2015-06-24 17:31:37

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凝聚态物理学|元素
凝聚态物理学|元素
编辑分类

拼音:xiān,笔画:7,释义;一种气体元素,无色无臭无味,不易与其他元素化合,空气中有微量存在。

基本信息

  • 中文名

  • 外文名

    Xenon

  • 元素符号

    Xe

  • 原子量

    131.293

  • 族群

    0族元素

  • 原子序数

    54

  • 发现人

    拉姆赛

  • 熔 点

    161.25K

  • 沸 点

    165.04K

  • 水溶性

    110.9ml/L(298K)

  • 密 度

    5.8971g/L(标准状况)

折叠 编辑本段 基本信息

化学符号:Xe

密度:5.89Kg/立方米(标准大气压下)

分子量:131.3

中文名称:氙;氙气;液氙

英文名称:Xenon;xenon,refrigerated liquid(cryogenic liquid)

国标编号:22015

CAS号:7440-63-3

EINECS号:231-172-7

InChI InChI=1/Xe

折叠 编辑本段 基本性质

性状:常温常压下为无色无味的稀有气体

蒸汽压:724.54kPa(-64℃)

熔点:-112℃

沸点:-107.1℃;

溶解性:难溶于水

密度:5.89kg/立方米(标准状况下)

相对密度(水=1):3.52(-109℃)

相对密度(空气=1):4.56

稳定性:稳定

危险标记:5(不燃气体)

主要用途:用于闪光管、闪光灯充气,以及作深度麻醉剂。氙气是一种无色无味的气体,可以在通电时发出特强的白光,例如:人造小太阳和广场照明

折叠 编辑本段 基本简介

氙(注音:ㄒㄧㄢ,汉语拼音:xiān;旧译作氠、氥)是一种化学元素,化学符号为Xe,原子序为54。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。 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

自然产生的氙由8种稳定同位素组成。氙还有40多种能够进行放射性衰变的不稳定同位素。氙氙同位素的相对比例对研究太阳系早期历史有重要的作用。具放射性的氙-135是核反应炉中最重要的中子吸收剂,可通过碘-135的核裂变产生。

氙可用在闪光灯和弧灯中,或作全身麻醉药。]最早的准分子激光设计以氙的二聚体分子(Xe)作为激光介质,而早期激光设计亦用氙闪光灯作激光抽运。氙还可以用来寻找大质量弱相互作用粒子,或作航天器离子推力器的推进剂

折叠 编辑本段 历史简介

氙于1898年7月由William Ramsay和Morris Travers在伦敦大学学院发现。他们已经从液态空气中提取了,并且疑惑它是否包含其它气体。富裕的工业家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。经过多次蒸馏,他们终于独立出了一种更重的气体,而且他们在真空管中观察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,他们知道是因为其缺乏化学反应。他们称这个新元素xenon(氙)。这种气体由Neil Bartlett制造了一种氟派生物而最终证明不是惰性的,于1962年。目前已经超过100种氙的化合物被制造出来。[1]

英国化学家威廉·拉姆齐和莫里斯·特拉弗斯(Morris Travers)在发现了后,于1898年7月12日在蒸发液态空气后的残留物中发现了氙。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。1902年,拉姆齐估算氙在地球大气中的含量为2千万分之一。

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。

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。

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]–)。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。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。此后,许多其他的氙化合物也陆续被发现,而同时被发现的还包括稀有气体的化合物,如氟氩化氢(HArF)、二氟化氪(KrF2)及二氟化氡(RnF2)。到了1971年,已知的氙化合物已经超过了80种。

折叠 编辑本段 性质内容

氙闪光灯(可动图像版)

氙的原子序为54,即氙原子核中共有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。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。固态氙的密度为3.640 g/cm3,比花岗岩的2.75 g/cm3更高。当压力超过10亿帕斯卡时,氙会呈金属态。

在大约140 GPa压力下,固体氙的晶体结构会从面心立方转变为六方密排,并开始呈现金属特性。氙在155 GPa压力以上完全进入金属态。这时候的氙会吸收红光,因此会呈天蓝色。这一特性在金属中较为罕见,原因是氙在金属态下的电子能带宽度较小。

氙的化合价为0,与其他零价元素同属于稀有气体,亦称惰性气体。氙对大部份化学反应都呈惰性(如燃烧反应),因为它有8个价电子。这使外层电子处于最低能量组态,因此非常稳定。但是,氙可以被强氧化剂氧化。迄今人们已合成了多种氙化合物。

当电弧通过装有氙气的玻璃管时,氙会被激发而发出蓝至淡紫色光。氙的发射谱线横跨整个可见光谱,[45]其最强的光谱线位于蓝光部份,所以整体发蓝光。

折叠 同位素

自然形成的氙共由8种稳定同位素组成,在各元素中排第二位。第一位是,其稳定同位素共有10个。稳定同位素数量高于7个的元素只有氙和。同位素124Xe和134Xe根据预测能够进行双重β衰变,但这未经实验证明,因此这两种同位素仍被认为是稳定的。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136Xe,它会进行双β衰变,半衰期为2.11×1021年。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,因此被用作探测核爆炸的发生。

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。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)。

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,在气态下持续数小时,并在深度冷冻的固态下持续数天。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。

氙的某些同位素,如133Xe和135Xe,可在核反应炉中对可以裂变物质进行中子照射产生。135Xe在核裂变反应炉中具有重要的作用。135Xe的热中子截面很高(2.6×106靶恩),因此可用作中子吸收剂或中子毒物,从而减慢或停止连锁反应。美国曼哈顿计划中用来产生钚元素的最早期反应炉就用到了氙的这一作用。135Xe在反应炉中作为中子毒物,对切尔诺贝尔核事故有着重要的影响。反应炉的关闭或功率的降低可以造成135Xe的积聚,使反应炉进入所谓的碘坑(或称氙坑)状态。

在不利条件下,高浓度的放射性氙同位素可以从核反应炉中释放出来,来源包括裂变产物从开裂的燃料棒中释出,或冷却水中的进行裂变。

陨石中的氙同位素比例可以用来研究太阳系的形成和演化。碘氙放射性定年法可以测定核合成至太阳星云中固体物体缩合之间的时间。1960年,物理学家约翰·雷诺(John H. Reynolds)发现某些陨石中的氙-129含量异常高。他推断这是碘-129的衰变产物。这一同位素可经宇宙射线散裂和核裂变缓慢产生,但只有在超新星爆炸中才能大量产生。由于碘-129的半衰期(1600万年)相对宇宙时长来说非常短,因此可推论从超新星爆炸到陨石凝固之间经过的时间很短。一颗超新星在太阳系形成前不久爆炸,产生碘-129同位素之余,可能也导致了前太阳气体云的收缩。

利用类似的方法,其他氙同位素比例也可以用来研究行星分化和气体释放过程,包括129Xe/130Xe和136Xe/130Xe。例如,火星大气层的氙含量与地球相似,约为百万分之0.08,但其129Xe比例比地球和太阳高。这一同位素是由放射性衰变产生的,所以火星很可能在形成后约1亿年以内丧失了大部份的原始大气。美国新墨西哥州二氧化碳井气中所发现的高比例129Xe是地球形成不久后经地幔核衰变产生的气体之一。

折叠 编辑本段 基本应用

尽管氙是一种稀有元素,从空气中的抽取成本亦较高,但是它仍有多个实际用途。

折叠 照明及光学

1、气体放电灯

氙可用于发光,应用包括:用于摄影的氙闪光灯,激发激光媒介以产生相干光,以及杀菌灯等。1960年发明的首个固态激光器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。

2、氙短弧灯

氙光照射下的亚特兰提斯号太空航天飞机

3、氙气放电管

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。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、高端战术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

等离子显示器中的发光体装有氙和,并经电极转化成等离子状态。该等离子体与电极之间的作用会产生紫外光,从而激发显示器前部的磷质涂层,发出可见光。

氙也被用于启动高压钠灯。氙的热导率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。

4、激光

1962年,贝尔实验室研究人员发现了氙的激光作用,又接着发现在激光介质中加入氦能够提升激光增益。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。氯化氙和氟化氙准分子也可用于激光器中。例如,皮肤病学就用到氯化氙准分子激光。

折叠 医学麻醉

氙是一种全身麻醉剂。氙较为昂贵,但由于回收循环技术的提升和成本的降低,使用氙的麻醉机将在不久后进入欧洲市场。

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。不过,与其他的NMDA受体拮抗剂不同的是,氙不具神经毒性,且能够抑制氯胺酮一氧化二氮的神经毒性。氙不会像氯胺酮一氧化二氮一样刺激伏隔核释放多巴胺

氙是血清素5-HT3的竞争性抑制剂。这并不产生麻醉或镇痛的效果,但可以减少麻醉剂相关的恶心和呕吐感。

氙在40岁人体内的最小肺泡浓度为72%,所以麻醉效果比N2O强44%。因此相对氧气的使用浓度无需太高,有助避免缺氧。另外与一氧化二氮不同的是,氙不是温室气体,所以较为环保。使用过后的氙可排放到大气中,这是氙气本身的来源,因此不会对环境造成破坏。

折叠 成像

放射性同位素133Xe的伽马射线可用来对心、肺和脑进行成像,例如单光子发射电脑摄影。133Xe也被用于测量血流。

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。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。

氙的原子质量较高,与混合后可作X射线摄影的造影剂。

折叠 核磁共振波谱法

由于氙拥有较大、较敏感的外电子层,所以其核磁共振光谱会对氙原子周围的化学条件有相应的变化。例如,溶于、疏水性溶剂和某些蛋白质的氙可通过核磁共振波谱法区分开来。

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。

折叠 其他

原子核物理学的气泡室可以使用氙。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,其中包括朝鲜。

正在美国国家航空航天局喷气对进实验室进行测试的氙离子发动机。

科学家利用液态氙热量计来测量伽马射线,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。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。

氙的电离能很低,是一种很好的航天器离子推力器推进剂。氙在室温下能够以液态储存,在推力器运作时可轻易转化为气体。由于氙的化学惰性,它不会对环境造成破坏,或像汞或铯等其他燃料一样侵蚀离子推进器。1970年代,某些人造卫星开始使用氙离子推进器。美国的深空一号和曙光号探测器以及欧洲的SMART-1飞行器都用到了氙离子推进器。

高氙酸盐可在分析化学中用作氧化剂。二氟化氙是一种腐蚀剂,应用在微机电系统中。二氟化氙与尿嘧啶反应后,会产生抗癌药物5-氟尿嘧啶。氙在X射线晶体学中可用来研究蛋白质的结构和功用。氙气在压力为0.5至5 MPa(5至50 atm)的时候,其原子会结合到蛋白质晶体的疏水性孔穴中。这一产物含有更高质量的原子,但不改变原先的晶体结构,因此可被用于解相位问题。

折叠 编辑本段 基本安全

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。

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。由于氙可溶于大部份塑料和橡胶,因此会从这些材料的容器中慢慢逃逸出去。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。

氙气中的音速为每秒169米,比空气中的音速低。[注 2]这是由于氙原子较氧和氮分子重,因此平均速度较低。当声道中充满氙气时,共振频率会降低。因此吸入氙气后说话的音色会比正常低沉,与吸入氦气后音色提高的现象相反。氙的麻醉效果比一氧化二氮强,而过量吸入氙气也会造成窒息。因此,许多大学在进行有关气体改变音色的化学演示时,已不再使用氙气,而改用分子量相近的六氟化硫气体。虽然过量吸入六氟化硫仍会造成窒息,但是它不具麻醉效果。

如果氙气与氧气混合,而氧气含量至少有20%,那人体是可以安全吸入的。80%氙气和20%氧气的混合气体会迅速使人失去意识,因此在医学手术中被用作全身麻醉剂。呼吸作用会有效地混合不同密度的气体,所以较重的氙气并不会积聚在肺的底部,而是会和其他气体一起呼出。然而如果大量氙气在密闭空间中泄漏出来,会在底部积聚。由于氙无色、无味,所以当人员进入该空间时,很可能会不经意地吸入大量的氙气。一般的氙气储存量并不足以导致这种情况的发生,但在任何缺乏通风的空间中存放氙都具有以上的潜在危险。

折叠 编辑本段 用途制备

折叠 用途

广泛用于电子、电光源工业。用氙气充填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。由于它的透雾能力特别强常用作有雾导航灯,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。在医学方面,氙是一种没有副作用的深度麻醉剂X光摄影的造影剂。

折叠 制法

⒈空分法:从空分装置中提取氪、氙混合气,经精馏提取贫氪、清除碳氢化合物、二氧化碳、分离、精制制得99.99%的纯氙。

⒉由合成氨尾气中提取氙,在尾气提氩工艺流程中甲烷塔的液甲烷中含有的氪、氙再经精馏、洗涤、除氧、吸附、解吸后可制得95%氙。

折叠 安全性

属不燃气体,危规编号:GB 2.2类22015。UNNO.2036。IMDG CODE 2188页2.2类。(压缩的)GB 2.2类22016。UNNO.2591。IMDG CODE 2188页,2.2类。(液化的)。用6m3钢瓶或2L安瓿瓶包装外用木箱或纸箱保护。

贮存于阴凉、干燥处。防高温。贮运装卸过程中轻拿轻放,谨防包装破损。失火时可用水和各种灭火器扑救。

折叠 编辑本段 基本综述

氙气化学性质不活泼。能跟氢醌苯酚等形成弱键包合物,在加热或紫外线照射、放电条件下,氙可跟氟直接化合生成XeF2、XeF4、XeF6等氟化物,XeF4和XeF6强烈水解可得到XeO6或XeOF4等。在电场作用下能发出强烈的白光。用于制高压长弧氙灯(俗称人造小太阳),产生紫外线的高压电弧灯、闪光灯、中子计数器,X射线计数器,还用作麻醉剂、原子反应堆中的中子吸收剂、充填闸流管和探测宇宙线用的电离室。1898年英国人拉姆塞和特拉威斯在分馏液态氪的混合物时,通过光谱分析发现了氙。在空气中含有9×10%(体积)。工业上用分馏液体空气提取。

在弧光放电中,电子与气体发生弹性碰撞损失的能量同气体的原子量成反比,所以与其他稀有气体相比氙气弧光放电时损失较小,发光效率高。同时,氙气的电离电势较低,放电时电极附近的电压降小,这样可以延长电极的寿命。又由于氙原子结构的特点,长弧氙灯发出的光谱和日光非常接近,所以汽车灯里充入氙气比充入其它的气体效果好,这也是氙气灯的最大特点。

折叠 编辑本段 环境影响

折叠 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。

折叠 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。

折叠 现场应急监测方法

便携式仪器法

折叠 实验室监测方法

气相色谱法,参照《分析化学手册》(第四分册,色谱分析),化学工业出版社

折叠 应急处理处置方法

一、泄漏应急处理

迅速撤离泄漏污染区人员至上风处,并进行隔离,严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器,穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风,加速扩散。如有可能,即时使用。漏气容器要妥善处理,修复、检验后再用。

二、防护措施

呼吸系统防护:一般不需特殊防护。但当作业场所空气中氧气浓度低于18%时,必须佩戴空气呼吸器、氧气呼吸器或长管面具。

眼睛防护:一般不需特殊防护。

身体防护:穿一般作业工作服。

手防护:戴一般作业防护手套。

其它:避免高浓度吸入。进入罐、限制性空间或其它高浓度区作业,须有人监护。

三、急救措施

吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。

灭火方法:该品不燃。切断气源。喷水冷却容器,可能的话将容器从火场移至空旷处。

安全信息

  • 危险类别:2.2
  • 危险品运输编码:UN20362.2
  • WGKGermany:3
  • 安全说明:S9-S38
  • 危险品标志:T

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元素周期表

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