Хе – ксенон

Инертные газы обнаружены в атмосфере в 1894 году. После того как были открыты гелий, неон, аргон и криптон, завершающие четыре первых периода таблицы Менделеева, уже не вызывало сомнений, что пятый и шестой периоды тоже должны оканчиваться инертным газом.

Но найти их удалось не сразу. Это и не удивительно: в 1 м³ воздуха 9,3 л аргона и всего лишь 0,08 мл ксенона.

Но к тому же времени стараниями учёных, прежде всего англичанина Траверса©, появилась возможность получать значительные количества жидкого воздуха. Стал доступен даже жидкий водород. Благодаря этому Рамзай совместно с Траверсом смог заняться исследованием наиболее труднолетучей фракции воздуха, получающейся после отгонки гелия, водорода, неона, кислорода, азота и аргона. Остаток содержал сырой (то есть неочищенный) криптон. Однако после откачки его в сосуде остался пузырёк газа. Этот газ голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с линиями в областях от оранжевой до фиолетовой.

Характерные спектральные линии – визитная карточка элемента. У Рамзая и Траверса были все основания считать, что открыт новый инертный газ. Его назвали ксеноном, что в переводе с греческого значит «чужой»: в криптоновой фракции воздуха он действительно выглядел чужаком.

В поисках нового элемента и для изучения его свойств Рамзай и Траверс переработали около 100 т жидкого воздуха; индивидуальность ксенона как нового химического элемента они установили, оперируя всего 0,2 см³ этого газа. Необычайная для того времени тонкость эксперимента!

Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне малó, именно воздух – практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый – потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.

Процесс выделения благородных газов из воздуха описан многократно. Воздух, очищенный предварительно от углекислоты и влаги, сжижают, а затем начинают испарять. Сначала «летят» более лёгкие газы. После испарения основной массы воздуха рассортировывают оставшиеся тяжёлые инертные газы.

Любопытно, что с точки зрения химика ксенон на самом деле оказался «чужим» среди инертных газов. Он первым вступил в химическую реакцию, первым образовал устойчивое соединение. И потому сделал неуместным сам термин «инертные газы».

Ксенон вступает в реакции

Когда-то сочетание слов «химия ксенона» казалось абсурдным. И всё же дерзкая мысль о том, что ксенон может образовывать устойчивые соединения с галогенами, приходила в голову многим учёным. Так, ещё в 1924 году высказывалась идея, что некоторые соединения тяжёлых инертных газов (в частности, хлориды и фториды ксенона) термодинамически вполне стабильны и могут существовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали и развили известные теоретики – Полинг и Оддо.

Изучение электронной структуры оболочек криптона и ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению, что эти газы в состоянии образовывать устойчивые соединения с фтором. Нашлись и экспериментаторы, решившие проверить гипотезу, но шло время, ставились опыты, а фторид ксенона не получался. В результате почти все работы в этой области были прекращены, и мнение об абсолютной инертности благородных газов утвердилось окончательно.

Однако в 1961 году Бартлетт, сотрудник одного из университетов Канады, изучая свойства гексафторида платины – соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации ксенона ниже, чем у кислорода (12,13 и 12,20 эВ соответственно). Между тем кислород образовывал с гексафторидом платины соединение состава O2PtF6… Бартлетт ставил опыт и при комнатной температуре из газообразного гексафторида платины и газообразного ксенона получает твёрдое оранжево-жёлтое вещество – гексафтороплатинат ксенона ХеPtF6, поведение которого ничем не отличается от поведения обычных химических соединений. При нагревании в вакууме ХеPtF6 возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяя ксенон:

2XePtF6 + 6H2O → 2Xe + O2 + 2PtO2 + 12HF.

Последующие работы Бартлетта позволили установить, что ксенон в зависимости от условий реакции образует два соединения с гексафторидом платины:XePtF6 и Xe(PtF6)2;при гидролизе их получается одни и те же конечные продукты.

Убедившись, что ксенон действительно вступил в реакцию с гексафторидом платины, Бартлетт выступил с докладом и в 1962 году опубликовал в журнале «Proceedings of the Chemical Society» статью, посвящённую сделанному им открытию. Статья вызвала огргмный интерес, хотя многие химики отнеслись к ней с нескрываемым недоверием. Но уже через три недели эксперимент Бартлетта повторила группа американских исследователей во главе с Черником в Аргоннской национальной лаборатории. Кроме того, они впервые синтезировали аналогичные соединения ксенона с гексафторидами рутения, родия и плутония. Так были открыты первые пять соединений ксенона: Xe[PtF6], Xe(PtF6)2, Xe[RuF6], Xe[RhF6], Xe[PuF6]– миф об абсолютной инертности благородных газов развеян и заложено начало химии ксенона.

Был синтезирован гексафторплатинат ксенона Xe[PtF6] и четыре подобных соединения. Фторид ксенона(II) можно получить взаимодействием ксенона с F2O2 при температуре -120°

Xe + F2O2 = XeF2 + O2

Ранее считалось, что такие атомы не способны ни отдавать электроны, ни принимать их, ни образовывать общие электронные пары. Однако в 1962 году было получено первое химическое соединение благородного газа – тетрафторид ксенона ХеF4, после чего химия благородных газов начала развиваться быстрыми темпами. Особенно богата химия ксенона, соединения которого по свойствам сходны с соответствующими соединениями йода.

При взаимодействии ксенона с фтором в зависимости от условий опыта получается либо дифторид ксенона ХеF2, либо тетрафторид ХеF4, либо гексафторид ХеF6. При нормальной температуре всё это – твёрдые вещества белого цвета. В химическом отношении наиболее активен гексафторид ксенона ХеF6. Он легко взаимодействует с кремнезёмом с образованием летучей бесцветной жидкости - оксифторида ксенона:

2 ХеF6 + SiO2 = 2XeOF4 + SiF4.

Образующийся при этом окситетрафторид ксенона XeOF4 при нормальной температуре – летучая бесцветная жидкость.

Все фториды ксенона взаимодействуют с водой. При этом в реакции с дифторидом и тетрафторидом образуется ксенон, кислород и фтороводород:

2XeF2 + 2H2O = 2Xe + O2 + 4HF;

XeF4 + 2H2O = XeO2 + 4HF

.

Однако при взаимодействии с водой гексафторида получается новое соединение – оксид ксенона (VΙ):

XeF6 + 3H2O = XeO3 + 6HF.

Оксид ксенона (VΙ) XeO3 – это бесцветное кристаллическое вещество, которое в твёрдом состоянии весьма взрывоопасно (по силе взрыва оно не уступает тринитротолуолу). В растворе же оксид ксенона (VΙ) устойчив и безопасен. Фториды ксенона – сильные окислители. При взаимодействии с водородом они восстанавливаются до ксенона. Поэтому, например, реакция