氙(拼音:xiān,注音:ㄒㄧㄢ,粤拼:sin1;英语:Xenon;旧译氠[9]、氥[10]、𣱧[11])是一种化学元素,其化学符号为Xe,原子序数为54,原子量为131.293 u。氙是一种无色、无味的稀有气体。地球大气层中含有痕量的氙。 [12]虽然氙的化学活性很低,但是它仍然能够进行化学反应,例如形成六氟合铂酸氙──首个被合成的稀有气体化合物。[13][14][15]
外观 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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无色气体,在高压放电管中呈现紫蓝色 氙的光谱线 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
概况 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
名称·符号·序数 | 氙(Xenon)·Xe·54 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
元素类别 | 稀有气体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
族·周期·区 | 18 ·5·p | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
标准原子质量 | 131.293(6) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
电子排布 | [氪] 4d10 5s2 5p6 2, 8, 18, 18, 8 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
历史 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
发现 | 威廉·拉姆齐和莫里斯·特拉弗斯(1898年) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
分离 | 威廉·拉姆齐和莫里斯·特拉弗斯(1898年) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
物理性质 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
物态 | 气态 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
密度 | (0 °C, 101.325 kPa) 5.894 g/L | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
沸点时液体密度 | 3.057[1] g·cm−3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熔点 | (101.325 kPa)161.4 K,-111.7 °C,-169.1 °F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
沸点 | (101.325 kPa)165.03 K,-108.12 °C,-162.62 °F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
三相点 | 161.405 K(−112 °C),81.6[2] kPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
临界点 | 289.77 K,5.841 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熔化热 | (101.325 kPa)2.27 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
汽化热 | (101.325 kPa)12.64 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
比热容 | 5R/2 = 20.786 J·mol−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸气压
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原子性质 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
氧化态 | 0, +1, +2, +4, +6, +8 (很少大于0) (氧化物具弱酸性) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
电负性 | 2.6(鲍林标度) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
电离能 | 第一:1170.4 kJ·mol−1 第二:2046.4 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
共价半径 | 140±9 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
范德华半径 | 216 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
杂项 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
晶体结构 | 面心立方 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
磁序 | 抗磁性[3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
热导率 | 5.65×10-3 W·m−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
声速 | (液态)1090 m/s;(气态)169 m·s−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS号 | 7440-63-3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
最稳定同位素 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
主条目:氙的同位素
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英国化学家威廉·拉姆齐和莫里斯·特拉弗斯(Morris Travers)在发现了氪和氖后,于1898年7月12日在蒸发液态空气后的残留物中发现了氙。[25][26]拉姆齐建议把这一新元素命名为“xenon”,源自希腊语“ξένον”(xenon),即“ξένος”(xenos)的中性单数形,意为外来者、陌生人或异客。[27][28]1902年,拉姆齐估算氙在地球大气中的含量为2千万分之一。[29]
1930年代,美国工程师哈罗德·尤金·艾杰顿(Harold Eugene Edgerton)开始为高速摄影研究频闪灯,并发明了氙闪光灯。在氙闪光灯中,电流短暂通过含有氙气的玻璃管,使其发光。到了1934年,艾杰顿已经能够产生1微秒长的闪光。[18][30][31]
1939年,美国医生阿尔伯特·本克(Albert R. Behnke Jr.)着手研究深海潜水员有“酒醉感”的原因。他在测试对象所呼吸的气体中调整各种气体的比例,并发现潜水员对深度的感觉有所变化。他以此推论,氙气能够用于麻醉。俄罗斯毒理学家尼克拉·拉萨列夫(Nikolay V. Lazarev)曾在1941年研究过氙麻醉药,但直到1946年美国医学家约翰·劳伦斯(John H. Lawrence)才发表了他对老鼠进行的一项实验研究,首次证实了氙作为麻醉药的效用。1951年,美国麻醉师斯图尔特·科林(Stuart C. Cullen)第一次使用氙麻醉药,并成功为两名病人进行了手术。[32]
氙以及其他稀有气体曾一直被认为是完全惰性的,无法形成化合物。不过,化学家尼尔·巴特莱特(Neil Bartlett)在不列颠哥伦比亚大学任教时,发现六氟化铂(PtF6)气体是一种强氧化剂,能够氧化氧气(O2),形成六氟合铂酸氧(O2+[PtF6]–)。[33]因为O2和氙的第一电离能几乎相同,所以巴特莱特猜想,氙也有可能可以被六氟化铂氧化。1962年3月23日,他将这两种气体混合,产生了第一种稀有气体化合物六氟合铂酸氙。[34][15]他当时认为该气体产物为Xe+[PtF6]–,但之后的分析表明该气体很可能是多种氙盐的混合物。[35][36][37]此后,许多其他的氙化合物也陆续被发现,[38]而同时被发现的还包括氩、氪和氡等稀有气体的化合物,如氟氩化氢(HArF)、[39]二氟化氪(KrF2)[40][41]及二氟化氡。[42]到了1971年,已知的氙化合物已经超过了80种。[43][44]
氙的原子序为54,即每一个氙原子核中共有54颗质子。在标准温度和压力下,纯氙气的密度为5.761 kg/m3,也就是地球地面大气密度(1.217 kg/m3)的4.5倍左右。[45]当处于液态时,氙的密度可高达3.100 g/mL,最高密度在三相点处达到。[46]固态氙的密度为3.640 g/cm3,比花岗岩的2.75 g/cm3更高。[46]当压力超过10亿帕斯卡时,氙会呈金属态。[47]
氙是空气氮氧分离过程的副产品。这一过程一般在双柱式分馏塔中进行,所产生的液氧中会含有少量的氪和氙。再进行更多的分馏步骤之后,液氧中的氪和氙含量可以提高至0.1至0.2%。这些氪和氙可以通过硅胶吸附或蒸馏提取出来,混合物再经蒸馏分离成氪和氙。[56][57]从大气层中提取一升氙气需要220瓦小时的能量。[58]1998年,全球氙产量为5千至7千 m3。[59]由于含量稀少,氙的价格比其他更轻的稀有气体高许多:1999年欧洲的氙气价格为每升10欧元,氪气每升1欧元,氖气每升0.20欧元,[59]
自然形成的氙共由7种稳定同位素组成,在各元素中排第二位。第一位是锡,其稳定同位素共有10个。稳定同位素数量高于7个的元素只有锡。[69]同位素134Xe根据预测能够进行双重β衰变,但这未经实验证明,因此该同位素仍被认为是稳定的。[70]除这些稳定同位素之外,氙还有40多种不稳定同位素。其中寿命最长的为124Xe,它会进行双电子俘获衰变,半衰期为1.8×1022年。[6] 129I在β衰变后,会产生129Xe同位素。该反应的半衰期为1600万年。另外131mXe、133Xe、133mXe和135Xe都是235U和239Pu的核裂变产物,[68]因此被用作探测核爆炸的发生。[71]
氙的其中两种稳定同位素129Xe和131Xe具有非零的固有角动量(自旋,可用于核磁共振)。利用圆极化光和铷气体,氙的核自旋对齐可以超越普通的极化。[72]如此产生的自旋极化能够超过其最高可能值的50%,远远大于玻尔兹曼分布的平衡值(在室温下通常不超过最高值的0.001%)。这种非平衡态的自旋对齐是短暂的,称为超极化现象。对氙进行超极化的过程叫做光抽运(但不同于激光抽运)。[73]
由于129Xe原子核的自旋为1/2,所以其电四极矩为零,故129Xe核在与其他原子撞击时,不会有任何四极相互作用。这使得它的超极化状态能够持续更长的时间,甚至在激光束关闭及碱气体在室温表面冷凝后,仍能保留该状态。129Xe的自旋极化在血液中能持续数秒,[74]在气态下持续数小时,[75]并在深度冷冻的固态下持续数天。[76]相比之下,131Xe的核自旋为3/2,四极矩不为零,其T1弛豫时间位于毫秒至秒区间内。[77]
氙的某些同位素,如133Xe和135Xe,可在核反应堆中对可以裂变物质进行中子照射产生。[13]135Xe在核裂变反应堆中具有重要的作用。135Xe的热中子截面很高(2.6×106靶恩),[17]因此可用作中子吸收剂或中子毒物,从而减慢或停止链反应。美国曼哈顿计划中用来产生钚元素的最早期反应堆就用到了氙的这一作用。[78]135Xe在反应堆中作为中子毒物,对切尔诺贝尔核事故有着重要的影响。[79]反应堆的关闭或功率的降低可以造成135Xe的积聚,使反应堆进入所谓的氙中毒状态(又称氙坑、碘坑)。[80][81]
二氟化氙(XeF2)是一种固体晶体,在氟与氙混合物经紫外光照射后形成,[93](使用一般日光含的紫外光就已足够。)[94]XeF2在高温下用NiF2催化剂长时间加温会产生XeF6。[95]XeF6在NaF中经热裂解后可以形成高纯度XeF4。[96]
虽然人们对氙的氟化物已有一定的了解,但是对其他的卤化物则几乎一无所知。唯一已知的卤化物为二氯化氙(XeCl2)。二氯化氙是一种吸热的无色晶体,在80°C以上会分解成其组成元素。对氙、氟及四氯化硅或四氯化碳的混合物进行高频率光照射会形成二氯化氙。[97]但是人们未知XeCl2是确实的化合物,还是由氙原子和Cl2分子弱结合形成的范德华分子。[98]理论计算指出,直线型XeCl2分子比范德华分子较不稳定。[99]
氙共有三种已知氧化物:二氧化氙(XeO2)、三氧化氙(XeO3)及四氧化氙(XeO4)。二氧化氙在2011年被发现,配位数为4,[100]XeO2是在四氟化氙与水冰反应后形成的。其晶体结构特殊,有可能能够取代硅酸盐矿物中的硅。[101]科学家利用红外光谱分析在固体氩当中发现了XeOO+正离子。[102]固态三氧化氙和四氧化氙都是爆炸性很强的物质。[103][104]
氙有多个已知的氟氧化物,包括二氟一氧化氙(XeOF2)、四氟一氧化氙(XeOF4)、二氟二氧化氙(XeO2F2)及二氟三氧化氙(XeO3F2)。二氟化氧(OF2)与氙气在低温下反应会形成XeOF2;XeF4的部分水解也可产生XeOF2。它在−20℃以上会歧化成XeF2和XeO2F2。[107]XeF6的部分水解会产生XeOF4[108];XeF6与高氙酸钠(Na4XeO6)反应后也可形成XeOF4。第二种反应会同时产生少量的XeO3F2。XeOF4与CsF反应后会形成XeOF−5负离子,[107][109]而XeOF3会和KF、RbF和CsF反应形成XeOF−4负离子。[110]
氙的氟化物都与水发生反应,XeF2在水中的溶解度为0.15 mol/L(273K),能将水氧化。
XeF4与水的反应中,一半用于氧化水,另外一半发生了歧化反应。总反应为:
XeF6有强氧化性,但由于生成的XeO3在水中溶解且稳定,XeF6在水中只发生水解反应。
科学家近期开始研究氙能否与电负性比氟和氧低的元素形成化合物,其中特别包括碳。[111]要使这些化合物稳定,必须使用吸电子基团,如经氟取代形成的基团。[106]已知的含碳化合物包括:[107][112]
四氙合金(II)离子(AuXe2+4)非常特殊,它含有氙﹣金键。[114]氙和金都是极不活跃的元素,成键时以氙作为过渡金属配位体。之一离子出现在AuXe4(Sb2F11)2当中。
1995年,芬兰赫尔辛基大学的马尔库·拉萨宁(Markku Räsänen)等人宣布成功合成HXeH,并其后宣布合成HXeOH、HXeCCH以及其他氙化合物分子。[116]2008年,利奥尼德·赫里亚切夫(Leonid Khriachtchev)等人宣布,他们在低温氙基体内对水进行光解后合成了HXeOXeH。[117]他们也合成了含氘的分子,如HXeOD和DXeOH。[118]
除了可以在化合物中形成化学键之外,氙原子还能嵌在另一种化合物的晶体结构当中,形成包合物。这包括水合氙(Xe·5.75 H2O),其中氙原子位于水分子形成的晶体结构空隙中。[119]这种包合物的熔点为24℃。[120]科学家也改用氘合成了该包合物。[121]这类水合包合物可以在高压条件下自然形成,例如南极洲冰盖下的沃斯托克湖。[122]包合物的形成可以用在分馏过程中,以分离氙、氩和氪。[123]
氙可用于发光,应用包括:用于摄影的氙闪光灯,[18]激发激光媒介以产生相干光,以及[128]杀菌灯等。[129]1960年发明的首个固态激光器[22]及推动惯性约束聚变的激光器都用到了氙闪光灯作激光抽运。[130]
氙弧灯能够连续发光,其色温近似于正午的日光,因此被用于模拟阳光。1940年氙弧灯进入市场后,开始淘汰寿命较短的碳弧灯作为电影放映机的光源。[19]这种光源被用在一般35毫米胶片、IMAX和新型数码投影机的电影投影、高强度气体放电灯车头灯、高端军用电筒以及其他专业用途。这种弧灯能发出短波长紫外线,以及可被用于夜视镜的近红外线。
氙也被用于启动高压钠灯。氙的热导率和电离能是所有非放射性稀有气体中最低的。其化学惰性能避免对化学反应的干预;低热导率可降低灯在运作时的热能损失;低电离能则使氙在非高温状态下的击穿电压相对较低,令灯更容易启动。[133]
1962年,贝尔实验室研究人员发现了氙的激光作用,[134]又接着发现在激光介质中加入氦能够提升激光增益。[135][136]首个准分子激光使用电子来激发氙的二聚体(Xe2),以产生波长为176纳米的紫外光,该过程称为受激发射。[21]氯化氙和氟化氙准分子也可用于激光器中。[137]例如,皮肤病学就用到氯化氙准分子激光。[138]
氙会和多种不同受体和离子通道相互作用。根据理论,这种多模态吸入性麻醉剂很可能具互补性。氙是一种具高亲和力的甘氨酸结合部位NMDA受体拮抗剂。[140]不过,与其他的NMDA受体拮抗剂不同的是,氙不具神经毒性,且能够抑制氯胺酮和一氧化二氮的神经毒性。[141][142]氙不会像氯胺酮和一氧化二氮一样刺激伏隔核释放多巴胺。[143]
氙是一种很好的磁共振成像(MRI)造影剂。氙气可以用来对多孔组织的空间和肺泡进行成像。超极化的129Xe同位素在磁共振成像仪中更易检测,所以被用于研究包括肺在内的各种器官,例如肺内气体的流动。[150][151]氙可溶于水,又可溶于疏水性溶剂,这有助于对软组织进行成像。[152][153][154]
氙也应用在表面科学中。核磁共振一般很难检测样本的表面,因为表面底下的大量原子核会完全盖过有用的信号。超极化的氙气能够将自身的自旋只传递到固体表面,使表面所发出的信号可以与样本内部的信号区分开来。[157][158]
原子核物理学的气泡室可以使用氙。[159]氙也可用于任何需要高分子(原子)质量、低反应性物质的用途。核武器试验所产生的副产品中有具放射性的氙-133和氙-135。通过测量这些同位素,人们可以判断是否有国家进行核试验,[160]其中包括朝鲜。[161]
科学家利用液态氙热量计[162]来测量伽马射线,并用液态氙寻找大质量弱相互作用粒子(WIMP)。理论预测,当WIMP撞击氙原子核,会移除一颗电子,产生闪烁。如果使用氙,这一闪烁可以轻易地从其他由宇宙射线所造成的能量爆发分辨开来。[23]不过,意大利大萨索国家实验室(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)的“XENON”实验以及英国伯比地底实验室(Boulby Underground Laboratory)的ZEPLIN-II和ZEPLIN-III实验都还没有找到证实WIMP存在的证据。虽然没有发现WIMP,但这些实验有助于缩小暗物质的可能属性范围,以及改进相关的物理模型。[163][164]
许多含氧的氙化合物都是具有毒性的强氧化剂。同时因为很容易分解成氙元素和氧分子(O2),这些化合物还具有爆炸性。[171]
氙气在标准温度和压力下可以安全地存放在一般的玻璃或金属容器中。由于氙可溶于大部分塑料和橡胶,因此会从这些材料的容器中慢慢逃逸出去。[172]氙本身并不具毒性,但它可溶于血,并且可以穿透血脑屏障。氙与氧气混合后吸入,可以达到手术麻醉剂的效果。[171]
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的值 (帮助). doi:10.1148/radiol.2522081550.