пайдаланылды. Химиялық тұрғыдан алғанда, перксенатты қосылыстар аналитикалық химияда тотықтырғыштар ретінде қолданылады. Ксенон дифториді кремнийге қабысу үшін, әсіресе микроэлектромеханикалық жүйелерді (МЭМЖ) өндіруде қолданылады. 5-фторурацил қатерлі ісікке қарсы дәрісі ксенон дифторидін урацилмен реакцияға түсіру арқылы өндіріледі. Ксенон сондай-ақ белок кристаллографиясында қолданылады. 0,5-тен 5 МПа (5-тен 50 атм) дейінгі қысымда белок кристаллына қолданғанда, ксенон атомдары негізінен гидрофобтық қуыстарға байланысады, көбінесе фазалық мәселені шешуге арналған жоғары сапалы, изоморфты, ауыр атом туындысын жасайды.

In nuclear energy studies, xenon is used in bubble chambers, probes, and in other areas where a high molecular weight and inert chemistry is desirable. A by product of nuclear weapon testing is the release of radioactive xenon 133 and xenon 135. These isotopes are monitored to ensure compliance with nuclear test ban treaties, and to confirm nuclear tests by states such as North Korea. Liquid xenon is used in calorimeters to measure gamma rays, and as a detector of hypothetical weakly interacting massive particles, or WIMPs. When a WIMP collides with a xenon nucleus, theory predicts it will impart enough energy to cause ionization and scintillation. Liquid xenon is useful for these experiments because its density makes dark matter interaction more likely and it permits a quiet detector through self shielding. Xenon is the preferred propellant for ion propulsion of spacecraft because it has low ionization potential per atomic weight and can be stored as a liquid at near room temperature (under high pressure), yet easily evaporated to feed the engine. Xenon is inert, environmentally friendly, and less corrosive to an ion engine than other fuels such as mercury or caesium. Xenon was first used for satellite ion engines during the 1970s. It was later employed as a propellant for JPL's Deep Space 1 probe, Europe's SMART 1 spacecraft and for the three ion propulsion engines on NASA's Dawn Spacecraft. Chemically, the perxenate compounds are used as oxidizing agents in analytical chemistry. Xenon difluoride is used as an etchant for silicon, particularly in the production of microelectromechanical systems (MEMS). The anticancer drug 5 fluorouracil can be produced by reacting xenon difluoride with uracil. Xenon is also used in protein crystallography. Applied at pressures from 0.5 to 5 MPa (5 to 50 atm) to a protein crystal, xenon atoms bind in predominantly hydrophobic cavities, often creating a high quality, isomorphous, heavy atom derivative that can be used for solving the phase problem.

Сақтық шаралары

Ксенон газын қалыпты температура және қысымда әдеттегі шыны немесе металл ыдыстарда қауіпсіз сақтауға болады. Дегенмен, ол көптеген пластиктер мен резеңкеде оңай ериді және осы материалдармен тығыздалған ыдыстан бірте-бірте шығып кетеді. Ксенон улы емес, бірақ ол қанда ериді және қан-ми тосқауелін өткізе алатын шағын топқа жататын заттардың қатарына кіреді, оның салдарынан жоғары концентрациядағы оттегімен бірге тыныс алғанда жеңіл немесе толық хирургиялық анестезия тудыруы мүмкін. Бұл себебі ауыр ксенон атомдарының орташа жылдамдығы ауадағы азот және оттегі молекулаларынан төмендеу болады. Сондықтан, ксенон ауаға шыққанда дауыс жолдарында баяу дірілдейді және төменгі дауыс тондарына (төмен жиілікті дыбыстар күшейеді, бірақ негізгі жиілік немесе биіктік өзгермейді) әкеледі, бұл гелиймен тудырылатын жоғары дауысқа кері әсер етеді. Атап айтқанда, дауыс жолы ксенон газымен толтырылғанда, оның табиғи резонанстық жиілігі ауамен толтырылғанға қарағанда төмендейді. Осылайша, дауыс жолдарының тікелей дірілісінен туындаған дыбыс толқынының төменгі жиіліктері күшейеді, нәтижесінде дауыс жолы арқылы күшейтілген дыбыстың тембрі өзгереді. Гелий сияқты, ксенон да организмнің оттегіге қажеттілігін қанағаттандырмайды, ол қарапайым тыныс алуды қиындататын және азот тотығынан гөрі күштірек анестетик болып табылады; осы себепті және ксенонның құны жоғары болғандықтан, көптеген университеттер жалпы химиялық демонстрация ретінде дауыс өнерін тыйым салған. Күкірт гексафториді газы молекулалық салмағы бойынша ксенонға ұқсас (146-ға қарсы 131), арзан және тыныс алуды қиындататын болса да, уытты немесе анестетикалық емес; ол осы демонстрацияларда жиі қолданылады. Ксенон және күкірт гексафториді сияқты тығыз газдар кемінде 20% оттегімен араластырылған кезде қауіпсіз түрде тыныс алуға болады. Ксенонның 80% концентрациясы және 20% оттегі жалпы анестезияның ес-түс жоғалтуын жылдам тудырады. Әртүрлі тығыздықтағы газдарды тыныс арқылы тиімді және жылдам араластыруға болады, сондықтан ауыр газдар оттегімен бірге шығарылады және өкпе түбінде жиналмайды. Дегенмен, үлкен мөлшердегі ауыр газбен байланысты қауіп бар: ол ыдыста көрінбей қалуы мүмкін, ал иіссіз, түссіз газға толы аймаққа кірген адам ескертусіз тыныс алу қиындығына тап болуы мүмкін. Ксенон сирек жағдайда ғана осы деңгейде қолданылады, бірақ ксенон ыдысын желдетілмейтін кеңістікте сақтағанда қауіптілік әрқашан болуы мүмкін. Суда еритін ксенон қосылыстары, мысалы, мононатрий ксенаты орташа уытты, бірақ организмде өте қысқа жартылай өмірге ие – венаға енгізілген ксенат шамамен бір минут ішінде элементарлық ксенонға дейін тотығады.

Xenon gas can be safely kept in normal sealed glass or metal containers at standard temperature and pressure. However, it readily dissolves in most plastics and rubber, and will gradually escape from a container sealed with such materials. Xenon is non toxic, although it does dissolve in blood and belongs to a select group of substances that penetrate the blood–brain barrier, causing mild to full surgical anesthesia when inhaled in high concentrations with oxygen. because the average velocity of the heavy xenon atoms is less than that of nitrogen and oxygen molecules in air. Hence, xenon vibrates more slowly in the vocal cords when exhaled and produces lowered voice tones (low frequency enhanced sounds, but the fundamental frequency or pitch does not change), an effect opposite to the high toned voice produced in helium. Specifically, when the vocal tract is filled with xenon gas, its natural resonant frequency becomes lower than when it is filled with air. Thus, the low frequencies of the sound wave produced by the same direct vibration of the vocal cords would be enhanced, resulting in a change of the timbre of the sound amplified by the vocal tract. Like helium, xenon does not satisfy the body's need for oxygen, and it is both a simple asphyxiant and an anesthetic more powerful than nitrous oxide; consequently, and because xenon is expensive, many universities have prohibited the voice stunt as a general chemistry demonstration. The gas sulfur hexafluoride is similar to xenon in molecular weight (146 versus 131), less expensive, and though an asphyxiant, not toxic or anesthetic; it is often substituted in these demonstrations. Dense gases such as xenon and sulfur hexafluoride can be breathed safely when mixed with at least 20% oxygen. Xenon at 80% concentration along with 20% oxygen rapidly produces the unconsciousness of general anesthesia. Breathing mixes gases of different densities very effectively and rapidly so that heavier gases are purged along with the oxygen, and do not accumulate at the bottom of the lungs. There is, however, a danger associated with any heavy gas in large quantities: it may sit invisibly in a container, and a person who enters an area filled with an odorless, colorless gas may be asphyxiated without warning. Xenon is rarely used in large enough quantities for this to be a concern, though the potential for danger exists any time a tank or container of xenon is kept in an unventilated space. Water soluble xenon compounds such as monosodium xenate are moderately toxic, but have a very short half life of the body – intravenously injected xenate is reduced to elemental xenon in about a minute.