Xenon - Xenon

Xenon,  ₅₄ Xe

Ett xenonfylldt urladdningsrör som lyser ljusblått
Xenon
Uttal
Utseende	färglös gas, uppvisar en blå glöd när den placeras i ett elektriskt fält
Standard atomvikt A r, std (Xe)	131.293 (6)
Xenon i det periodiska systemet
Väte Helium Litium Beryllium Bor Kol Kväve Syre Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Kisel Fosfor Svavel Klor Argon Kalium Kalcium Skandium Titan Vanadin Krom Mangan Järn Kobolt Nickel Koppar Zink Gallium Germanium Arsenik Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technetium Rutenium Rodium Palladium Silver Kadmium Indium Tenn Antimon Tellur Jod Xenon Cesium Barium Lantan Cerium Praseodym Neodym Prometium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Volfram Renium Osmium Iridium Platina Guld Kvicksilver (element) Talium Leda Vismut Polonium Astat Radon Francium Radium Aktinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobel Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Kr ↑ Xe ↓ Rn jod ← xenon → cesium
Atomnummer ( Z )	54
Grupp	grupp 18 (ädelgaser)
Period	period 5
Blockera	p-block
Elektronkonfiguration	[ Kr ] 4d 10 5s 2 5p 6
Elektroner per skal	2, 8, 18, 18, 8
Fysikaliska egenskaper
Fas vid  STP	gas
Smältpunkt	161,40  K (−111,75 ° C, −169,15 ° F)
Kokpunkt	165,051 K (−108,099 ° C, −162,578 ° F)
Densitet (vid STP)	5,894 g/L
när den är flytande (vid  bp )	2,942 g / cm 3
Trippelpunkt	161,405 K, 81,77 kPa
Kritisk punkt	289,733 K, 5,842 MPa
Smältvärme	2,27  kJ/mol
Förångningsvärme	12,64 kJ/mol
Molär värmekapacitet	21,01 J/(mol · K)
Ångtryck P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k vid  T  (K) 83 92 103 117 137 165
Atomegenskaper
Oxidationstillstånd	0 , +2, +4, +6, +8 (sällan mer än 0; en svagtsur oxid)
Elektronnegativitet	Pauling -skala: 2,6
Joniseringsenergier
Kovalent radie	140 ±  21.00
Van der Waals radie	216 pm
Spektrallinjer av xenon
Övriga fastigheter
Naturlig förekomst	ursprunglig
Kristallstruktur	​ansiktscentrerad kubik (fcc)
Ljudets hastighet	gas: 178 m · s −1 vätska: 1090 m/s
Värmeledningsförmåga	5,65 × 10 −3  W/(m⋅K)
Magnetisk beställning	diamagnetisk
Molär magnetisk känslighet	−43,9 × 10 −6  cm 3 /mol (298 K)
CAS-nummer	7440-63-3
Historia
Upptäckt och första isolering	William Ramsay och Morris Travers (1898)
Huvud isotoper av xenon
Isotop Överflöd Halveringstid ( t 1/2 ) Förfallet läge Produkt 124 Xe 0,095% 1,8 x 10 22  y εε 124 Te 125 Xe syn 16,9 timmar ε 125 I 126 Xe 0,089% stabil (inget förfall ses) β - β - 127 Xe syn 36.345 d ε 127 I 128 Xe 1,910% stabil 129 Xe 26.401% stabil 130 Xe 4,071% stabil 131 Xe 21,232% stabil 132 Xe 26,909% stabil 133 Xe syn 5.247 d β - 133 Cs 134 Xe 10.436% stabil (inget förfall ses) β - β - 135 Xe syn 9.14 timmar β - 135 Cs 136 Xe 8,857% 2,165 x 10 21  y β - β - 136 Ba
Kategori: Xenon se prata redigera | referenser

Xenon är ett kemiskt element med symbolen  Xe och atomnummer  54. Det är en färglös, tät, luktfri ädelgas som finns i jordens atmosfär i spårmängder. Även om det generellt inte är reaktivt, kan xenon genomgå några få kemiska reaktioner, såsom bildandet av xenonhexafluoroplatinat , den första ädelgasföreningen som syntetiseras.

Xenon används i blixtlampor och ljusbågslampor och som generell bedövning . Den första excimerlaserdesignen använde en xenon -dimermolekyl (Xe ₂ ) som lasermedium , och de tidigaste laserdesignerna använde xenon -blixtlampor som pumpar . Xenon används för att söka efter hypotetiska svagt interagerande massiva partiklar och som drivmedel för jontrusorer i rymdfarkoster.

Naturligt förekommande xenon består av sju stabila isotoper och två långlivade radioaktiva isotoper. Mer än 40 instabila xenonisotoper genomgår radioaktivt sönderfall , och isotopförhållandena för xenon är ett viktigt verktyg för att studera solsystemets tidiga historia . Radioaktivt xenon-135 produceras genom betaförfall från jod-135 (en produkt av kärnklyvning ) och är den mest betydande (och oönskade) neutronabsorbenten i kärnreaktorer .

Historia

Xenon upptäcktes i England av den skotska kemisten William Ramsay och den engelska kemisten Morris Travers i september 1898, kort efter deras upptäckt av elementen krypton och neon . De hittade xenon i återstoden från förångande komponenter i flytande luft . Ramsay föreslog namnet xenon för denna gas från det grekiska ordet ξένον xénon , neuter singular form av ξένος xénos , som betyder 'främmande (er)', 'konstig (r)' eller 'gäst'. 1902 uppskattade Ramsay andelen xenon i jordens atmosfär till en del av 20 miljoner.

Under 1930 -talet började den amerikanska ingenjören Harold Edgerton utforska strobe -ljusteknik för höghastighetsfotografering . Detta ledde honom till uppfinningen av xenon -blixtlampan där ljus genereras genom att passera kort elektrisk ström genom ett rör fyllt med xenongas. År 1934 kunde Edgerton generera blixtar så korta som en mikrosekund med denna metod.

År 1939 började den amerikanska läkaren Albert R. Behnke Jr. utforska orsakerna till "fylleri" hos djuphavsdykare. Han testade effekterna av att variera andningsblandningarna på sina ämnen och upptäckte att detta fick dykarna att uppfatta en djupförändring. Av hans resultat drog han slutsatsen att xenongas kan fungera som bedövningsmedel . Även om den ryska toxikologen Nikolay V. Lazarev tydligen studerade xenonanestesi 1941, var den första publicerade rapporten som bekräftade xenonbedövning 1946 av den amerikanska medicinska forskaren John H. Lawrence, som experimenterade med möss. Xenon användes först som kirurgisk bedövning 1951 av den amerikanska anestesiologen Stuart C. Cullen, som framgångsrikt använde det med två patienter.

Xenon och de andra ädelgaserna ansågs under lång tid vara helt kemiskt inerta och inte kunna bilda föreningar . Men medan undervisning vid University of British Columbia , Neil Bartlett upptäckte att gasen platina hexafluorid (PtF ₆ ) var en kraftfull oxiderande medel som skulle kunna oxidera syrgas (O ₂ ) till formen dioxygenyl hexafluoroplatinate ( O⁺
₂[PtF
₆]^-
). Sedan O ₂ (1165 kJ / mol) och xenon (1170 kJ / mol) har nästan samma första jonisationspotential , insåg Bartlett att platina hexafluorid kanske också kunna oxidera xenon. Den 23 mars 1962 blandade han de två gaserna och producerade den första kända föreningen av en ädelgas, xenonhexafluoroplatinat .

Bartlett trodde dess sammansättning vara Xe ⁺ [PtF ₆ ] ^- , men senare arbete visade att det var förmodligen en blandning av olika xenoninnehållande salter. Sedan dess har många andra xenonföreningar upptäckts, förutom några föreningar av ädelgaserna argon , krypton och radon , inklusive argonfluorhydrid (HArF), kryptondifluorid (KrF ₂ ) och radonfluorid . År 1971 var mer än 80 xenonföreningar kända.

I november 1989 demonstrerade IBM -forskare en teknik som kan manipulera enskilda atomer . Programmet, som kallas IBM i atomer , använde ett skanningstunnelmikroskop för att ordna 35 individuella xenonatomer på ett substrat av kyld kristall av nickel för att beskriva företagets initialism med tre bokstäver. Det var första gången atomer hade placerats exakt på en plan yta.

Egenskaper

Xenon har atomnummer 54; det vill säga dess kärna innehåller 54 protoner . Vid standardtemperatur och tryck har ren xenongas en densitet av 5,894 kg/m ³ , cirka 4,5 gånger densiteten hos jordens atmosfär vid havsnivå, 1,217 kg/m ³ . Som vätska har xenon en densitet på upp till 3.100 g/ml, med maximal densitet som uppstår vid trippelpunkten. Flytande xenon har en hög polariserbarhet på grund av sin stora atomvolym och är därför ett utmärkt lösningsmedel. Det kan lösa upp kolväten, biologiska molekyler och till och med vatten. Under samma betingelser, tätheten av fast xenon, 3,640 g / cm ³ är större än den genomsnittliga densiteten av granit , 2,75 g / cm ³ . Under gigapascal av tryck bildar xenon en metallisk fas.

Fast xenon ändras från ansiktscentrerad kubik (fcc) till sexkantig nära packad (hcp) kristallfas under tryck och börjar bli metallisk vid cirka 140 GPa, utan märkbar volymförändring i hcp-fasen. Det är helt metalliskt vid 155 GPa. När den är metalliserad verkar xenon himmelsblå eftersom den absorberar rött ljus och sänder andra synliga frekvenser. Sådant beteende är ovanligt för en metall och förklaras av elektronbandens relativt små bredd i det tillståndet.

Flytande eller fasta xenon -nanopartiklar kan bildas vid rumstemperatur genom att implantera Xe ⁺ joner i en fast matris. Många fasta ämnen har gitterkonstanter mindre än fast Xe. Detta resulterar i komprimering av det implanterade Xe till tryck som kan vara tillräckliga för dess kondensering eller stelning.

Xenon är en medlem av de nollvalens element som kallas ädel eller inerta gaser . Det är inert för de vanligaste kemiska reaktionerna (till exempel förbränning) eftersom det yttre valensskalet innehåller åtta elektroner. Detta ger en stabil, minimal energikonfiguration där de yttre elektronerna är tätt bundna.

I ett gasfylldt rör avger xenon en blå eller lavendelaktig glöd när den upphetsas av elektrisk urladdning . Xenon avger ett band av utsläppslinjer som spänner över det visuella spektrumet, men de mest intensiva linjerna inträffar i området med blått ljus och producerar färgen.

Förekomst och produktion

Xenon är en spårgas i jordens atmosfär , som förekommer vid87 ± 1 nL/L ( delar per miljard ), eller cirka 1 del per 11,5 miljoner. Det finns också som en komponent i gaser som avges från vissa mineralfjädrar .

Xenon erhålls kommersiellt som en biprodukt av separation av luft till syre och kväve . Efter denna separation, vanligen utförd genom fraktionerad destillation i en dubbelkolonnanläggning, kommer det flytande syret som produceras att innehålla små mängder krypton och xenon. Genom ytterligare fraktionerad destillation kan det flytande syret anrikas för att innehålla 0,1-0,2% av en krypton/xenonblandning, som extraheras antingen genom absorption på kiselgel eller genom destillation. Slutligen kan krypton/xenon -blandningen separeras i krypton och xenon genom ytterligare destillation.

Den globala produktionen av xenon 1998 uppskattades till 5 000–7 000 m ³ . På grund av sin knapphet är xenon mycket dyrare än de lättare ädelgaserna - ungefärliga priser för köp av små kvantiteter i Europa 1999 var 10  € /L för xenon, 1 €/L för krypton och 0,20 €/L för neon , medan den mycket rikligare argonen kostar mindre än en cent per liter. Motsvarande kostnader per kilogram xenon beräknas genom att multiplicera kostnaden per liter med 174.

Inom solsystemet är nukleonfraktionen av xenon 1,56 × 10 ⁻⁸ , för ett överflöd av ungefär en del i 630 tusen av den totala massan. Xenon är relativt sällsynt i solens atmosfär, på jorden och i asteroider och kometer . Överflödet av xenon i atmosfären på planeten Jupiter är ovanligt högt, ungefär 2,6 gånger solens. Detta överflöd förblir oförklarligt, men kan ha orsakats av en tidig och snabb uppbyggnad av planetesimaler - små, subplanetära kroppar - före uppvärmningen av den presolära skivan . (Annars skulle xenon inte ha fastnat i de planetesimala isarna.) Problemet med den låga markbundna xenon kan förklaras av kovalent bindning av xenon till syre i kvarts , vilket minskar avgasningen av xenon i atmosfären.

Till skillnad från ädelgaserna med lägre massa bildar den normala stjärnnukleosyntesprocessen inuti en stjärna inte xenon. Element som är mer massiva än järn-56 förbrukar energi genom fusion, och syntesen av xenon representerar ingen energivinst för en stjärna. Istället bildas xenon under supernovaexplosioner , i klassiska novaxplosioner , genom den långsamma neutronfångningsprocessen ( s-processen ) i röda jättestjärnor som har tömt sitt kärnväte och kommit in i den asymptotiska jättegrenen , och från radioaktivt sönderfall, till exempel genom betaförfall av utdöd jod-129 och spontan fission av torium , uran och plutonium .

Isotoper

Naturligt förekommande xenon består av sju stabila isotoper : ¹²⁶ Xe, ^128–132 Xe och ¹³⁴ Xe. Isotoperna ¹²⁶ Xe och ¹³⁴ Xe förutspås av teorin att genomgå dubbla betaförfall , men detta har aldrig observerats så de anses vara stabila. Dessutom har mer än 40 instabila isotoper som har studerats. De längsta levande av dessa isotoper är den ursprungliga ¹²⁴ Xe, som genomgår dubbel elektroninsamling med en halveringstid på 1,8 × 10 ²² år , och ¹³⁶ Xe, som genomgår dubbla betaförfall med en halveringstid på 2,11 × 10 ²¹ år . ¹²⁹ Xe produceras genom betaförfall på ¹²⁹ I , som har en halveringstid på 16 miljoner år. ^131m Xe, ¹³³ Xe, ^133m Xe och ¹³⁵ Xe är några av klyvningsprodukterna från ²³⁵ U och ²³⁹ Pu , och används för att upptäcka och övervaka kärnkraftsexplosioner.

Kärnor i två av de stabila isotoperna av xenon , ¹²⁹ Xe och ¹³¹ Xe, har icke-noll inneboende vinkelmoment ( nukleära snurr , lämpliga för kärnmagnetisk resonans ). Kärnspinnet kan justeras bortom vanliga polarisationsnivåer med hjälp av cirkulärt polariserat ljus och rubidiumånga . Den resulterande spinpolarisation av xenonkärnor kan överträffa 50% av dess maximalt möjliga värde, vilket kraftigt överstiger den termiska jämviktsvärdet dikteras av paramagnetiska statistik (typiskt 0,001% av det maximala värdet vid rumstemperatur , även i de starkaste magneterna ). Sådan icke-jämviktsjustering av snurr är ett tillfälligt tillstånd och kallas hyperpolarisering . Processen att hyperpolarisera xenon kallas optisk pumpning (även om processen skiljer sig från att pumpa en laser ).

Eftersom en ¹²⁹ Xe -kärna har ett snurr på 1/2, och därför ett noll elektrisk quadrupol -moment , upplever ¹²⁹ Xe -kärnan inga kvadrupolära interaktioner under kollisioner med andra atomer, och hyperpolarisationen kvarstår under långa perioder även efter det alstrande ljuset och ånga har tagits bort. Spinnpolarisering av ¹²⁹ Xe kan kvarstå från flera sekunder för xenonatomer upplösta i blod till flera timmar i gasfasen och flera dagar i djupfryst fast xenon. Däremot har ¹³¹ Xe ett kärnspinnvärde på 3 ⁄ 2 och ett icke -noll quadrupol -moment och har t ₁ avkopplingstider i millisekund och andra intervall.

Vissa radioaktiva isotoper av xenon (till exempel ¹³³ Xe och ¹³⁵ Xe) produceras genom neutronbestrålning av klyvbart material i kärnreaktorer . ¹³⁵ Xe är av stor betydelse vid driften av kärnklyvningsreaktorer . ¹³⁵ Xe har ett enormt tvärsnitt för termiska neutroner , 2,6 × 10 ⁶  lador , och fungerar som en neutronabsorberare eller " gift " som kan bromsa eller stoppa kedjereaktionen efter en period av drift. Detta upptäcktes i de tidigaste kärnreaktorer som byggdes av American Manhattan Project för plutoniumproduktion . Konstruktörerna hade dock gjort bestämmelser i konstruktionen för att öka reaktorns reaktivitet (antalet neutroner per klyvning som går till fission andra atomer av kärnbränsle ). ¹³⁵ Xe -reaktorförgiftning var en viktig faktor i Tjernobyl -katastrofen . En avstängning eller minskning av effekten hos en reaktor kan resultera i uppbyggnad av ¹³⁵ Xe, där reaktordrift går in i ett tillstånd som kallas jodgropen .

Under ogynnsamma förhållanden kan relativt höga koncentrationer av radioaktiva xenonisotoper komma från spruckna bränslestavar eller klyvning av uran i kylvatten .

Eftersom xenon är ett spårämne för två överordnade isotoper är xenon -isotopförhållanden i meteoriter ett kraftfullt verktyg för att studera bildandet av solsystemet . Den jod-xenon metod för datering ger den tid som förflutit mellan nukleosyntes och kondensationen av ett fast föremål från sol- nebulosan . År 1960 upptäckte fysikern John H. Reynolds att vissa meteoriter innehöll en isotopisk anomali i form av en överflöd av xenon-129. Han drog slutsatsen att detta var en sönderfallsprodukt av radioaktivt jod-129 . Denna isotop produceras långsamt av kosmisk strålning och kärnklyvning , men produceras endast i kvantitet vid supernovaexplosioner.

Eftersom halveringstiden för ¹²⁹ I är relativt kort på en kosmologisk tidsskala (16 miljoner år), visade detta att det bara hade gått en kort tid mellan supernova och den tid meteoriterna hade stelnat och fångat ¹²⁹ I. Dessa två händelser (supernova och stelning av gasmoln) ansågs ha hänt under solsystemets tidiga historia , eftersom ¹²⁹ I -isotopen sannolikt genererades kort innan solsystemet bildades, sådd av solgasmolnet med isotoper från en andra källa. Denna supernovakälla kan också ha orsakat kollaps av solgasmolnet.

På ett liknande sätt är xenon -isotopförhållanden som ¹²⁹ Xe/ ¹³⁰ Xe och ¹³⁶ Xe/ ¹³⁰ Xe ett kraftfullt verktyg för att förstå planetdifferentiering och tidig avgasning. Exempelvis visar Mars atmosfär ett xenonmängd som liknar jordens (0,08 delar per miljon) men Mars visar ett större överflöd på ¹²⁹ Xe än jorden eller solen. Eftersom denna isotop genereras av radioaktivt sönderfall kan resultatet indikera att Mars förlorade större delen av sin ursprungliga atmosfär, möjligen inom de första 100 miljoner åren efter att planeten bildades. I ett annat exempel, överskott ¹²⁹ fann Xe i koldioxid väl gaser från New Mexico tros vara från sönderfallet av mantel -härledda gaser från strax efter jordens formation.

Föreningar

Efter Neil Bartletts upptäckt 1962 att xenon kan bilda kemiska föreningar har ett stort antal xenonföreningar upptäckts och beskrivits. Nästan alla kända xenonföreningar innehåller elektronegativa atomer fluor eller syre. Xenons kemi i varje oxidationstillstånd är analog med den hos det närliggande elementet jod i det omedelbart lägre oxidationstillståndet.

Halider

Tre fluorider är kända: XeF
₂, XeF
₄och XeF
₆. XeF teoretiseras för att vara instabil. Detta är utgångspunkterna för syntesen av nästan alla xenonföreningar.

Den fasta, kristallina difluoriden XeF
₂bildas när en blandning av fluor och xenongaser exponeras för ultraviolett ljus. Den ultravioletta komponenten i vanligt dagsljus är tillräcklig. Långsiktig uppvärmning av XeF
₂vid höga temperaturer under en NiF
₂katalysator ger XeF
₆. Pyrolys av XeF
₆i närvaro av NaF ger XeF av hög renhet
₄.

Xenonfluoriderna beter sig som både fluoracceptorer och fluoridonatorer och bildar salter som innehåller sådana katjoner som XeF⁺
och Xe
₂F⁺
₃och anjoner såsom XeF^-
₅, XeF^-
₇och XeF²⁻
₈. Den gröna, paramagnetiska Xe⁺
₂bildas genom minskning av XeF
₂ med xenongas.

XeF
₂bildar också koordinationskomplex med övergångsmetalljoner. Mer än 30 sådana komplex har syntetiserats och karakteriserats.

Medan xenon fluorider är väl karaktäriserade, med undantag av diklorid XeCl ₂ och XeCl ₄ , är de andra halogenider inte känd. Xenondiklorid, bildat genom högfrekvent bestrålning av en blandning av xenon, fluor och kisel eller koltetraklorid , rapporteras vara en endoterm, färglös, kristallin förening som bryts ned i elementen vid 80 ° C. Men XeCl
₂kan bara vara en van der Waals -molekyl av svagt bundna Xe -atomer och Cl
₂molekyler och inte en riktig förening. Teoretiska beräkningar indikerar att den linjära molekylen XeCl
₂är mindre stabil än van der Waals -komplexet. Xenontetraklorid är mer instabilt som inte kan syntetiseras genom kemisk reaktion. Det skapades av radioaktivt ¹²⁹
ICl^-
₄ förfall.

Oxider och oxohalider

Tre oxider av xenon är kända: xenontrioxid ( Xeo
₃) och xenontetroxid ( XeO
₄), Som båda är farligt explosiva och kraftfulla oxidationsmedel, och xenon dioxid (Xeo ₂ ), som rapporterades i 2011 med ett koordinationstal av fyra. XeO ₂ bildas när xenontetrafluorid hälls över is. Dess kristallstruktur kan göra det möjligt att ersätta kisel i silikatmineraler. XeOO ⁺ -katjonen har identifierats med infraröd spektroskopi i fast argon .

Xenon reagerar inte direkt med syre; trioxiden bildas genom hydrolys av XeF
₆:

XeF
₆+ 3 H
₂O → XeO
₃ + 6 HF

XeO
₃är svagt sur och löser sig i alkali för att bilda instabila xenatsalter innehållande HXeO^-
₄anjon. Dessa instabila salter disproportioneras lätt till xenongas och perxenatsalter , innehållande XeO⁴⁻
₆ anjon.

Bariumperxenat ger, vid behandling med koncentrerad svavelsyra , gasformigt xenontetroxid:

Ba
₂XeO
₆+ 2 H
₂SÅ
₄→ 2 BaSO
₄+ 2 H
₂O + XeO
₄

För att förhindra sönderdelning kyls den bildade xenontetroxiden snabbt till ett blekgult fast ämne. Den exploderar över −35,9 ° C till xenon och syrgas, men är annars stabil.

Ett antal xenonoxifluorider är kända, inklusive XeOF
₂, XeOF
₄, XeO
₂F
₂och XeO
₃F
₂. XeOF
₂bildas genom reaktion av OF
₂med xenongas vid låga temperaturer. Det kan också erhållas genom partiell hydrolys av XeF
₄. Det oproportionerligt vid −20 ° C i XeF
₂och XeO
₂F
₂. XeOF
₄bildas genom partiell hydrolys av XeF
₆eller reaktionen av XeF
₆med natriumperxenat, Na
₄XeO
₆. Den senare reaktionen ger också en liten mängd XeO
₃F
₂. XeOF
₄reagerar med CsF för att bilda XeOF^-
₅anjon, medan XeOF ₃ reagerar med alkalimetallfluoriderna KF , RbF och CsF för att bilda XeOF^-
₄ anjon.

Andra föreningar

Xenon kan bindas direkt till ett mindre elektronegativt element än fluor eller syre, särskilt kol . Elektronuttagande grupper, såsom grupper med fluorsubstitution, är nödvändiga för att stabilisera dessa föreningar. Många sådana föreningar har karakteriserats, inklusive:

• C
  ₆F
  ₅–Xe⁺
  –N≡C – CH
  ₃, Där C ₆ F ₅ är pentafluorfenylgrupp.
• [C
  ₆F
  ₅]
  ₂Xe
• C
  ₆F
  ₅–Xe – C≡N
• C
  ₆F
  ₅–Xe – F
• C
  ₆F
  ₅–Xe – Cl
• C
  ₂F
  ₅–C≡C – Xe⁺
  
• [CH
  ₃]
  ₃C – C≡C – Xe⁺
  
• C
  ₆F
  ₅–XeF⁺
  ₂
• (C
  ₆F
  ₅Xe)
  ₂Cl⁺
  

Andra föreningar som innehåller xenon bundna till ett mindre elektronegativt element inkluderar F – Xe – N (SO
₂F)
₂och F – Xe – BF
₂. Det senare syntetiseras från dioxygenyltetrafluororat , O
₂BF
₄vid -100 ° C.

En ovanlig jon som innehåller xenon är tetraxenonogold (II) katjonen, AuXe²⁺
₄, som innehåller Xe – Au -bindningar. Denna jon förekommer i föreningen AuXe
₄(Sb
₂F
₁₁)
₂, och är anmärkningsvärt i att ha direkta kemiska bindningar mellan två notoriskt oreaktiva atomer, xenon och guld , med xenon som fungerar som en övergångsmetallligand.

Föreningen Xe
₂Sb
₂F
₁₁innehåller en Xe – Xe-bindning, den längsta element-elementbindningen som är känd (308,71 pm = 3,0871 Å ).

1995 tillkännagav M. Räsänen och medarbetare, forskare vid Helsingfors universitet i Finland , beredning av xenondihydrid (HXeH) och senare xenonhydridhydroxid (HXeOH), hydroxenoacetylen (HXeCCH) och andra Xe-innehållande molekyler. År 2008, Khriachtchev et al. rapporterade beredningen av HXeOXeH genom fotolys av vatten i en kryogen xenonmatris. Deutererade molekyler, HXeOD och DXeOH, har också producerats.

Klatrater och excimrar

Förutom föreningar där xenon bildar en kemisk bindning , xenon kan bilda klatrat -substances där xenonatomer eller par fångas av kristallgittret av en annan förening. Ett exempel är xenonhydrat (Xe · 5+3 ⁄ 4 H ₂ O), där xenonatomer upptar lediga platser i ett galler av vattenmolekyler. Detta klatrat har en smältpunkt på 24 ° C. Den deutererade versionen av detta hydrat har också producerats. Ett annat exempel är xenonhydrid (Xe (H ₂ ) ₈ ), där xenonpar (dimerer) fångas in i fast väte . Sådana klatrathydrater kan förekomma naturligt under högt tryck, till exempel i Vostoksjön under Antarktis inlandsis. Klatratbildning kan användas för att fraktionellt destillera xenon, argon och krypton.

Xenon kan också bilda endoedriska fullerenföreningar , där en xenonatom är instängd i en fullerenmolekyl . Xenonatomen fångad i fulleren kan observeras genom ¹²⁹ Xe -nukleär magnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Genom den känsliga kemiska skiftningen av xenonatomen till dess miljö kan kemiska reaktioner på fullerenmolekylen analyseras. Dessa observationer är dock inte utan förbehåll, eftersom xenonatomen har ett elektroniskt inflytande på reaktiviteten hos fulleren.

När xenonatomer är i markenergistillstånd , stöter de bort varandra och bildar inte en bindning. När xenonatomer blir energiska kan de emellertid bilda en excimer (exciterad dimer) tills elektronerna återgår till marktillståndet . Denna enhet bildas eftersom xenonatomen tenderar att slutföra det yttersta elektroniska skalet genom att lägga till en elektron från en närliggande xenonatom. Den typiska livstiden för en xenon -excimer är 1–5 nanosekunder och sönderfallet frigör fotoner med våglängder på cirka 150 och 173  nm . Xenon kan också bilda excimrar med andra element, såsom halogenerna brom , klor och fluor .

Ansökningar

Även om xenon är sällsynt och relativt dyrt att extrahera från jordens atmosfär , har det ett antal tillämpningar.

Belysning och optik

Gasurladdningslampor

Xenon används i ljusemitterande enheter som kallas xenonlampor, används i fotografiska blixtar och stroboskopiska lampor; att excitera det aktiva mediet i lasrar som sedan genererar koherent ljus ; och ibland i bakteriedödande lampor. Den första solid-state- lasern , som uppfanns 1960, pumpades av en xenon-blixtlampa, och lasrar som används för att driva tröghetsfusion pumpas också av xenon-blixtlampor.

Kontinuerlig, kort ljusbåge, högtrycksxenonlampa har en färgtemperatur som nära middagstid solljus och används i solsimulatorer . Det vill säga att kromatiken hos dessa lampor närmar sig en uppvärmd svart kroppsradiator vid solens temperatur. Första gången de introducerades på 1940-talet ersatte dessa lampor de kortare livslängden kolbågslampor i filmprojektorer. De används också i typiska 35 mm , IMAX och digitala filmprojektionssystem . De är en utmärkt källa till ultraviolett strålning med kort våglängd och har intensiva utsläpp i det nära infraröda som används i vissa nattsynssystem . Xenon används som startgas i metallhalogenlampor för bilstrålkastare och avancerade "taktiska" ficklampor .

De enskilda cellerna i en plasmaskärm innehåller en blandning av xenon och neonjoniserat med elektroder . Interaktionen mellan denna plasma och elektroderna genererar ultravioletta fotoner , som sedan exciterar fosforbeläggningen på skärmens framsida.

Xenon används som "startgas" i högtrycksnatriumlampor . Den har den lägsta värmeledningsförmågan och lägsta joniseringspotentialen för alla icke-radioaktiva ädelgaser. Som ädelgas stör den inte de kemiska reaktionerna som uppstår i lampan. Den låga värmeledningsförmågan minimerar värmeförluster i lampan medan den är i driftstillstånd, och den låga joniseringspotentialen gör att gasens nedbrytningsspänning blir relativt låg i kallt tillstånd, vilket gör att lampan lättare kan startas.

Lasrar

År 1962 upptäckte en grupp forskare vid Bell Laboratories laserverkan i xenon och fann senare att laserförstärkningen förbättrades genom att tillsätta helium till lasermediet. Den första excimerlaser används en xenon dimer (Xe ₂ ) aktiveras av en elektronstråle för att producera stimulerad emission vid en ultraviolett våglängd av 176 nm . Xenonklorid och xenonfluorid har också använts i excimer (eller, mer exakt, exciplex) lasrar.

Medicinsk

Anestesi

Xenon har använts som narkos , men det är dyrare än konventionella bedövningsmedel.

Xenon interagerar med många olika receptorer och jonkanaler, och liksom många teoretiskt multimodala inhalationsanestetika är dessa interaktioner sannolikt komplementära. Xenon är en NMDA-receptorantagonist med hög affinitet för glycin på platsen . Xenon skiljer sig dock från vissa andra NMDA -receptorantagonister genom att det inte är neurotoxiskt och hämmar neurotoxiciteten för ketamin och lustgas (N ₂ O), samtidigt som det faktiskt ger neuroskyddande effekter . Till skillnad från ketamin och lustgas stimulerar xenon inte ett dopaminutflöde i kärnan accumbens .

Precis som lustgas och cyklopropan aktiverar xenon kaliumkanalen TREK-1 med två porer . En besläktad kanal TASK-3 som också är inblandad i inhalationsanestetika är okänslig för xenon. Xenon hämmar nikotinacetylkolin α4β2 -receptorer som bidrar till spinalmedierad analgesi. Xenon är en effektiv hämmare av plasmamembran Ca ²⁺ ATPas . Xenon inhiberar Ca ²⁺ ATPas genom att binda till en hydrofob por i enzymet och förhindra att enzymet antar aktiva konformationer.

Xenon är en kompetitiv inhibitor av serotonin 5-HT ₃ -receptorn . Medan varken bedövningsmedel eller antinociceptiva medel, minskar detta anestesi som uppstår illamående och kräkningar.

Xenon har en minsta alveolär koncentration (MAC) på 72% vid 40 års ålder, vilket gör den 44% mer potent än N ₂ O som bedövningsmedel. Således kan den användas med syre i koncentrationer som har en lägre risk för hypoxi . Till skillnad från lustgas är xenon inte en växthusgas och ses som miljövänlig . Även om det återvinns i moderna system, återvänder xenon till atmosfären bara till sin ursprungliga källa, utan miljöpåverkan.

Neuroprotektant

Xenon inducerar robust kardioskydd och neuroskydd genom en mängd olika mekanismer. Genom sitt inflytande på Ca ²⁺ , K ⁺ , KATP \ HIF och NMDA -antagonism är xenon neuroskyddande vid administrering före, under och efter ischemiska förolämpningar. Xenon är en hög affinitetsantagonist vid NMDA -receptor -glycinstället. Xenon är kardioskyddande vid iskemi-reperfusionsförhållanden genom att inducera farmakologisk icke-ischemisk förkonditionering. Xenon är kardioskyddande genom att aktivera PKC-epsilon och nedströms p38-MAPK. Xenon efterliknar neuronal ischemisk förkonditionering genom att aktivera ATP -känsliga kaliumkanaler. Xenon minskar allosteriskt ATP-medierad kanalaktiveringsinhibering oberoende av sulfonylurea-receptor1-subenheten, vilket ökar KATP: s öppna kanaltid och frekvens.

Sportdopning

Inandning av en xenon/syreblandning aktiverar produktionen av transkriptionsfaktorn HIF-1-alfa , vilket kan leda till ökad produktion av erytropoietin . Det senare hormonet är känt för att öka produktionen av röda blodkroppar och prestanda. Enligt uppgift har dopning med xenoninandning använts i Ryssland sedan 2004 och kanske tidigare. Den 31 augusti 2014 lade World Anti Doping Agency (WADA) xenon (och argon ) till listan över förbjudna ämnen och metoder, även om inga pålitliga dopningstester för dessa gaser ännu har utvecklats. Dessutom har effekter av xenon på erytropoietinproduktion hos människor inte påvisats hittills.

Imaging

Gamma -utsläpp från radioisotopen ¹³³ Xe av xenon kan användas för att exempelvis avbilda hjärtat, lungorna och hjärnan med hjälp av en datortomografi med enstaka foton . ¹³³ Xe har också använts för att mäta blodflödet .

Xenon, särskilt hyperpolariserat ¹²⁹ Xe, är ett användbart kontrastmedel för magnetisk resonanstomografi (MRT). I gasfasen kan den avbilda håligheter i ett poröst prov, alveoler i lungorna eller gasflödet i lungorna. Eftersom xenon är lösligt både i vatten och i hydrofoba lösningsmedel kan det avbilda olika mjuka levande vävnader.

Xenon-129 används för närvarande som ett visualiseringsmedel vid MR-skanningar. När en patient inhalerar hyperpolariserat xenon-129 kan ventilation och gasutbyte i lungorna avbildas och kvantifieras. Till skillnad från xenon-133 är xenon-129 icke-joniserande och är säkert att inandas utan negativa effekter.

Kirurgi

Xenonklorid -excimerlasern har vissa dermatologiska användningsområden.

NMR -spektroskopi

På grund av xenonatomens stora, flexibla yttre elektronskal, förändras NMR -spektrumet som svar på omgivande förhållanden och kan användas för att övervaka de omgivande kemiska omständigheterna. Till exempel xenon upplöst i vatten, xenon upplöst i hydrofobt lösningsmedel och xenon associerat med vissa proteiner kan särskiljas genom NMR.

Hyperpolariserat xenon kan användas av ytkemister . Normalt är det svårt att karakterisera ytor med NMR eftersom signaler från en yta överväldigas av signaler från atomkärnorna i huvuddelen av provet, som är mycket fler än ytkärnor. Nukleära snurr på fasta ytor kan emellertid selektivt polariseras genom att överföra spinnpolarisering till dem från hyperpolariserad xenongas. Detta gör ytsignalerna tillräckligt starka för att mäta och skilja från bulksignaler.

Övrig

I kärnkraftsstudier används xenon i bubbelkammare , sonder och i andra områden där en hög molekylvikt och inert kemi är önskvärd. En biprodukt av kärnvapentester är utsläpp av radioaktivt xenon-133 och xenon-135 . Dessa isotoper övervakas för att säkerställa överensstämmelse med förbud mot kärnvapenprov och för att bekräfta kärnvapenprov från stater som Nordkorea .

Flytande xenon används i kalorimetrar för att mäta gammastrålning och som en detektor för hypotetiska svagt interagerande massiva partiklar , eller WIMP. När en WIMP kolliderar med en xenonkärna förutspår teorin att den kommer att ge tillräckligt med energi för att orsaka jonisering och scintillation . Flytande xenon är användbart för dessa experiment eftersom dess densitet gör interaktionen mellan mörk materia mer sannolik och det tillåter en tyst detektor genom självskärmning.

Xenon är det föredragna drivmedlet för jondrivning av rymdfarkoster eftersom det har låg joniseringspotential per atomvikt och kan lagras som en vätska vid nära rumstemperatur (under högt tryck), men ändå lätt avdunstas för att mata motorn. Xenon är inert, miljövänligt och mindre frätande för en jonmotor än andra bränslen som kvicksilver eller cesium . Xenon användes först för satellitjonmotorer under 1970 -talet. Det anställdes senare som drivmedel för JPL: s Deep Space 1- sond, Europas SMART-1- rymdfarkoster och för de tre jondrivningsmotorerna på NASA: s Dawn-rymdfarkoster .

Kemiskt används perxenatföreningarna som oxidationsmedel i analytisk kemi . Xenondifluorid används som etsmedel för kisel , särskilt vid produktion av mikroelektromekaniska system (MEMS). Anticancerläkemedlet 5-fluorouracil kan produceras genom att reagera xenondifluorid med uracil . Xenon används också inom proteinkristallografi . Appliceras vid tryck från 0,5 till 5  MPa (5 till 50  atm ) till en proteinkristall, binder xenonatomer i övervägande hydrofoba hålrum, vilket ofta skapar ett högkvalitativt, isomorft, tungatomderivat som kan användas för att lösa fasproblemet .

Försiktighetsåtgärder

Xenon

Faror
NFPA 704 (eldiamant)	0 0 0 SA

Eftersom de är starkt oxidativa är många syre- xenonföreningar giftiga; de är också explosiva (mycket exoterma ), bryts ner till elementärt xenon och diatomärt syre (O ₂ ) med mycket starkare kemiska bindningar än xenonföreningarna.

Xenongas kan säkert förvaras i vanliga förslutna glas- eller metallbehållare vid standardtemperatur och tryck . Det löser sig dock lätt i de flesta plaster och gummi och kommer gradvis att fly från en behållare som är förseglad med sådana material. Xenon är giftfritt , även om det löser sig i blod och tillhör en utvald grupp ämnen som tränger igenom blod-hjärnbarriären , vilket orsakar mild till full kirurgisk anestesi vid inandning i höga koncentrationer med syre.

Ljudets hastighet i xenongas (169 m/s) är lägre än i luften, eftersom den genomsnittliga hastigheten för de tunga xenonatomerna är mindre än för kväve- och syremolekyler i luft. Därför vibrerar xenon långsammare i stämbanden vid utandning och ger sänkta rösttoner (lågfrekvensförstärkta ljud, men grundfrekvensen eller tonhöjden ändras inte), en effekt motsatt den högtonade rösten som produceras i helium . När röstkanalen är fylld med xenongas blir dess naturliga resonansfrekvens lägre än när den är fylld med luft. Således skulle de låga frekvenserna för ljudvågen som produceras av samma direkta vibrationer i stämbanden förbättras, vilket resulterar i en förändring av klangfärgen för ljudet som förstärks av röstkanalen. Precis som helium tillgodoser xenon inte kroppens behov av syre, och det är både ett enkelt kvävande och ett bedövningsmedel som är kraftfullare än lustgas; följaktligen, och eftersom xenon är dyrt, har många universitet förbjudit röststuntet som en allmän kemidemonstration. Gasen svavelhexafluorid liknar xenon i molekylvikt (146 kontra 131), billigare, och även om en kvävande, inte giftig eller bedövningsmedel; det ersätts ofta i dessa demonstrationer.

Täta gaser som xenon och svavelhexafluorid kan andas säkert när de blandas med minst 20% syre. Xenon vid 80% koncentration tillsammans med 20% syre producerar snabbt medvetslöshet vid allmänbedövning (och har använts för detta, som diskuterats ovan). Andning blandar gaser med olika densiteter mycket effektivt och snabbt så att tyngre gaser rensas ut tillsammans med syret och inte ackumuleras i botten av lungorna. Det finns dock en fara i samband med tung gas i stora mängder: den kan sitta osynligt i en behållare, och en person som kommer in i ett område som är fyllt med en luktfri, färglös gas kan kvävas utan förvarning. Xenon används sällan i tillräckligt stora mängder för att detta ska vara ett problem, även om risken för fara finns när som helst en tank eller behållare med xenon förvaras i ett oventilerat utrymme.

Se även

• Flytande svävning
• ädelgaser
• Penningblandning

Referenser

externa länkar

• Xenon vid The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• USGS periodiska system - Xenon
• EnvironmentalChemistry.com - Xenon
• Xenon som bedövningsmedel
• Sir William Ramsays Nobelprisföreläsning (1904)