氙(非金属元素)

氙是一种非金属元素,化学符号Xe。元素周期表中第18族元素之一,原子序数54。无色、无嗅、无味,化学性质极不活泼存在于空气中(每100ml空气含氙0.0087mL),也存在于温泉的气体中。从液态空气中与氪一起被分离得到。氙具有极高的发光强度,在照明技术上用来充填光电管、闪光灯和氙气高压灯。]此外,氙还用于深度麻醉剂、医用紫外线、激光器、焊接、难熔金属切割、标准气、特种混合气等。

氙(非金属元素)插图

定义

氙(旧译作氠、氥)是一种化学元素,它的元素符号是Xe,它的原子序数是54,是一种无色无味的稀有气体,放电时呈蓝色。

在地球大气层中存在痕量的氙。氙与其他同族元素,本来由于不易与其他物质产生化学作用被称为惰性气体(现改作稀有气体),但自从1962年起,陆续发现了氙的化合物。第一种氙的化合物是巴特列特制得的六氟合铂酸氙。目前已知氙有80多种化合物,包括氟化物(二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙)、氢化物及氘化物、以及高氙酸钠。三氧化氙具有高度爆炸性。除了个别化合物外,氙化合物都是无色的。

已知的氙的稳定同位素有9种(参见氙的同位素)。它还有40种不稳定的放射性同位素。氙的放射性同位素是研究太阳系早期历史的重要工具。氙-135是核裂变的产物之一,并用作核反应堆的中子吸收剂。

氙可以用于制造氙光灯和氙弧灯,也是一种全身麻醉剂。第一台准分子激光器就使用了氙的激发二聚体Xe2作为激光活性媒质,最早的激光器使用氙光灯作为激光泵。氙被用于搜寻假想的大质量弱相互作用粒子,它是新型航天器离子推进器中的推进剂。

性质

物理性质

氙在常温常压下为无色无臭无毒的惰性气体,在放电管中为蓝色至绿色的气体。

原子半径:4.05Å

共价半径:209pm;1.31Å

沸点:-108.10℃(101.325kpa)

三相点:16.130K

气体密度:5.89kg·m-3(273.15K,101.325kpa)

液体密度:3057kg·m-3(-108.10℃,101.325kpa)

气液体积比:518.9

介电常数:1.001238(298K,101.325kpa)

磁化率:-43×10-1cgs·mol-1(298K,101.325kpa)

折射率:1.000702(g,273K,101.325KPa,5893A)

比容:0.180m3·kg-1(294.3K,101.325kPa)

临界温度:289.74K

临界压力:5764kPa

临界密度:1100.0kg·m-3

熔化热:17.49kJ·kg-1(161.4K,81.6kPa)

气化热:96.30KJ·kg-1(165.1K,101.325kpa)

比热容:Cp=160.03J/(kg·K)(g,298K,101.325kpa);Cv=96.41J/(kg·K)(g,298K,101.325kpa)

比热比:Cp/Cv=1.67(g,298K,101.325kpa)

蒸气压:2634kPa(253K);4175kPa(273K);5147kPa(283K)

粘度:0.02110mPa·S(g,273K,101.325kPa);0.528mPa·S(l,289.74k)

表面张力:18.7mN·m-1(163K)

导热系数:0.005192W·m-1·K-1(273K,101.325kPa);165.014kh0.07322W·m-1·K-1

1962年以前,科学家只能在放电管里面观察到短寿命的化合物和不稳定的水合物、包合物。包合物是稀有气体原子被有机或无机化合物包含在晶体间隙之中,比如醌醇能把氙包含在晶体中。

一直到1962年,英国氟化学家巴特利特(N.Bartlett)在研究六氟化铂(PtF6)时发现,它的强氧化性能把氧气分子氧化为二氧基阳离子(O2),形成O2[PtF6]。考虑到氧分子的第一电离能与氙的第一电离能接近(氧为1175.7kJ/mol,氙为71.5kJ/mol),氙有可能像氧气一样发生类似的化合反应。于是,他把PtF6蒸汽与过量的氙在室温下混合,立即产生了红色的晶体:经X射线分析,证明这是氙的化合物,XePtF6(在一些资料写作Xe PtF6,比如现在人民教育出版社出版的高中化学教材)。然而有点讽刺的是,后来有人直接把氟气和氙气直接混合,在紫外线下就产生了最简单的氟化物:XeF2。

化学性质

电子排布:[Kr]5s25p6

电负性:2.60(泡林标度)

化学键能:Xe-O:84kJ·mol-1

氧化态:Xe(0),Xe(II),Xe(IV),Xe(VI),Xe(VIII)

晶体结构:面心立方晶胞;a=620.23pm

电离能(kJ/mol):I1:1170.4;I2:2046;I3:3097;I4:4300;I5:5500;I6:6600;I7:9300;I8:10600;I9:19800;I10:23000

氙的电子构型非常稳定,且它的电离能相对较大,因此在化学上显惰性,只与强的氧化剂反应。

化合物

氟化反应与氟化氙

氙气与氟气直接混合,可以得到无色的XeF2,XeF4与XeF6晶体,氙与氟的比例不同,得到的主产物不同:

Xe:F2=2:1,1273K,1.03×105Pa或298K,紫外线光照;

Xe:F2=1:5,873K,6.18×105Pa;

Xe:F2=1:20,573K,6.18×105Pa;

若使用镍、钴和钙的氟化物作为催化剂能显著提高上述反应速率,使用Ag2O或Ni2O3则可以在零度时引起氟和氙的爆炸反应。一些氟化物则对反应催化具有选择性,例如在Xe:F2=1:10,温度为120℃时,使用氟化镁作为催化剂,产物只有XeF2,若使用二氟化镍作为催化剂,产物则只有XeF6。

氙的三种氟化物在室温下都能稳定存在。

若将XeF2溶于水中,则与水缓慢反应,又得到氙气:

XeF4与水反应时,一半发生反应,另一半则歧化为Xe(0)与Xe(VI):,反应过程中有疑似XeOF2的黄色中间产物。

XeF6与水发生的是水解反应:,生成的XeOF4则进一步与水反应,直到完全水解:。生成的XeO3可以溶解于水并稳定存在,不会进一步氧化水。碱性时,XeF6会歧化为不溶解的高氙酸盐与氙气。

氙的氟化物都是强的氧化剂与氟化剂,在工业生产上有实际用途,例如一些有机物的氟化,使用的就是XeF2。

含氧化合物

氙的氧化物有XeO3与XeO4,对应的酸根为氙酸根(HXeO4-)与高氙酸根(XeO64-)。

XeO3可用XeF4或XeF6与水反应制得,XeO3在酸性与中性溶液中稳定,在碱性溶液中以HXeO4-形式存在,并且不稳定,易分解或歧化。

XeO4可由高氙酸钡与硫酸复分解制得:,XeO4是一种稳定性差,易爆炸的黄色固体,氧化性极强。

除上边所述的XeF6歧化制法,高氙酸盐亦可通过XeO3的碱溶液与臭氧反应制得。

复合氟化物

在氙的化合物的发现史上,复合氟化物占有重要的地位。氙的第一个真正意义上的化合物正是复合氟化物氟铂酸氙(Xe+PtF6-),它是用Xe与强氧化剂PtF6混合产生的:。随着Xe与PtF6的用量的不同,氟铂酸氙的组成可以在Xe+:PtF6-=0.5:1之间变化。氟铂酸氙是一种发粘的橙黄色固体,在室温下稳定,遇水分解出氙,氧气,氟化氢和二氧化铂(IV)。其他一些金属的六氟化物也可以与氙反应生成形如XeMF6的化合物。

将氙、氟和固态PF5混合并辉光放电,可以生成不稳定的XePF6,同时氙、氟和玻璃仪器反应产生Xe2SiF6。将二氟化氙和一些金属的五氟化物反应也可以生成XeMF6型的化合物。

其它化合物

含有Xe-N键与Xe-C的化合物均被发现,典型代表是FXeN(SO2F)2与[Xe(C6F5)]·[C6F5BF3]。

氙还有氢醌包合物形式的化合物,其中氙被捕集至氢醌的晶格之中。

研究历史

氙于1898年7月由拉姆齐(William Ramsay)和特拉维斯(Morris W.Travers)在伦敦大学学院发现。在此之前,他们从液态空气中提取了氖,氩和氪,并且疑惑它是否包含其它气体。工业家Ludwig Mond给了他们一台新的液态空气机,他们用它提取了更多的稀有气体氪。经过多次蒸馏,他们终于分离出了一种更重的气体,在真空管中它发出漂亮的蓝色光芒。他们意识到它是气体元素“惰性”组的又一个成员,因为其在化学上是惰性的。他选择“ξένος(xenos)”这个希腊文命名氙,意为“陌生的”。

在“惰性气体”中,氙的化合物(含有化学键的)是最先被发现的。巴特列(Neil Bartlett)于1962年将PtF6蒸汽与Xe混合,得到了橙黄色的XePtF6晶体,打破了化学界中持续60年之久的“稀有气体对化学反应完全惰性”的神话。21世纪,超过100种氙的化合物已经被制造出来。

同位素

氙的同位素中,110Xe至147Xe均被实验室制得,其中能稳定存在的是124Xe,126Xe,128Xe~132Xe,134Xe与136Xe,自然界中丰度最大的是132Xe。

制备方法

氙在空气中的储量达到19.5亿吨,因此通过分馏液态空气是制取氙的良好途径。氙是空分工业的副产物。首先液化空气,分馏出液氧,稀有气体即富集于其中,通过进一步分馏,提纯可分离出稀有气体的混合液。173K时使用活性炭吸附,Ar,Kr与Xe被吸附,通过改变温度及其他条件,可以获得氙。

应用领域

广泛用于电子、光电源工业,还用于气体激光器和等离子流中。

用氙气充的灯泡与相同功率的充氩灯泡相比具有发光率高、体积小、寿命长、省电等优点。

有极高的发光强度,充填的长弧氙灯俗称“小太阳”,光的色彩好,用于拍摄彩色电影;又由于透雾能力特别强,可用作有雾导航灯,广泛用于机场、车站、码头。

氙灯凹面聚光后可生成2500℃高温,可用于焊接或切割难熔金属,如钛、钼等。

还是一种没有副作用的深度麻醉剂,X光摄影的造影剂。

也被用作屏蔽X射线。此外,在原子核反应堆和高能物理方面也有很多用途。

元素分布

空气中含量:约90ppm;

地壳中含量:2×10-6ppm;

元素在海水中的含量:1×10-4ppm;

大气中的Xe主要来自原始生成,岩石圈、小行星、陨石通过风化作用释放出其中的稀有气体。宇宙射线和其他高能粒子的核反应也能产生少量Xe。

气体危害

健康危害

侵入途径:吸入。

健康危害:对人的危害与氩相似。人吸入混有70%氙气的氧,引起轻度麻醉,约经3分钟即意识丧失。

毒理学资料及环境行为

危险特性:若遇高热,容器内压增大,有开裂和爆炸的危险。


Posted

in

by

Tags:

Comments

发表回复