Введение

химический элемент

Ксенон — химический элемент с символом Xe и атомным номером 54. Это плотный, бесцветный, без запаха благородный газ, который в незначительных количествах содержится в атмосфере Земли. Хотя обычно химически неактивен, он способен вступать в некоторые химические реакции, например, с образованием гексафторплатината ксенона — первого синтезированного соединения благородного газа. Первый эксимерный лазер использовал димерную молекулу ксенона (Xe2) в качестве активной среды, а также в качестве рабочего тела для ионных двигателей космических аппаратов. Открытие ксенона произошло вскоре после обнаружения криптона и неона. Ученые обнаружили ксенон в остатке, образовавшемся после испарения компонентов жидкого воздуха. Рамзай предложил назвать этот газ ксеноном, от греческого слова ξένον (xénon) — среднего рода единственного числа от ξένος (xénos), означающего «чужой», «странный» или «гость». В 1902 году Рамзай оценил содержание ксенона в атмосфере Земли в один объемный пункт на 20 миллионов. В 1930-х годах американский инженер Гарольд Эджертон начал изучать технологию стробоскопической вспышки для высокоскоростной фотографии. Это привело его к изобретению ксеноновой лампы, в которой свет генерируется при прохождении короткого электрического тока через трубку, заполненную ксеноновым газом. В 1934 году Эджертон смог генерировать вспышки длительностью всего в одну микросекунду с помощью этого метода. В 1939 году американский врач Альберт Р. Бэнк-младший начал исследовать причины «опьянения» у глубоководных водолазов. Он изучал влияние различных дыхательных смесей на испытуемых и обнаружил, что это вызывало у водолазов изменение восприятия глубины. На основании полученных результатов он предположил, что ксенон может служить анестетиком. Хотя русский токсиколог Николай Лазарев, по-видимому, изучал ксеноновую анестезию еще в 1941 году, первый опубликованный отчет, подтверждающий анестезирующие свойства ксенона, появился в 1946 году благодаря американскому медицинскому исследователю Джону Лоуренсу, который проводил эксперименты на мышах. Ксенон впервые был использован в качестве хирургического анестетика в 1951 году американским анестезиологом Стюартом К. Калленом, который успешно применил его к двум пациентам. Долгое время ксенон и другие благородные газы считались полностью химически инертными и неспособными образовывать соединения. Однако, преподавая в Университете Британской Колумбии, Нил Бартлетт обнаружил, что гексафторид платины (PtF6) является сильным окислителем, способным окислять кислород (O2) с образованием гексафторплатината диоксигенила. Поскольку энергия первой ионизации у O2 (1165 кДж/моль) и ксенона (1170 кДж/моль) практически одинакова, Бартлетт предположил, что гексафторид платины также может окислять ксенон. 23 марта 1962 года он смешал эти два газа и получил первое известное соединение благородного газа — гексафторплатинат ксенона. Бартлетт полагал, что его состав — Xe+[PtF6]−, но последующие исследования показали, что это, вероятно, смесь различных солей, содержащих ксенон. С тех пор было открыто множество других соединений ксенона, а также некоторые соединения благородных газов аргона, криптона и радона, включая фторид аргона (HArF), дифторид криптона (KrF2) и фторид радона. К 1971 году было известно более 80 соединений ксенона. В ноябре 1989 года ученые IBM продемонстрировали технологию, позволяющую манипулировать отдельными атомами. Программа, получившая название IBM in atoms, использовала сканирующий туннельный микроскоп для расположения 35 отдельных атомов ксенона на подложке из охлажденного кристалла никеля, чтобы составить аббревиатуру названия компании из трех букв. Это был первый случай, когда атомы были точно позиционированы на плоской поверхности.

Характеристики

Ксенон имеет атомный номер 54; то есть его ядро содержит 54 протона. При стандартной температуре и давлении чистый газ ксенон имеет плотность 5,894 кг/м³, что примерно в 4,5 раза больше плотности земной атмосферы на уровне моря – 1,217 кг/м³. В жидком состоянии ксенон имеет плотность до 3,100 г/мл, при этом максимальная плотность достигается в тройной точке. Жидкий ксенон обладает высокой поляризуемостью благодаря большому атомному объему и, таким образом, является отличным растворителем. Он способен растворять углеводороды, биологические молекулы и даже воду. При тех же условиях плотность твердого ксенона, 3,640 г/см³, превышает среднюю плотность гранита, 2,75 г/см³. Твердый ксенон под давлением претерпевает переход из гранецентрированной кубической (fcc) фазы в гексагональную плотноупакованную (hcp) кристаллическую фазу и начинает приобретать металлические свойства при давлении около 140 ГПа, без существенного изменения объема в hcp-фазе. При 155 ГПа он становится полностью металлическим. При металлизации ксенон приобретает небесно-голубой цвет, поскольку поглощает красный свет и пропускает другие видимые частоты. Такое поведение нетипично для металла и объясняется относительно небольшой шириной электронных зон в этом состоянии. Жидкие или твердые наночастицы ксенона могут быть сформированы при комнатной температуре путем внедрения ионов Xe+ в твердую матрицу. Многие твердые тела имеют постоянные решетки меньше, чем у твердого ксенона. Это приводит к сжатию внедренного ксенона до давлений, которые могут быть достаточными для его сжижения или затвердевания. Ксенон относится к классу элементов с нулевой валентностью, известных как благородные или инертные газы. Он инертен по отношению к большинству распространенных химических реакций (например, к горению) из-за наличия восьми электронов во внешней валентной оболочке. Это создает стабильную конфигурацию с минимальной энергией, в которой внешние электроны прочно связаны. В газоразрядной трубке ксенон излучает синее или лавандовое свечение при возбуждении электрическим разрядом. Ксенон испускает полосу эмиссионных линий, охватывающую видимый спектр, однако наиболее интенсивные линии находятся в области синего света, что и обуславливает его окраску.

Возникновение и производство

Ксенон — это следовый газ в атмосфере Земли, присутствующий в объемной доле 87 (частей на миллиард), или примерно 1 часть на 11,5 миллионов. Он также встречается в составе газов, выделяемых некоторыми минеральными источниками. При общей массе атмосферы , атмосфера содержит порядка ксенона в общей сложности, если принять среднюю молярную массу атмосферы равной 28,96 г/моль, что эквивалентно примерно 394 массовым частям на миллиард (ppb).

Коммерческий

Ксенон получают в коммерческих целях как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот. После этого разделения, обычно выполняемого фракционной дистилляцией на двухколонной установке, полученный жидкий кислород содержит небольшое количество криптона и ксенона. Дополнительная фракционная дистилляция позволяет обогатить жидкий кислород до содержания 0,1–0,2% смеси криптон/ксенон, которая извлекается либо адсорбцией на силикагеле, либо дистилляцией. Наконец, смесь криптон/ксенон разделяют на криптон и ксенон дальнейшей дистилляцией. Мировое производство ксенона в 1998 году оценивалось в. При плотности, это эквивалентно примерно. Из-за своей редкости ксенон значительно дороже, чем более легкие благородные газы: приблизительные цены на покупку небольших количеств в Европе в 1999 году составляли 10 €/л (= ~1,7 €/г) для ксенона, 1 €/л (= ~0,27 €/г) для криптона и 0,20 €/л (= ~0,22 €/г) для неона. Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, а также в астероидах и кометах. Содержание ксенона в атмосфере Юпитера необычно высоко, примерно в 2,6 раза больше, чем в атмосфере Солнца. Это изобилие остается необъяснимым, но может быть вызвано ранним и быстрым накоплением планетезималей – небольших тел размером меньше планеты – до нагрева протосолнечного диска; в противном случае ксенон не был бы захвачен в лед планетезималей. Проблема низкого содержания ксенона на Земле может быть объяснена ковалентной связью ксенона с кислородом в кварце, что уменьшает высвобождение ксенона в атмосферу.

Звездный

В отличие от благородных газов с меньшей массой, ксенон не образуется в ходе обычного звёздного нуклеосинтеза внутри звезды. Элементы, масса которых превышает массу железа-56, потребляют энергию в процессе синтеза, и синтез ксенона не приносит звезде никакой энергетической выгоды. Вместо этого ксенон формируется во время взрывов сверхновых в r-процессе, в процессе медленного захвата нейтронов (s-процессе) в красных гигантах, исчерпавших водород в ядре и перешедших на асимптотическую ветвь гигантов, а также в результате радиоактивного распада, например, при бета-распаде вымершего йода-129 и спонтанном делении тория, урана и плутония. Стабильные или чрезвычайно долгоживущие изотопы ксенона также образуются в значительных количествах при ядерном делении. Ксенон-136 образуется, когда ксенон-135 захватывает нейтрон до того, как успевает распасться. Отношение ксенона-136 к ксенону-135 (или продуктам его распада) может дать представление об истории мощности реактора, а отсутствие ксенона-136 является характерным признаком ядерного взрыва, поскольку ксенон-135 не образуется напрямую, а является продуктом последовательных бета-распадов и, следовательно, не может поглощать нейтроны во время ядерного взрыва, происходящего за доли секунды. Стабильный изотоп ксенон-132 имеет выход продукта деления более 4% при тепловом нейтронном делении, что означает, что стабильные или почти стабильные изотопы ксенона содержатся в отработавшем ядерном топливе (которое составляет около 3% продуктов деления) в большей массовой доле, чем в воздухе. Однако по состоянию на 2022 год коммерческих усилий по извлечению ксенона из отработавшего топлива в процессе ядерной переработки не предпринимается.

Изотопы

Природный ксенон состоит из семи стабильных изотопов: 126Xe, 128–132Xe и 134Xe. Теория предсказывает, что изотопы 126Xe и 134Xe подвергаются двойному бета-распаду, однако это никогда не наблюдалось, поэтому они считаются стабильными. Кроме того, изучено более 40 нестабильных изотопов. Самыми долгоживущими из них являются первичный 124Xe, который подвергается двойному захвату электронов с периодом полураспада 1,8, и 136Xe, который подвергается двойному бета-распаду с периодом полураспада 2,11 × 1021 лет. 129Xe образуется в результате бета-распада 129I, период полураспада которого составляет 16 миллионов лет. 131mXe, 133Xe, 133mXe и 135Xe являются одними из продуктов деления 235U и 239Pu и используются для обнаружения и мониторинга ядерных взрывов.

Ядерный спин

Ядра двух стабильных изотопов ксенона, 129Xe и 131Xe (оба стабильных изотопа с нечетными массовыми числами), обладают ненулевыми внутренними угловыми моментами (ядерными спинами, пригодными для ядерного магнитного резонанса). Ядерные спины можно выровнять за пределами обычных уровней поляризации посредством круговой поляризации света и пара рубидия. В результате спиновая поляризация ядер ксенона может превышать 50% от ее максимально возможного значения, значительно превосходя значение теплового равновесия, определяемое 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 129Xe имеет спин 1/2 и, следовательно, нулевой электрический квадрупольный момент, ядро 129Xe не испытывает квадрупольных взаимодействий при столкновениях с другими атомами, и гиперполяризация сохраняется в течение длительного времени даже после удаления света и пара, вызывающих этот эффект. Спиновая поляризация 129Xe 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. В отличие от этого, 131Xe имеет ядерное спиновое число 3/2 и ненулевой квадрупольный момент, а также времена релаксации t1 в диапазоне миллисекунд и секунд.

От деления

Некоторые радиоактивные изотопы ксенона (например, 133Xe и 135Xe) образуются в результате нейтронного облучения делящегося материала в ядерных реакторах и выступают в роли поглотителя нейтронов, или "яда", способного замедлить или остановить цепную реакцию после определенного времени работы. Это было обнаружено в первых ядерных реакторах, построенных в рамках американского Манхэттенского проекта для производства плутония. Однако конструкторы предусмотрели меры для повышения реактивности реактора (количества нейтронов, образующихся при делении, которые вызывают деление других атомов ядерного топлива). "Отравление" реактора изотопом 135Xe стало одним из ключевых факторов Чернобыльской катастрофы. Выключение или снижение мощности реактора может привести к накоплению 135Xe, переводя реактор в состояние, известное как "ядовитая яма". В неблагоприятных условиях относительно высокие концентрации радиоактивных изотопов ксенона могут выделяться из поврежденных топливных стержней или в результате деления урана в охлаждающей воде. Изотопные соотношения ксенона, образовавшегося в естественных ядерных реакторах в Окло (Габон), позволяют судить о характеристиках реактора во время цепной реакции, произошедшей около 2 миллиардов лет назад.

Космические процессы

Поскольку ксенон является индикатором двух родительских изотопов, соотношения изотопов ксенона в метеоритах представляют собой мощный инструмент для изучения формирования Солнечной системы. Метод датирования йодом-ксеноном позволяет определить время, прошедшее между нуклеосинтезом и конденсацией твердого тела из солнечной туманности. В 1960 году физик Джон Рейнольдс обнаружил, что некоторые метеориты содержат изотопную аномалию в виде избытка ксенона-129. Он предположил, что это продукт распада радиоактивного йода-129. Этот изотоп медленно образуется в результате космического лучевого расщепления и ядерного деления, но вырабатывается в значительных количествах только при взрывах сверхновых. Поскольку период полураспада 129I относительно короткий в космологическом масштабе времени (16 миллионов лет), это показало, что между взрывом сверхновой и моментом затвердевания метеоритов и захвата ими 129I прошло немного времени. Эти два события (взрыв сверхновой и затвердевание газового облака) предположительно произошли в ранней истории Солнечной системы, поскольку изотоп 129I, вероятно, образовался незадолго до формирования Солнечной системы, обогатив солнечное газовое облако изотопами из второго источника. Этот источник сверхновой также мог спровоцировать коллапс солнечного газового облака. Например, атмосфера Марса демонстрирует концентрацию ксенона, схожую с земной (0,08 частей на миллион), но содержание 129Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку этот изотоп образуется в результате радиоактивного распада, это может указывать на то, что Марс потерял большую часть своей первоначальной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. В другом примере избыток 129Xe, обнаруженный в газах углекислотных скважин в Нью-Мексико, предположительно является результатом распада газов, пришедших из мантии вскоре после формирования Земли.

Соединения

После открытия Нила Бартлетта в 1962 году, что ксенон способен образовывать химические соединения, было обнаружено и описано большое количество соединений ксенона. Почти все известные соединения ксенона содержат электроотрицательные атомы фтора или кислорода. Химия ксенона в каждом окислительном состоянии аналогична химии соседнего элемента йода в непосредственно более низком окислительном состоянии. Эти соединения являются отправными точками для синтеза почти всех соединений ксенона. Твердый, кристаллический дифторид образуется при воздействии ультрафиолетового света на смесь газов фтора и ксенона. Ультрафиолетовая составляющая обычного дневного света достаточна для этого. Длительный нагрев при высоких температурах в присутствии катализатора приводит к пиролизу, а пиролиз в присутствии NaF дает продукт высокой чистоты. Фториды ксенона проявляют свойства как акцепторов, так и доноров фторида, образуя соли, содержащие такие катионы, как и F3+, и анионы, такие как XeF5, XeF7 и XeF82-. Зеленый, парамагнитный ион Xe2+ образуется при восстановлении ксенона газом. Ксенон также образует координационные комплексы с ионами переходных металлов. Синтезировано и охарактеризовано более 30 таких комплексов. Сообщается, что это эндотермическое, бесцветное, кристаллическое соединение, которое разлагается на элементы при 80 °C. Однако, это соединение может быть лишь молекулой Ван-дер-Ваальса, состоящей из слабо связанных атомов Xe и молекул, а не настоящим химическим соединением. Теоретические расчеты показывают, что линейная молекула менее стабильна, чем комплекс Ван-дер-Ваальса. Ксенон тетрахлорид и ксенон дибромид настолько нестабильны, что не могут быть синтезированы химическими реакциями. Они были получены в результате радиоактивного распада и , соответственно.

Другие соединения

Ксенон может быть непосредственно связан с элементом, менее электроотрицательным, чем фтор или кислород, в частности с углеродом. Для стабилизации этих соединений необходимы электроноакцепторные группы, такие как группы с фторзамещением, где C6F5 – пентафторфенильная группа. Другие соединения, содержащие ксенон, связанный с менее электроотрицательным элементом, включают и . Последний синтезируется из диоксигенилтетрафторбората, , при температуре −100 °C. Необычным ионом, содержащим ксенон, является тетраксенонозолота(II) катион AuXe42+, содержащий связи Xe–Au. Этот ион встречается в соединении , и примечателен наличием прямых химических связей между двумя обычно нереакционноспособными атомами, ксеноном и золотом, при этом ксенон выступает в роли лиганда переходного металла. Также известен аналогичный ртутный комплекс (HgXe)(Sb3F17) (формула [HgXe2+][Sb2F11–][SbF6–]). Соединение содержит связь Xe–Xe, самую длинную известную связь между двумя атомами одного элемента (308,71 пм = 3,0871 Å). В 1995 году М. Рясянен и его коллеги, ученые из Хельсинкского университета в Финляндии, сообщили о получении дигидрида ксенона (HXeH), а затем гидроксида ксенона (HXeOH), гидроксеноацетилена (HXeCCH) и других молекул, содержащих ксенон. В 2008 году Khriachtchev и соавторы сообщили о получении HXeOXeH путем фотолиза воды в криогенной ксеноновой матрице. Также были получены дейтерированные молекулы HXeOD и DXeOH.

Клатраты и экзимеры

В дополнение к соединениям, в которых ксенон образует химическую связь, ксенон может образовывать клатраты – вещества, в которых атомы или пары ксенона захвачены кристаллической решеткой другого соединения. Одним из примеров является гидрат ксенона (Xe·5¾H2O), где атомы ксенона занимают вакансии в решетке молекул воды. Точка плавления этого клатрата составляет 24 °C. Также был получен дейтерированный вариант этого гидрата. Другим примером является гидрид ксенона (Xe(H2)8), в котором пары ксенона (димеры) захвачены внутри твердого водорода. Такие клатратные гидраты могут встречаться в природе в условиях высокого давления, например, в озере Восток под антарктическим ледяным щитом. Образование клатратов может использоваться для фракционной перегонки ксенона, аргона и криптона. Ксенон также может образовывать эндоэдральные фуллереновые соединения, в которых атом ксенона захвачен внутри молекулы фуллерена. Атом ксенона, заключенный в фуллерен, можно наблюдать с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 129Xe. Благодаря чувствительному химическому сдвигу атома ксенона, зависящему от его окружения, можно анализировать химические реакции на молекуле фуллерена. Однако эти наблюдения не лишены ограничений, поскольку атом ксенона оказывает электронное влияние на реакционную способность фуллерена. Когда атомы ксенона находятся в основном энергетическом состоянии, они отталкиваются друг от друга и не образуют связь. Однако, когда атомы ксенона получают энергию, они могут образовывать эксимер (возбужденный димер), пока электроны не вернутся в основное состояние. Это образование происходит из-за тенденции атома ксенона завершать внешнюю электронную оболочку, присоединяя электрон от соседнего атома ксенона. Типичное время жизни ксенонового эксимера составляет 1–5 наносекунд, а при распаде высвобождаются фотоны с длинами волн около 150 и 173 нм. Ксенон также может образовывать эксимеры с другими элементами, такими как галогены – бром, хлор и фтор.

Приложения

Хотя ксенон редок и относительно дорог в извлечении из атмосферы Земли, он находит применение в ряде областей.

Газоразрядные лампы

Ксенон используется в светоизлучающих устройствах, называемых ксеноновыми лампами-вспышками, применяемых в фото- и стробоскопических вспышках; для возбуждения активной среды в лазерах, генерирующих когерентный свет; и, иногда, в бактерицидных лампах. Первый твердотельный лазер, изобретенный в 1960 году, был накачан ксеноновой лампой-вспышкой, а лазеры, используемые для питания инерциального термоядерного синтеза, также накачиваются ксеноновыми лампами-вспышками. Непрерывные, короткодуговые, высоковольтные ксеноновые дуговые лампы имеют цветовую температуру, близкую к полуденному солнечному свету, и используются в солнечных симуляторах. Иными словами, хроматичность этих ламп близка к излучению абсолютно черного тела при температуре Солнца. Впервые представленные в 1940-х годах, эти лампы заменили менее долговечные углеродные дуговые лампы в кинопроекторах. Они также применяются в стандартных 35-мм, IMAX и цифровых кинопроекционных системах. Они являются отличным источником ультрафиолетового излучения коротких длин волн и обладают интенсивным излучением в ближнем инфракрасном диапазоне, используемым в некоторых системах ночного видения. Ксенон используется в качестве стартового газа в металлогалогенных лампах для автомобильных HID-фар и высококлассных "тактических" фонарей. Отдельные ячейки плазменного дисплея содержат смесь ксенона и неона, ионизированную электродами. Взаимодействие этой плазмы с электродами генерирует ультрафиолетовые фотоны, которые затем возбуждают люминофорное покрытие на лицевой стороне дисплея. Ксенон используется в качестве "запускного газа" в натриевых лампах высокого давления. Он обладает самой низкой теплопроводностью и наименьшим потенциалом ионизации среди всех нерадиоактивных благородных газов. Как благородный газ, он не вмешивается в химические реакции, протекающие в рабочей лампе. Низкая теплопроводность минимизирует тепловые потери в лампе в рабочем состоянии, а низкий потенциал ионизации обеспечивает относительно низкое пробивное напряжение газа в холодном состоянии, что облегчает запуск лампы.

Лазеры

В 1962 году группа исследователей из лаборатории Белла обнаружила генерацию лазерного излучения в ксеноне, а позже выяснила, что усиление лазерного излучения повышается при добавлении гелия в активную среду. Первый эксимерный лазер использовал димер ксенона (Xe2), возбуждаемый пучком электронов, для создания стимулированного излучения на ультрафиолетовой длине волны 176 нм. Ксенон хлорид и ксенон фторид также применялись в эксимерных (или, точнее, экциплексных) лазерах.

Анестезия

Ксенон используется в качестве общего анестетика, но он дороже обычных анестетиков. Ксенон взаимодействует со многими различными рецепторами и ионными каналами, и, как и многие теоретически мультимодальные ингаляционные анестетики, эти взаимодействия, вероятно, взаимодополняющие. Ксенон является высокоаффинным антагонистом NMDA-рецептора на глициновом участке. Однако ксенон отличается от некоторых других антагонистов NMDA-рецепторов тем, что он не нейротоксичен и ингибирует нейротоксичность кетамина и закиси азота (N2O), одновременно оказывая нейропротекторное действие. В отличие от кетамина и закиси азота, ксенон не стимулирует выброс дофамина в прилежащем ядре. Как и закись азота и циклопропан, ксенон активирует двухдоменный калиевый канал TREK-1. Связанный канал TASK-3, также участвующий в действии ингаляционных анестетиков, не чувствителен к ксенону. Ксенон ингибирует никотиновые ацетилхолиновые α4β2-рецепторы, которые способствуют спинально-опосредованной анальгезии. Ксенон является эффективным ингибитором Ca2+-АТФазы плазменной мембраны. Ксенон ингибирует Ca2+-АТФазу, связываясь с гидрофобным пором внутри фермента и предотвращая переход фермента в активные конформации. Ксенон является конкурентным ингибитором серотонинового 5-HT3-рецептора. Хотя он не обладает анестезирующим или антиноцицептивным действием, он снижает тошноту и рвоту, возникающие после анестезии. Ксенон имеет минимальную альвеолярную концентрацию (MAC) 72% в возрасте 40 лет, что делает его на 44% более мощным, чем N2O в качестве анестетика. Таким образом, его можно использовать с кислородом в концентрациях, которые несут меньший риск гипоксии. В отличие от закиси азота, ксенон не является парниковым газом и считается экологически безопасным. Хотя ксенон перерабатывается в современных системах, при выбросе в атмосферу он возвращается к своему первоначальному источнику, не оказывая негативного воздействия на окружающую среду.

Нейропротектор

Ксенон вызывает выраженную кардиопротекцию и нейропротекцию посредством множества механизмов. Оказывая влияние на Ca2+, K+, KATP/HIF и блокируя NMDA-рецепторы, ксенон проявляет нейропротекторные свойства при введении до, во время и после ишемических повреждений. Ксенон является антагонистом с высокой аффинностью к глициновому сайту NMDA-рецептора. Ксенон имитирует нейронную ишемическую прекондицию, активируя калийные каналы, чувствительные к АТФ. Ксенон аллостерически снижает ингибирование активации каналов, опосредованное АТФ, независимо от сульфонилмочевинного рецептора 1, увеличивая время и частоту открытия KATP-каналов.

Спортивный допинг

Вдыхание смеси ксенон/кислород активирует выработку транскрипционного фактора HIF 1 альфа, что может привести к увеличению продукции эритропоэтина. Этот гормон, как известно, повышает производство красных кровяных телец и спортивные результаты. Сообщается, что допинг с использованием ингаляций ксенона применяется в России с 2004 года и, возможно, ранее. 31 августа 2014 года Всемирное антидопинговое агентство (WADA) внесло ксенон (и аргон) в список запрещенных веществ и методов, хотя надежных допинг-тестов для обнаружения этих газов пока не разработано. Кроме того, влияние ксенона на продукцию эритропоэтина у человека до сих пор не продемонстрировано.

Образование изображений

Гамма-излучение от радиоизотопа 133Xe ксенона может использоваться для визуализации сердца, легких и мозга, например, с помощью компьютерной томографии с использованием одного фотона. 133Xe также применялся для измерения кровотока. Ксенон, особенно гиперполяризованный 129Xe, является эффективным контрастным веществом для магнитно-резонансной томографии (МРТ). В газообразном состоянии он позволяет визуализировать полости в пористых материалах, альвеолы в легких или поток газов в легких. Благодаря растворимости ксенона как в воде, так и в гидрофобных растворителях, он может использоваться для визуализации различных мягких живых тканей. В настоящее время ксенон 129 используется в качестве визуализирующего агента при МРТ-сканировании. При вдыхании пациентом гиперполяризованного ксенона 129 возможно получение изображений и количественная оценка вентиляции и газообмена в легких. В отличие от ксенона 133, ксенон 129 не является ионизирующим и безопасен для вдыхания, не вызывая побочных эффектов.

Хирургические операции

Ксенонхлоридный эксимерный лазер имеет некоторые применения в дерматологии.

Спектроскопия МРТ

Из-за большой и гибкой внешней электронной оболочки атома ксенона спектр ЯМР изменяется в ответ на окружающую среду и может использоваться для мониторинга окружающих химических условий. Например, ксенон, растворенный в воде, ксенон, растворенный в гидрофобном растворителе, и ксенон, ассоциированный с определенными белками, можно различить с помощью ЯМР. Гиперполяризованный ксенон может быть использован специалистами в области поверхностной химии. Обычно характеристика поверхностей с помощью ЯМР затруднена, поскольку сигналы от поверхности маскируются сигналами от атомных ядер в объеме образца, которых значительно больше, чем поверхностных ядер. Однако ядерные спины на твердых поверхностях могут быть селективно поляризованы путем передачи спиновой поляризации от гиперполяризованного ксенонового газа. Это позволяет усилить сигналы с поверхности до уровня, достаточного для их измерения и отличия от сигналов объема.

Другое

В исследованиях ядерной энергии ксенон используется в пузырьковых камерах, зондах и других областях, где требуются высокая молекулярная масса и химическая инертность. Побочным продуктом ядерных испытаний является выделение радиоактивных изотопов ксенона-133 и ксенона-135. Эти изотопы контролируются для обеспечения соблюдения договоров о запрете ядерных испытаний и подтверждения проведения ядерных испытаний такими странами, как Северная Корея. Жидкий ксенон применяется в калориметрах для измерения гамма-излучения, а также в качестве детектора гипотетических слабо взаимодействующих массивных частиц, или WIMP. Теория предсказывает, что при столкновении WIMP с ядром ксенона, частица передаст достаточно энергии для ионизации и сцинтилляции. Жидкий ксенон полезен в этих экспериментах благодаря своей плотности, которая повышает вероятность взаимодействия с темной материей, и возможности создания тихого детектора за счет самоэкранирования. Ксенон является предпочтительным рабочим телом для ионных двигателей космических аппаратов, поскольку обладает низким потенциалом ионизации на атомную массу и может храниться в жидком состоянии при температуре, близкой к комнатной (под высоким давлением), при этом легко испаряясь для подачи в двигатель. Ксенон инертен, экологически безопасен и менее коррозивен для ионных двигателей, чем другие виды топлива, такие как ртуть или цезий. Ксенон впервые был использован в ионных двигателях спутников в 1970-х годах. Впоследствии он применялся в качестве топлива для зонда Deep Space 1, разработанного JPL, европейского космического аппарата SMART 1 и для трех ионных двигателей на космическом аппарате Dawn, разработанном NASA. В химии соединения перксенатов используются в качестве окислителей в аналитической химии. Дифторид ксенона применяется в качестве травителя для кремния, особенно при производстве микроэлектромеханических систем (МЭМС). Противораковый препарат 5-фторурацил может быть получен путем взаимодействия дифторида ксенона с урацилом. Ксенон также используется в протеиновой кристаллографии. При воздействии давлением от 0,5 до 5 МПа (5–50 атм) на белковый кристалл, атомы ксенона внедряются преимущественно в гидрофобные полости, часто формируя высококачественное изоморфное производное тяжелых атомов, которое может быть использовано для решения фазовой проблемы.

Меры предосторожности

Ксенон может безопасно храниться в обычных стеклянных или металлических емкостях при стандартной температуре и давлении. Однако он легко растворяется в большинстве пластмасс и резины и постепенно выходит из контейнера, герметично закрытого такими материалами. Ксенон не токсичен, хотя он растворяется в крови и относится к числу веществ, проникающих через гематоэнцефалический барьер, вызывая легкую или полную хирургическую анестезию при вдыхании в высоких концентрациях с кислородом, поскольку средняя скорость тяжелых атомов ксенона меньше, чем у молекул азота и кислорода в воздухе. Поэтому ксенон медленнее вибрирует в голосовых связках при выдохе и производит пониженные голосовые тона (низкочастотные усиленные звуки, но фундаментальная частота или высота тона не меняется) – эффект, противоположный высокому голосу, получаемому при использовании гелия. В частности, когда голосовой тракт заполнен ксеноновым газом, его естественная резонансная частота становится ниже, чем при заполнении воздухом. Таким образом, низкие частоты звуковой волны, возникающей при той же прямой вибрации голосовых связок, усиливаются, что приводит к изменению тембра звука, усиленного голосовым трактом. Как и гелий, ксенон не удовлетворяет потребность организма в кислороде и является одновременно простым удушающим средством и анестетиком, более мощным, чем закись азота; следовательно, и ввиду высокой стоимости ксенона, многие университеты запретили этот трюк с голосом в качестве демонстрации общей химии. Гексафторид серы по молекулярной массе схож с ксеноном (146 против 131), менее дорог, и хотя является удушающим газом, не токсичен и не обладает анестезирующим действием; его часто используют в этих демонстрациях в качестве замены. Плотные газы, такие как ксенон и гексафторид серы, можно безопасно вдыхать при смешивании с кислородом, содержащим не менее 20%. Ксенон в концентрации 80% в смеси с 20% кислородом быстро вызывает общую анестезию. Дыхание эффективно и быстро смешивает газы разной плотности, благодаря чему более тяжелые газы выводятся вместе с кислородом и не накапливаются в нижних отделах легких. Однако любое большое количество тяжелого газа может быть опасным: он может незаметно скапливаться в контейнере, и человек, вошедший в помещение, заполненное без запаха и цвета газом, может задохнуться без предупреждения. Ксенон редко используется в количествах, достаточных для возникновения такой опасности, хотя потенциальная угроза существует всякий раз, когда баллон или контейнер с ксеноном хранится в непроветриваемом помещении. Соединения ксенона, растворимые в воде, такие как ксенат мононатрия, умеренно токсичны, но имеют очень короткий период полувыведения из организма – при внутривенном введении ксенат превращается в элементарный ксенон примерно за одну минуту.