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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(yǔ)：Xenon），稀有氣體，位于元素周期表的第五周期0族，化學(xué)符號為Xe，原子序數為54，原子量為131.3，是一種無(wú)色無(wú)味的惰性單原子氣體，化學(xué)性質(zhì)極為穩定。氙于1898年由發(fā)現了氖、氬、氪的英國化學(xué)家威廉·拉姆齊（William Ramsay）和莫里斯·特拉維斯（Morris Travers）發(fā)現，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(chǎn)生的氙由9種穩定同位素組成，除了其余穩定的同位素之外，氙還有40多種能夠進(jìn)行放射性衰變的不穩定同位素?？諝馐请奈ㄒ粊?lái)源，目前氙廣泛應用于照明行業(yè)，填充汽車(chē)燈和閃光燈，此外還應用于醫用麻醉劑、紫外線(xiàn)燈等。氙氣本身作為惰性氣體，無(wú)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
54
原子質(zhì)量
131.3
元素類(lèi)別
非金屬元素
族
0族
周期
第五周期
區
p區
電子排布
[Kr]4d1?5s25p?
CAS編號
7440-63-3
物理性質(zhì)
物態(tài)
氣態(tài)
密度
5.8971 g/cm3（0 ℃，101.325 kPa）
熔點(diǎn)
-111.9 ℃(101 KPa)
沸點(diǎn)
-108.11 ℃(101 KPa)
臨界點(diǎn)
16.59 ℃，5764 kPa
熔化熱
2.27 KJ/mol
汽化熱
12.64 KJ/mol
原子性質(zhì)
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)現歷史
1894年至1898年，英國化學(xué)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(shí)先后發(fā)現了惰性氣體氪、氬、氖。1898年6月，拉姆齊和特拉維斯在工業(yè)家路德維?！っ傻拢↙udwig 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(lèi)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(yǔ)“ξ?νον”（xenon），即“ξ?νο?”（xenos）的中性單數形，意為“外來(lái)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(wàn)分之一。
氙氣作為一種惰性氣體，化學(xué)家們一直以為其無(wú)法形成化合物。直到1962年，英國化學(xué)家尼爾·巴特萊特（Neil Bartlett）與他的學(xué)生洛赫曼（D.Lohman）在實(shí)驗室重復美國阿拉貢國家實(shí)驗室的實(shí)驗時(shí)，發(fā)現六氟化鉑（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(xué)學(xué)會(huì )學(xué)報》上，盡管這篇論文不到半頁(yè)紙長(cháng)，但它很快成為科學(xué)的里程碑，標志著(zhù)稀有氣體化學(xué)領(lǐng)域的真正開(kāi)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發(fā)現，同時(shí)還發(fā)現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(wàn)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(chǎn)生共價(jià)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。
在太陽(yáng)系以?xún)?，氙元素的質(zhì)量豐度為六十三萬(wàn)分之一，氙元素的核素比例為1.56×10??，太陽(yáng)大氣層、地球、小行星及彗星中的氙含量很低。木星大氣層含有異常高的氙元素，含量約為太陽(yáng)的2.6倍。
化學(xué)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(gè)價(jià)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(xué)性質(zhì)不活潑。氙的化合價(jià)最常見(jiàn)的為0價(jià)，除此之外還有+1價(jià)、+2價(jià)、+4價(jià)、+6價(jià)及+8價(jià)，對大部分化學(xué)反應都呈惰性（如燃燒反應）。
氙原子作為惰性氣體，以單原子的形式存在，電子層完全充滿(mǎn)，在低溫下氙原子與氙原子之間通過(guò)微弱的范德華力（van der Waals force）凝聚成晶體，原子作立方最緊密型堆積，晶胞為面心立方晶胞。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
氙是一種無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味的單原子氣體，在空氣中以痕量存在，人類(lèi)無(wú)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，介電常數為1.001238（298K，101.325kPa）。當電弧通過(guò)裝有氙氣的玻璃管時(shí)，氙會(huì )被激發(fā)而發(fā)出藍至淡紫色光。氙不溶于水。
化學(xué)性質(zhì)
氙屬于稀有氣體，對大多數化學(xué)反應呈惰性。其電子排布會(huì )形成穩定的低能排布，此時(shí)外層電子緊緊束縛在原子中。氙是稀有氣體中最早發(fā)現化合物的氣體，可以與強氧化劑反應。自1962年巴特萊特發(fā)現了六氟合鉑酸氙（XePtF?），打破了“所有氦族氣體在化學(xué)上是完全不能反應的”的觀(guān)點(diǎn)后，科學(xué)家們還發(fā)現了許多其他的氙化合物，其共同點(diǎn)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(guò)12?Xe核磁共振光譜分析來(lái)觀(guān)測?？茖W(xué)家可利用這種方法分析富勒烯分子的化學(xué)反應，因為其中的氙原子對周?chē)h(huán)境十分敏感，并進(jìn)行化學(xué)位移。然而，氙原子也會(huì )對富勒烯的化學(xué)活性產(chǎn)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。最穩定的是CCl?·2Xe·17H?O，常壓下13.7 ℃時(shí)才會(huì )發(fā)生水解。
氙的鹵化物
在氟化氙的質(zhì)譜研究過(guò)程中，檢測到了離子X(jué)e?F?、XeF?、Xe?F??、Xe?F??、XeF??和Xe?F???；衔颴eCl?、XeCl?和XeBr?被檢測為12?Cl?和12?Cl?的β衰變的高度不穩定產(chǎn)物。此外，XeCl?被檢測為通過(guò)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(guò)輻照XeF?，可以定量獲得純XeF?。XeF?在43 ℃以下為無(wú)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(guò)水解XeF?獲得，或通過(guò)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(chǎn)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(shí)，蒸氣壓為3.3 kPa；在35 ℃時(shí)，蒸汽壓為0.4 kPa。XeO?極不穩定，極易爆炸，溫度超過(guò)40 ℃，XeO?就會(huì )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(guò)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℃左右為亞穩態(tài)。
XeO?F?和XeO?F?可以通過(guò)XeF?的水解（反應方程如下所示）、SiO?與XeF?的反應或XeF?與XeO?的共比例反應來(lái)制備。前者形成對水解敏感的淡黃色晶體，而后者是無(wú)色、易于水解的液體。
八價(jià)氙的氧化物氟化物非常不穩定。XeO?與XeF?的反應可以生成XeO?F?和XeOF?。但是除了穩定的過(guò)氙酸鹽外，氙的+8氧化狀態(tài)并不容易獲得。
同位素
氙有九種穩定同位素，都沒(méi)有放射性，被廣泛應用于醫學(xué)、慣性導航技術(shù)、基礎物理研究以及放射性同位素生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。分離氙同位素的方法目前仍然依賴(lài)于專(zhuān)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(guò)反應堆中的中子輻照得到12?Xe，12?Xe經(jīng)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(xiàn)能量低（159keV）且無(wú)β輻射，對人體產(chǎn)生的輻射損傷小，因此12?I被廣泛用于腫瘤、心臟和神經(jīng)系統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(guān)鍵實(shí)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(chē)工業(yè)、醫學(xué)、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(jīng)濟可行且分離高效的氙氣捕集方法，目前已經(jīng)開(kāi)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(chǎn)中，蒸餾或吸附方法生產(chǎn)的氙氣可滿(mǎn)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：根據組分沸點(diǎn)差異，采用機械方法通過(guò)把空氣壓縮、冷卻液化進(jìn)行精餾。在蒸發(fā)過(guò)程中，首先，低沸點(diǎn)組分先蒸發(fā)（如N?、O?和Ar等），其次高沸點(diǎn)組分（如Kr、Xe等）富集，最后空氣中的各組分以高沸點(diǎn)富集、低沸點(diǎn)蒸發(fā)的原理進(jìn)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)成熟，目前廣泛應用于大氣或乏燃料后處理技術(shù)（UNF）處理尾氣中低濃度Xe的分離富集。低溫精餾技術(shù)的缺點(diǎn)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(guān)。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(diǎn)是：分離簡(jiǎn)單快捷方便。溶液吸收法的缺點(diǎn)是：關(guān)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(guò)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(zhì)發(fā)生化學(xué)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、氙精制系統中，危險、有害雜質(zhì)-甲烷等碳氫化合物的去除，就是用專(zhuān)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(zhuān)用吸附劑將二氧化碳和水分吸收、凈化。催化反應法的關(guān)鍵是催化劑的選擇應用。
以上各類(lèi)制備方法在氙氣制備過(guò)程中不是單一應用，而是根據需要聯(lián)合、多次地運用，才能得到高純度的產(chǎn)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(chǎn)生吸附、擴散、滲透速率的差異，從而實(shí)現氣體的分離。在膜分離的過(guò)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(lái)。
膜分離法目前還在研究當中，還未推廣到工廠(chǎng)使用。膜分離法的優(yōu)點(diǎn)是分離方法簡(jiǎn)單便捷，但缺點(diǎn)也十分明顯，其效率相對較低，很難實(shí)現空氣中Xe的高效捕集；另外，膜材料易損及驅動(dòng)力能耗較大也制約了膜的廣泛應用。此外，目前實(shí)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(lái)前景廣闊。
元素用途
光學(xué)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(guò)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(chǎn)生相干光，還可以作為殺菌燈等。1960年發(fā)明的首個(gè)固態(tài)激光器及推動(dòng)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(jìn)入市場(chǎng)后，這種光源就被廣泛應用，目前仍然被用在IMAX和新型數碼投影機的電影投影、高強度氣體放電燈車(chē)頭燈、高端軍用電筒以及其他專(zhuān)業(yè)用途。這種弧燈能發(fā)出短波長(cháng)紫外線(xiàn)，以及可被用于夜視鏡的近紅外線(xiàn)。氙也被用于啟動(dòng)高壓鈉燈。
1962年，貝爾實(shí)驗室研究人員發(fā)現了氙的激光作用，之后在研究中發(fā)現在激光介質(zhì)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。
醫學(xué)應用
133Xe可用于測定肺殘氣量以及換肺氣功能等。133Xe清出曲線(xiàn)以及133Xe半清出時(shí)間等測定可用于肺功能分區的觀(guān)察，配合肺掃描能夠幫助診斷和研究呼吸系統的某些疾病。
氙氣具有理想吸入麻醉藥的許多特性，如高度的化學(xué)穩定性、無(wú)代謝產(chǎn)物、組織器官毒性小、具有鎮痛效應、誘導和蘇醒迅速等，2001年作為藥物進(jìn)入市場(chǎng)。氙對細胞膜的作用類(lèi)似于揮發(fā)性麻醉藥，能夠抑制細胞膜Ca2?離子泵，使得神經(jīng)元Ca2?濃度增加，改變興奮性。氙的鎮痛原理則是通過(guò)抑制N-甲基-天冬氨酸受體進(jìn)而抑制脊髓后角神經(jīng)元對傷害性刺激的感受。
電子產(chǎn)業(yè)應用
工作媒質(zhì)
平板顯示器市場(chǎng)，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(chǎn)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(gè)玻璃屏之間排列有上千個(gè)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(zhì)。
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(cháng)及對氙投機買(mǎi)賣(mài)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（MEMS）的制造。MEMS設備可將微電子和微機械集成為一個(gè)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(shù)從根本上把電腦芯片（處理數據）和傳感器（收集數據）結合到一個(gè)元件上，可以批量生產(chǎn)，氙氣蝕刻工藝就由一些半導體制造商用于生產(chǎn)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(zhì)量、低反應性物質(zhì)的用途。核武器試驗所產(chǎn)生的副產(chǎn)品中有具放射性的133Xe和13?Xe。通過(guò)測量這些同位素，人們可以判斷是否有國家進(jìn)行核試驗。
12?Xe和131Xe具有非零的固有角動(dòng)量，可用于核磁共振，因此運用于陀螺儀，可使陀螺儀通過(guò)數學(xué)變換測量運載體行進(jìn)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(lǐng)域的各種運載體中。
用于衛星發(fā)射的離子發(fā)動(dòng)機和離子漿推進(jìn)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，主要用作衛星的軌道位置保持和機動(dòng)控制。氙氣的非冷凝性質(zhì)，使離子火箭發(fā)動(dòng)機幾乎可以立即起動(dòng)或關(guān)機，簡(jiǎn)化配電系統和絕緣器設計。
安全防護
氙氣是一種惰性氣體，無(wú)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(shí)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(chǎn)的過(guò)程中伴隨著(zhù)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(shí)，氣體的清除系統存在一定的漏點(diǎn)，易造成爆炸。
窒息
過(guò)量吸入氙氣會(huì )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(lèi)可以安全呼入，而80%氙氣和20%氧氣的混合氣體會(huì )迅速使人失去意識。呼吸作用會(huì )有效地混合不同密度的氣體，所以較重的氙氣并不會(huì )積聚在肺的底部，而是會(huì )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(lái)，會(huì )在底部積聚。由于氙無(wú)色、無(wú)味，所以當人員進(jìn)入該空間時(shí)，很可能會(huì )不經(jīng)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(fēng)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，應迅速將其脫離現場(chǎng)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(guò)多時(shí)立即就醫。如呼吸困難，立即進(jìn)行輸氧。如呼吸停止，立即進(jìn)行人工呼吸。
呼吸系統防護
火場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(fēng)條件。操作人員必須經(jīng)操作注意事項專(zhuān)門(mén)培訓，嚴格遵守操作規程。防止氣體泄漏到工作場(chǎng)所空氣中。遠離易燃、可燃物。搬運時(shí)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(fēng)的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過(guò)30 °C。應與易（可）燃物分開(kāi)存放，切忌混儲。儲區應備有泄漏應急處理設備。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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