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氙
高發(fā)光強度惰性氣體
氙核外電子排布圖
氙（英語：Xenon），稀有氣體，位于元素周期表的第五周期0族，化學符號為Xe，原子序數(shù)為54，原子量為131.3，是一種無色無味的惰性單原子氣體，化學性質極為穩(wěn)定。氙于1898年由發(fā)現(xiàn)了氖、氬、氪的英國化學家威廉·拉姆齊（William Ramsay）和莫里斯·特拉維斯（Morris Travers）發(fā)現(xiàn)，在真空管中可以電離發(fā)光，發(fā)出漂亮的藍綠色光。自然產生的氙由9種穩(wěn)定同位素組成，除了其余穩(wěn)定的同位素之外，氙還有40多種能夠進行放射性衰變的不穩(wěn)定同位素。空氣是氙的唯一來源，目前氙廣泛應用于照明行業(yè)，填充汽車燈和閃光燈，此外還應用于醫(yī)用麻醉劑、紫外線燈等。氙氣本身作為惰性氣體，無毒，不可燃。
基本信息
中文名
氙
英文名
Xenon
元素符號
Xe
原子序數(shù)
54
原子質量
131.3
元素類別
非金屬元素
族
0族
周期
第五周期
區(qū)
p區(qū)
電子排布
[Kr]4d1?5s25p?
CAS編號
7440-63-3
物理性質
物態(tài)
氣態(tài)
密度
5.8971 g/cm3（0 ℃，101.325 kPa）
熔點
-111.9 ℃(101 KPa)
沸點
-108.11 ℃(101 KPa)
臨界點
16.59 ℃，5764 kPa
熔化熱
2.27 KJ/mol
汽化熱
12.64 KJ/mol
原子性質
氧化態(tài)
0,+1,+2,+4,+6,+8
電負性
2.6（鮑林標度）
原子半徑
4.05 ?
發(fā)現(xiàn)歷史
1894年至1898年，英國化學家威廉·拉姆齊（Williiam Ramsay）及其助手莫理絲·特拉維斯（Morris Travers）在分離液態(tài)空氣時先后發(fā)現(xiàn)了惰性氣體氪、氬、氖。1898年6月，拉姆齊和特拉維斯在工業(yè)家路德維希·蒙德（Ludwig Mond）提供的液體空氣機器中分離氣體，分離之后在真空管中檢查了較重的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體發(fā)出了美麗的藍色光芒。拉姆齊和特拉維斯將這種新氣體歸類為惰性氣體，拉姆齊建議把這一新元素命名為“Xenon”，源自希臘語“ξ?νον”（xenon），即“ξ?νο?”（xenos）的中性單數(shù)形，意為“外來者、陌生人或異客”。1902年，拉姆齊估算氙在地球大氣中的含量為兩千萬分之一。
氙氣作為一種惰性氣體，化學家們一直以為其無法形成化合物。直到1962年，英國化學家尼爾·巴特萊特（Neil Bartlett）與他的學生洛赫曼（D.Lohman）在實驗室重復美國阿拉貢國家實驗室的實驗時，發(fā)現(xiàn)六氟化鉑（PtF?）氣體是一種強氧化劑，能夠氧化氧氣，形成六氟合鉑酸氧（O??[PtF?]?），巴特萊特由此猜想，氙也有被六氟化鉑氧化的可能。1962年3月，巴特萊特將氙和六氟化鉑混合后得到了第一種稀有氣體的化合物——六氟合鉑酸氙。巴特萊特將其整理成論文發(fā)布在《化學學會學報》上，盡管這篇論文不到半頁紙長，但它很快成為科學的里程碑，標志著稀有氣體化學領域的真正開端。至此，惰性氣體更名為稀有氣體。此后，多種氙的化合物被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，同時還發(fā)現(xiàn)了許多其他稀有氣體的化合物。
分布情況
氙存在于地球的大氣層中，屬于微量氣體，含量約為地球空氣的1150萬分之一。地球上的氙存量很低，這可能是由于氙和氧在石英中產生共價鍵，從而減少氙被釋入大氣層的量。部分研究表明，氙氣也可以從溫泉水或者天然礦泉水中釋放。從大氣層中提取一升氙氣需要大量能量。
化學結構
氙原子的電子組態(tài)為[Kr]4d1?5s25p?，核外電子均勻排布，含有8個價電子，使外層電子處于最低能量排布，原子核對核外電子束縛較強，因此氙原子不易得失原子。這導致氙的化學性質不活潑。氙的化合價最常見的為0價，除此之外還有+1價、+2價、+4價、+6價及+8價，對大部分化學反應都呈惰性（如燃燒反應）。
理化性質
物理性質
氙是一種無色、無臭、無味的單原子氣體，在空氣中以痕量存在，人類無法依靠自己的器官辨別。在標準溫度（273.15 K）和壓力（100 kPa）下，氙的密度為5.8971 g/cm3，介電常數(shù)為1.001238（298K，101.325kPa）。當電弧通過裝有氙氣的玻璃管時，氙會被激發(fā)而發(fā)出藍至淡紫色光。氙不溶于水。
化學性質
氙屬于稀有氣體，對大多數(shù)化學反應呈惰性。其電子排布會形成穩(wěn)定的低能排布，此時外層電子緊緊束縛在原子中。氙是稀有氣體中最早發(fā)現(xiàn)化合物的氣體，可以與強氧化劑反應。自1962年巴特萊特發(fā)現(xiàn)了六氟合鉑酸氙（XePtF?），打破了“所有氦族氣體在化學上是完全不能反應的”的觀點后，科學家們還發(fā)現(xiàn)了許多其他的氙化合物，其共同點是：幾乎所有的氙化合物都含有電負性高的氟或氧。
包合物
包合物往往是大分子包容小分子，靠分子間的范德華力結合。能否形成包合物還決定于包容分子與被包容分子間的幾何因素是否合適。根據(jù)包容分子構成的形狀，包合物分為管狀包合物和籠狀包合物。氙被包容在籠狀分子內，即包容分子構成籠狀晶格，氙分子充填其中。
氙可以形成內嵌富勒烯化合物，即內嵌氙原子的富勒烯分子。富勒烯里面的氙原子可以通過12?Xe核磁共振光譜分析來觀測。科學家可利用這種方法分析富勒烯分子的化學反應，因為其中的氙原子對周圍環(huán)境十分敏感，并進行化學位移。然而，氙原子也會對富勒烯的化學活性產生影響。日常工業(yè)中，氙能與水、對苯二酚和苯酚等形成弱鍵包合物。最穩(wěn)定的是CCl?·2Xe·17H?O，常壓下13.7 ℃時才會發(fā)生水解。
氙的鹵化物
在氟化氙的質譜研究過程中，檢測到了離子Xe?F?、XeF?、Xe?F??、Xe?F??、XeF??和Xe?F??。化合物XeCl?、XeCl?和XeBr?被檢測為12?Cl?和12?Cl?的β衰變的高度不穩(wěn)定產物。此外，XeCl?被檢測為通過氙和氯的混合物放電后獲得的低溫冷凝液的成分。
氙的氟化物之間可以相互轉化，XeF?與氟的反應可得到XeF?，反應方程如下所示。
通過輻照XeF?，可以定量獲得純XeF?。XeF?在43 ℃以下為無色，43 ℃以上為黃色，液體呈黃色，蒸汽呈黃綠色。
氙的氧化物和氟氧化物
氙的氟化物易發(fā)生水解反應制得氙的氧化物以及氙氟氧化物。
氟化物水解制備氧化物
目前已知的氙氧化物有XeO?，XeO?。XeO?可通過水解XeF?獲得，或通過XeF?或XeOF?的歧化。反應方程如下所示。
除XeO?外，XeO?可利用糠酸硫酸對氙酸鹽（最好是Ba?XeO?）的緩慢作用產生氣態(tài)XeO?，XeO?可在196 ℃冷凝為淡黃色固體，并在70 ℃下升華純化。XeO?在0 ℃時，蒸氣壓為3.3 kPa；在35 ℃時，蒸汽壓為0.4 kPa。XeO?極不穩(wěn)定，極易爆炸，溫度超過40 ℃，XeO?就會意外爆炸。
氟化物水解制備氟氧化物
目前已知的氟氧化物有XeOF?、XeO?F?、XeO?F?、XeOF?以及XeO?F?。XeOF?是通過80 ℃下XeF?的水解而合成的，反應方程如下所示。它是一種淡黃色固體，在25℃左右為亞穩(wěn)態(tài)。
八價氙的氧化物氟化物非常不穩(wěn)定。XeO?與XeF?的反應可以生成XeO?F?和XeOF?。但是除了穩(wěn)定的過氙酸鹽外，氙的+8氧化狀態(tài)并不容易獲得。
同位素
氙有九種穩(wěn)定同位素，都沒有放射性，被廣泛應用于醫(yī)學、慣性導航技術、基礎物理研究以及放射性同位素生產等諸多領域。分離氙同位素的方法目前仍然依賴于專用設備采用氣體離心法分離。各同位素及其天然含量分別為：
同位素 | 含量 |
12?Xe | 0.094% |
12?Xe | 0.089% |
12?Xe | 1.875% |
12?Xe | 26.074% |
13?Xe | 4.011% |
131Xe | 21.210% |
132Xe | 27.108% |
13?Xe | 10.451% |
13?Xe | 9.088% |
應用最廣的氙同位素主要有12?Xe、12?Xe、131Xe和13?Xe四種同位素。
12?Xe可以作為初始靶材，通過反應堆中的中子輻照得到12?Xe，12?Xe經β衰變后生成放射性同位素12?I。12?I的半衰期為13h、γ射線能量低（159keV）且無β輻射，對人體產生的輻射損傷小，因此12?I被廣泛用于腫瘤、心臟和神經系統(tǒng)疾病的研究和臨床診斷等方面。12?Xe和131Xe是核磁共振陀螺儀的關鍵實驗材料，大部分同位素均用于科研工作。
制備方法
氙的工業(yè)應用極其廣泛，目前廣泛應用于汽車工業(yè)、醫(yī)學、測量、通訊、照明等各行業(yè)。但是由于氙的天然含量低、分離提純難度大、能耗大且成本高，因此研究者們不斷探尋出經濟可行且分離高效的氙氣捕集方法，目前已經開發(fā)出了低溫蒸餾法、溶劑吸收法與催化反應法，在研究的還有膜分離法與吸附分離法。
低溫蒸餾法
在工業(yè)生產中，蒸餾或吸附方法生產的氙氣可滿足一般的應用要求。目前使用最廣泛的是低溫蒸餾法。
低溫蒸餾法的原理是：根據(jù)組分沸點差異，采用機械方法通過把空氣壓縮、冷卻液化進行精餾。在蒸發(fā)過程中，首先，低沸點組分先蒸發(fā)（如N?、O?和Ar等），其次高沸點組分（如Kr、Xe等）富集，最后空氣中的各組分以高沸點富集、低沸點蒸發(fā)的原理進行分離。具體反應流程如下圖所示。
圖3裝置流程圖
低溫精餾技術的優(yōu)點是：技術成熟，目前廣泛應用于大氣或乏燃料后處理技術（UNF）處理尾氣中低濃度Xe的分離富集。低溫精餾技術的缺點是：流程復雜、設備龐大、能耗巨大等。
溶劑吸收法
溶劑吸收法的原理是：利用氣體在吸收溶劑中溶解度的不同，吸收和分離Xe氣體混合物組分。在特定的溶劑中，Xe的溶解度和分離因子都與操作溫度和壓力有關。在部分溶劑中的分離因子高，極易分離。
溶液吸收法的優(yōu)點是：分離簡單快捷方便。溶液吸收法的缺點是：關鍵設備復雜、操作成本高、使用的壓力高、操作條件要求較高；在解吸過程中容易溶劑損失，成本較高。
催化反應法
催化反應法的原理是：利用催化劑使組分中雜質發(fā)生化學反應，再將生成物去除，達到凈化提純目的，這種方法往往與吸附法聯(lián)用。在氪、氙精制系統(tǒng)中，危險、有害雜質-甲烷等碳氫化合物的去除，就是用專用催化劑使其在氧氛圍中燃燒，生成二氧化碳和水分，再用專用吸附劑將二氧化碳和水分吸收、凈化。催化反應法的關鍵是催化劑的選擇應用。
以上各類制備方法在氙氣制備過程中不是單一應用，而是根據(jù)需要聯(lián)合、多次地運用，才能得到高純度的產品。
膜分離法與吸附分離法
膜分離法的基本原理是：利用不同稀有氣體在壓力作用下可以在膜中產生吸附、擴散、滲透速率的差異，從而實現(xiàn)氣體的分離。在膜分離的過程中，低壓外側富集了擴散速率大的氣體（如O?、CO?、H?O等），高壓內側富集了滲透速率小的氣體（如N?、Kr和Xe），由此空氣中的稀有氣體便可被分離出來。
膜分離法目前還在研究當中，還未推廣到工廠使用。膜分離法的優(yōu)點是分離方法簡單便捷，但缺點也十分明顯，其效率相對較低，很難實現(xiàn)空氣中Xe的高效捕集；另外，膜材料易損及驅動力能耗較大也制約了膜的廣泛應用。此外，目前實驗室內還在研究的還有多孔吸附材料的吸附分離法等分離方法，分離效率較膜分離法高，但是仍在研究階段，未來前景廣闊。
元素用途
光學應用
1930年代，美國工程師哈羅德·尤金·艾杰頓（Harold Eugene Edgerton）發(fā)明了氙閃光燈，電流短暫通過含有氙氣的玻璃管使其發(fā)光。之后又逐漸作為激發(fā)激光媒介以產生相干光，還可以作為殺菌燈等。1960年發(fā)明的首個固態(tài)激光器及推動慣性約束聚變的激光器都用到了氙閃光燈作激光抽運。1940年氙弧燈進入市場后，這種光源就被廣泛應用，目前仍然被用在IMAX和新型數(shù)碼投影機的電影投影、高強度氣體放電燈車頭燈、高端軍用電筒以及其他專業(yè)用途。這種弧燈能發(fā)出短波長紫外線，以及可被用于夜視鏡的近紅外線。氙也被用于啟動高壓鈉燈。
1962年，貝爾實驗室研究人員發(fā)現(xiàn)了氙的激光作用，之后在研究中發(fā)現(xiàn)在激光介質中加入氦能夠提升激光的準確度和亮度。由此，氙氣也被用于激光作用。
醫(yī)學應用
氙氣具有理想吸入麻醉藥的許多特性，如高度的化學穩(wěn)定性、無代謝產物、組織器官毒性小、具有鎮(zhèn)痛效應、誘導和蘇醒迅速等，2001年作為藥物進入市場。氙對細胞膜的作用類似于揮發(fā)性麻醉藥，能夠抑制細胞膜Ca2?離子泵，使得神經元Ca2?濃度增加，改變興奮性。氙的鎮(zhèn)痛原理則是通過抑制N-甲基-天冬氨酸受體進而抑制脊髓后角神經元對傷害性刺激的感受。
電子產業(yè)應用
工作媒質
平板顯示器市場，尤其是等離子電視對氖和氙的需求增加起到了很大的作用。等離子顯示屏（PDP）用于生產大尺寸的電視顯示器（一般32英寸以上），等離子顯示屏在兩個玻璃屏之間排列有上千個密封的小低壓氣體室。室內充入氖、氙等混合惰性氣體作為工作媒質。
電子芯片制造
氙氣的最新用途是用在電子芯片制造業(yè)，也是目前氙需求增長及對氙投機買賣的最重要原因，幾家大型芯片制造商正使用氙氣等離子蝕刻，主要用于微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的制造。MEMS設備可將微電子和微機械集成為一個整體，能在一塊芯片上制作更復雜及功效更強的電路。這種技術從根本上把電腦芯片（處理數(shù)據(jù)）和傳感器（收集數(shù)據(jù)）結合到一個元件上，可以批量生產，氙氣蝕刻工藝就由一些半導體制造商用于生產這種可以廣泛應用的電子芯片。
研究應用
氙也可用于大部分需要高分子（原子）質量、低反應性物質的用途。核武器試驗所產生的副產品中有具放射性的133Xe和13?Xe。通過測量這些同位素，人們可以判斷是否有國家進行核試驗。
12?Xe和131Xe具有非零的固有角動量，可用于核磁共振，因此運用于陀螺儀，可使陀螺儀通過數(shù)學變換測量運載體行進的距離、速度、角速度及姿態(tài)信息，12?Xe和131Xe被廣泛應用于在航天、航空、航海等領域的各種運載體中。
用于衛(wèi)星發(fā)射的離子發(fā)動機和離子漿推進器使用燃料氙氣，由于氙氣重量和密度很重，重量約是空氣的4.5倍重，主要用作衛(wèi)星的軌道位置保持和機動控制。氙氣的非冷凝性質，使離子火箭發(fā)動機幾乎可以立即起動或關機，簡化配電系統(tǒng)和絕緣器設計。
安全防護
氙氣是一種惰性氣體，無毒、不可燃。但是許多含氧的氙化合物都是具有毒性的強氧化劑。同時因為很容易分解成氙元素和氧分子，這些化合物還具有爆炸性，正常生活中每天與它們接觸的可能性很小。
爆炸
在氙生產的過程中伴隨著大量的氧氣，氧氣是助燃的，而且在標準的狀態(tài)下以氣態(tài)的形式存在，極易形成安全隱患，造成安全事故。發(fā)生事故的主要原因是，當單元氣體改為三元氣體和甲烷時，氣體的清除系統(tǒng)存在一定的漏點，易造成爆炸。
窒息
過量吸入氙氣會造成窒息，如果氙氣與氧氣混合，氙氧混合氣體中的氙氣少于80%，人類可以安全呼入，而80%氙氣和20%氧氣的混合氣體會迅速使人失去意識。呼吸作用會有效地混合不同密度的氣體，所以較重的氙氣并不會積聚在肺的底部，而是會和其他氣體一起呼出。然而如果大量氙氣在密閉空間中泄漏出來，會在底部積聚。由于氙無色、無味，所以當人員進入該空間時，很可能會不經意地吸入大量的氙氣。一般的氙氣儲存量并不足以導致這種情況的發(fā)生，但在任何缺乏通風的空間中存放氙都具有以上的潛在危險。
吸入急救
如果工作人員吸入了大量的氙氣，應迅速將其脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處，除去口鼻處遮擋物以及衣物，保持其呼吸道通暢。情況嚴重或吸入量過多時立即就醫(yī)。如呼吸困難，立即進行輸氧。如呼吸停止，立即進行人工呼吸。
呼吸系統(tǒng)防護
火場泄露應急處理
氙氣作為惰性氣體，是一種不燃氣體，但仍有一定的危險性。如果在火場發(fā)生了容器泄露事件，工作人員或消防人員應立即切斷氣源，并噴水冷卻容器，立即將容器從火場移至空曠處。
操作處置與儲存
操作注意事項
密閉操作，提供良好的自然通風條件。操作人員必須經操作注意事項專門培訓，嚴格遵守操作規(guī)程。防止氣體泄漏到工作場所空氣中。遠離易燃、可燃物。搬運時輕裝輕卸，防止鋼瓶及附件破損。配備泄露應急處理設備。
儲存注意事項
儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過30 °C。應與易（可）燃物分開存放，切忌混儲。儲區(qū)應備有泄漏應急處理設備。
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