氙（高发光强度惰性气体）
VLoG
次浏览
更新时间：2023-05-20
氙
高发光强度惰性气体
氙核外电子排布图
氙（英语：Xenon），稀有气体，位于元素周期表的第五周期0族，化学符号为Xe，原子序数为54，原子量为131.3，是一种无色无味的惰性单原子气体，化学性质极为稳定。氙于1898年由发现了氖、氩、氪的英国化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）和莫里斯·特拉维斯（Morris Travers）发现，在真空管中可以电离发光，发出漂亮的蓝绿色光。自然产生的氙由9种稳定同位素组成，除了其余稳定的同位素之外，氙还有40多种能够进行放射性衰变的不稳定同位素。空气是氙的唯一来源，目前氙广泛应用于照明行业，填充汽车灯和闪光灯，此外还应用于医用麻醉剂、紫外线灯等。氙气本身作为惰性气体，无毒，不可燃。
基本信息
中文名
氙
英文名
Xenon
元素符号
Xe
原子序数
54
原子质量
131.3
元素类别
非金属元素
族
0族
周期
第五周期
区
p区
电子排布
[Kr]4d¹⁰5s²5p⁶
CAS编号
7440-63-3
物理性质
物态
气态
密度
5.8971 g/cm³（0 ℃，101.325 kPa）
熔点
-111.9 ℃(101 KPa)
沸点
-108.11 ℃(101 KPa)
临界点
16.59 ℃，5764 kPa
熔化热
2.27 KJ/mol
汽化热
12.64 KJ/mol
原子性质
氧化态
0,+1,+2,+4,+6,+8
电负性
2.6（鲍林标度）
原子半径
4.05 Å
发现历史
1894年至1898年，英国化学家威廉·拉姆齐（Williiam Ramsay）及其助手莫理丝·特拉维斯（Morris Travers）在分离液态空气时先后发现了惰性气体氪、氩、氖。1898年6月，拉姆齐和特拉维斯在工业家路德维希·蒙德（Ludwig Mond）提供的液体空气机器中分离气体，分离之后在真空管中检查了较重的气体，发现气体发出了美丽的蓝色光芒。拉姆齐和特拉维斯将这种新气体归类为惰性气体，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两千万分之一。
氙气作为一种惰性气体，化学家们一直以为其无法形成化合物。直到1962年，英国化学家尼尔·巴特莱特（Neil Bartlett）与他的学生洛赫曼（D.Lohman）在实验室重复美国阿拉贡国家实验室的实验时，发现六氟化铂（PtF₆）气体是一种强氧化剂，能够氧化氧气，形成六氟合铂酸氧（O₂⁺[PtF₆]⁻），巴特莱特由此猜想，氙也有被六氟化铂氧化的可能。1962年3月，巴特莱特将氙和六氟化铂混合后得到了第一种稀有气体的化合物——六氟合铂酸氙。巴特莱特将其整理成论文发布在《化学学会学报》上，尽管这篇论文不到半页纸长，但它很快成为科学的里程碑，标志着稀有气体化学领域的真正开端。至此，惰性气体更名为稀有气体。此后，多种氙的化合物被陆续发现，同时还发现了许多其他稀有气体的化合物。
分布情况
氙存在于地球的大气层中，属于微量气体，含量约为地球空气的1150万分之一。地球上的氙存量很低，这可能是由于氙和氧在石英中产生共价键，从而减少氙被释入大气层的量。部分研究表明，氙气也可以从温泉水或者天然矿泉水中释放。从大气层中提取一升氙气需要大量能量。
化学结构
氙原子的电子组态为[Kr]4d¹⁰5s²5p⁶，核外电子均匀排布，含有8个价电子，使外层电子处于最低能量排布，原子核对核外电子束缚较强，因此氙原子不易得失原子。这导致氙的化学性质不活泼。氙的化合价最常见的为0价，除此之外还有+1价、+2价、+4价、+6价及+8价，对大部分化学反应都呈惰性（如燃烧反应）。
理化性质
物理性质
氙是一种无色、无臭、无味的单原子气体，在空气中以痕量存在，人类无法依靠自己的器官辨别。在标准温度（273.15 K）和压力（100 kPa）下，氙的密度为5.8971 g/cm³，介电常数为1.001238（298K，101.325kPa）。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。氙不溶于水。
化学性质
氙属于稀有气体，对大多数化学反应呈惰性。其电子排布会形成稳定的低能排布，此时外层电子紧紧束缚在原子中。氙是稀有气体中最早发现化合物的气体，可以与强氧化剂反应。自1962年巴特莱特发现了六氟合铂酸氙（XePtF₆），打破了“所有氦族气体在化学上是完全不能反应的”的观点后，科学家们还发现了许多其他的氙化合物，其共同点是：几乎所有的氙化合物都含有电负性高的氟或氧。
包合物
包合物往往是大分子包容小分子，靠分子间的范德华力结合。能否形成包合物还决定于包容分子与被包容分子间的几何因素是否合适。根据包容分子构成的形状，包合物分为管状包合物和笼状包合物。氙被包容在笼状分子内，即包容分子构成笼状晶格，氙分子充填其中。
氙可以形成内嵌富勒烯化合物，即内嵌氙原子的富勒烯分子。富勒烯里面的氙原子可以通过¹²⁹Xe核磁共振光谱分析来观测。科学家可利用这种方法分析富勒烯分子的化学反应，因为其中的氙原子对周围环境十分敏感，并进行化学位移。然而，氙原子也会对富勒烯的化学活性产生影响。日常工业中，氙能与水、对苯二酚和苯酚等形成弱键包合物。最稳定的是CCl₄·2Xe·17H₂O，常压下13.7 ℃时才会发生水解。
氙的卤化物
在氟化氙的质谱研究过程中，检测到了离子Xe₂F⁺、XeF⁺、Xe₂F₃⁺、Xe₂F₅⁺、XeF₃⁺和Xe₂F₇⁺。化合物XeCl₂、XeCl₄和XeBr₂被检测为¹²⁹Cl₂和¹²⁹Cl₄的β衰变的高度不稳定产物。此外，XeCl₂被检测为通过氙和氯的混合物放电后获得的低温冷凝液的成分。
氙的氟化物之间可以相互转化，XeF₂与氟的反应可得到XeF₄，反应方程如下所示。
通过辐照XeF₆，可以定量获得纯XeF₄。XeF₆在43 ℃以下为无色，43 ℃以上为黄色，液体呈黄色，蒸汽呈黄绿色。
氙的氧化物和氟氧化物
氙的氟化物易发生水解反应制得氙的氧化物以及氙氟氧化物。
氟化物水解制备氧化物
目前已知的氙氧化物有XeO₃，XeO₄。XeO₃可通过水解XeF₆获得，或通过XeF₄或XeOF₄的歧化。反应方程如下所示。
除XeO₃外，XeO₄可利用糠酸硫酸对氙酸盐（最好是Ba₂XeO₆）的缓慢作用产生气态XeO₄，XeO₄可在196 ℃冷凝为淡黄色固体，并在70 ℃下升华纯化。XeO₄在0 ℃时，蒸气压为3.3 kPa；在35 ℃时，蒸汽压为0.4 kPa。XeO₄极不稳定，极易爆炸，温度超过40 ℃，XeO₄就会意外爆炸。
氟化物水解制备氟氧化物
八价氙的氧化物氟化物非常不稳定。XeO₄与XeF₆的反应可以生成XeO₃F₂和XeOF₄。但是除了稳定的过氙酸盐外，氙的+8氧化状态并不容易获得。
同位素
氙有九种稳定同位素，都没有放射性，被广泛应用于医学、惯性导航技术、基础物理研究以及放射性同位素生产等诸多领域。分离氙同位素的方法目前仍然依赖于专用设备采用气体离心法分离。各同位素及其天然含量分别为：
同位素 | 含量 |
¹²⁴Xe | 0.094% |
¹²⁶Xe | 0.089% |
¹²⁸Xe | 1.875% |
¹²⁹Xe | 26.074% |
¹³⁰Xe | 4.011% |
¹³¹Xe | 21.210% |
¹³²Xe | 27.108% |
¹³⁴Xe | 10.451% |
¹³⁶Xe | 9.088% |
应用最广的氙同位素主要有¹²⁴Xe、¹²⁹Xe、¹³¹Xe和¹³⁶Xe四种同位素。
¹²⁴Xe可以作为初始靶材，通过反应堆中的中子辐照得到¹²⁵Xe，¹²⁵Xe经β衰变后生成放射性同位素¹²⁵I。¹²⁵I的半衰期为13h、γ射线能量低（159keV）且无β辐射，对人体产生的辐射损伤小，因此¹²⁵I被广泛用于肿瘤、心脏和神经系统疾病的研究和临床诊断等方面。¹²⁹Xe和¹³¹Xe是核磁共振陀螺仪的关键实验材料，大部分同位素均用于科研工作。
制备方法
氙的工业应用极其广泛，目前广泛应用于汽车工业、医学、测量、通讯、照明等各行业。但是由于氙的天然含量低、分离提纯难度大、能耗大且成本高，因此研究者们不断探寻出经济可行且分离高效的氙气捕集方法，目前已经开发出了低温蒸馏法、溶剂吸收法与催化反应法，在研究的还有膜分离法与吸附分离法。
低温蒸馏法
在工业生产中，蒸馏或吸附方法生产的氙气可满足一般的应用要求。目前使用最广泛的是低温蒸馏法。
低温蒸馏法的原理是：根据组分沸点差异，采用机械方法通过把空气压缩、冷却液化进行精馏。在蒸发过程中，首先，低沸点组分先蒸发（如N₂、O₂和Ar等），其次高沸点组分（如Kr、Xe等）富集，最后空气中的各组分以高沸点富集、低沸点蒸发的原理进行分离。具体反应流程如下图所示。
图3装置流程图
低温精馏技术的优点是：技术成熟，目前广泛应用于大气或乏燃料后处理技术（UNF）处理尾气中低浓度Xe的分离富集。低温精馏技术的缺点是：流程复杂、设备庞大、能耗巨大等。
溶剂吸收法
溶剂吸收法的原理是：利用气体在吸收溶剂中溶解度的不同，吸收和分离Xe气体混合物组分。在特定的溶剂中，Xe的溶解度和分离因子都与操作温度和压力有关。在部分溶剂中的分离因子高，极易分离。
溶液吸收法的优点是：分离简单快捷方便。溶液吸收法的缺点是：关键设备复杂、操作成本高、使用的压力高、操作条件要求较高；在解吸过程中容易溶剂损失，成本较高。
催化反应法
催化反应法的原理是：利用催化剂使组分中杂质发生化学反应，再将生成物去除，达到净化提纯目的，这种方法往往与吸附法联用。在氪、氙精制系统中，危险、有害杂质-甲烷等碳氢化合物的去除，就是用专用催化剂使其在氧氛围中燃烧，生成二氧化碳和水分，再用专用吸附剂将二氧化碳和水分吸收、净化。催化反应法的关键是催化剂的选择应用。
以上各类制备方法在氙气制备过程中不是单一应用，而是根据需要联合、多次地运用，才能得到高纯度的产品。
膜分离法与吸附分离法
膜分离法的基本原理是：利用不同稀有气体在压力作用下可以在膜中产生吸附、扩散、渗透速率的差异，从而实现气体的分离。在膜分离的过程中，低压外侧富集了扩散速率大的气体（如O₂、CO₂、H₂O等），高压内侧富集了渗透速率小的气体（如N₂、Kr和Xe），由此空气中的稀有气体便可被分离出来。
膜分离法目前还在研究当中，还未推广到工厂使用。膜分离法的优点是分离方法简单便捷，但缺点也十分明显，其效率相对较低，很难实现空气中Xe的高效捕集；另外，膜材料易损及驱动力能耗较大也制约了膜的广泛应用。此外，目前实验室内还在研究的还有多孔吸附材料的吸附分离法等分离方法，分离效率较膜分离法高，但是仍在研究阶段，未来前景广阔。
元素用途
光学应用
1930年代，美国工程师哈罗德·尤金·艾杰顿（Harold Eugene Edgerton）发明了氙闪光灯，电流短暂通过含有氙气的玻璃管使其发光。之后又逐渐作为激发激光媒介以产生相干光，还可以作为杀菌灯等。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。1940年氙弧灯进入市场后，这种光源就被广泛应用，目前仍然被用在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、高端军用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。氙也被用于启动高压钠灯。
1962年，贝尔实验室研究人员发现了氙的激光作用，之后在研究中发现在激光介质中加入氦能够提升激光的准确度和亮度。由此，氙气也被用于激光作用。
医学应用
氙气具有理想吸入麻醉药的许多特性，如高度的化学稳定性、无代谢产物、组织器官毒性小、具有镇痛效应、诱导和苏醒迅速等，2001年作为药物进入市场。氙对细胞膜的作用类似于挥发性麻醉药，能够抑制细胞膜Ca²⁺离子泵，使得神经元Ca²⁺浓度增加，改变兴奋性。氙的镇痛原理则是通过抑制N-甲基-天冬氨酸受体进而抑制脊髓后角神经元对伤害性刺激的感受。
电子产业应用
工作媒质
平板显示器市场，尤其是等离子电视对氖和氙的需求增加起到了很大的作用。等离子显示屏（PDP）用于生产大尺寸的电视显示器（一般32英寸以上），等离子显示屏在两个玻璃屏之间排列有上千个密封的小低压气体室。室内充入氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质。
电子芯片制造
氙气的最新用途是用在电子芯片制造业，也是目前氙需求增长及对氙投机买卖的最重要原因，几家大型芯片制造商正使用氙气等离子蚀刻，主要用于微电子机械系统（MEMS）的制造。MEMS设备可将微电子和微机械集成为一个整体，能在一块芯片上制作更复杂及功效更强的电路。这种技术从根本上把电脑芯片（处理数据）和传感器（收集数据）结合到一个元件上，可以批量生产，氙气蚀刻工艺就由一些半导体制造商用于生产这种可以广泛应用的电子芯片。
研究应用
氙也可用于大部分需要高分子（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¹³³Xe和¹³⁵Xe。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。
¹²⁹Xe和¹³¹Xe具有非零的固有角动量，可用于核磁共振，因此运用于陀螺仪，可使陀螺仪通过数学变换测量运载体行进的距离、速度、角速度及姿态信息，¹²⁹Xe和¹³¹Xe被广泛应用于在航天、航空、航海等领域的各种运载体中。
用于卫星发射的离子发动机和离子浆推进器使用燃料氙气，由于氙气重量和密度很重，重量约是空气的4.5倍重，主要用作卫星的轨道位置保持和机动控制。氙气的非冷凝性质，使离子火箭发动机几乎可以立即起动或关机，简化配电系统和绝缘器设计。
安全防护
氙气是一种惰性气体，无毒、不可燃。但是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，这些化合物还具有爆炸性，正常生活中每天与它们接触的可能性很小。
爆炸
在氙生产的过程中伴随着大量的氧气，氧气是助燃的，而且在标准的状态下以气态的形式存在，极易形成安全隐患，造成安全事故。发生事故的主要原因是，当单元气体改为三元气体和甲烷时，气体的清除系统存在一定的漏点，易造成爆炸。
窒息
过量吸入氙气会造成窒息，如果氙气与氧气混合，氙氧混合气体中的氙气少于80%，人类可以安全呼入，而80%氙气和20%氧气的混合气体会迅速使人失去意识。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。
吸入急救
如果工作人员吸入了大量的氙气，应迅速将其脱离现场至空气新鲜处，除去口鼻处遮挡物以及衣物，保持其呼吸道通畅。情况严重或吸入量过多时立即就医。如呼吸困难，立即进行输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。
呼吸系统防护
火场泄露应急处理
氙气作为惰性气体，是一种不燃气体，但仍有一定的危险性。如果在火场发生了容器泄露事件，工作人员或消防人员应立即切断气源，并喷水冷却容器，立即将容器从火场移至空旷处。
操作处置与储存
操作注意事项
密闭操作，提供良好的自然通风条件。操作人员必须经操作注意事项专门培训，严格遵守操作规程。防止气体泄漏到工作场所空气中。远离易燃、可燃物。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。配备泄露应急处理设备。
储存注意事项
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30 °C。应与易（可）燃物分开存放，切忌混储。储区应备有泄漏应急处理设备。
