Как получают ксенон в промышленности

Обновлено: 05.07.2024

Открыт в 1898 году английскими учеными У. Рамзаем и У. Рэлей как небольшая примесь к криптону (отсюда и название: по-гречески ксенос-чуждый, необычный).

Нахождение в природе

Ксенон находится в Земле, в составе астероидов и [1] , хотя содержание 129 Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада, полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. . [2] [3] У [4]

Происхождение названия

Получение

Ксенон получают как побочный продукт производства жидкого кислорода на металлургических предприятиях.

В промышленности ксенон получают как побочный продукт разделения кислород и азот. После такого разделения, которое обычно проводится методом криптон и ксенон.

Из-за своей малой распространенности, ксенон гораздо дороже более легких Физические свойства

Температура плавления -112°С,температура кипения -108°С,свечение в разряде фиолетовым цветом.

Химические свойства

Газ ксенон безвреден, но способен вызвать Примечания

↑Williams, David R.Mars Fact Sheet. NASA ( September 1 , ↑Schilling, JamesWhy is the Martian atmosphere so thin and mainly carbon dioxide?. Mars Global Circulation Model Group. Проверено 10 октября 2007.
↑ Zahnle, Kevin J. (1993). "Xenological constraints on the impact erosion of the early Martian atmosphere". Journal of Geophysical Research98 (E6): 10,899–10,913. DOI :10.1029/92JE02941. Проверено 2007-10-10.
↑ Mahaffy, P. R.; Niemann, H. B.; Alpert, A.; Atreya, S. K.; Demick, J.; Donahue, T. M.; Harpold, D. N.; Owen, T. C. (2000). "Noble gas abundance and isotope ratios in the atmosphere of Jupiter from the Galileo Probe Mass Spectrometer". Journal of Geophysical Research105 (E6): 15061–15072. DOI :10.1029/1999JE001224. Проверено 2007-10-01.

Ссылки

^ Williams, David R. (September 1, 2004). "Mars Fact Sheet". NASA. Retrieved on 2007-10-10.

Это незавершённая статья о химическом элементе. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Ксенон. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

Ксенон — элемент главной подгруппы восьмой группы, пятого периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 54. Обозначается символом Xe (Xenon). Простое вещество ксенон (CAS-номер: 7440-63-3) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Открыт в 1898 году английскими учеными У.Рамзаем и У. Рэлей как небольшая примесь к криптону.

Происхождение названия

Распространённость

Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0.08 миллионной доли, хотя содержание 129 Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада, полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере — почти в два раза выше, чем у Солнца.

Земная кора

Ксенон находится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0.087±0.001 миллионной доли (μL/L), а также встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например, 133 Xe и 135 Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.

Определение

Качественно ксенон обнаруживают с помощью эмиссионной спектроскопии (характеристические линии 467,13 нм и 462,43 нм). Количественно его определяют масс-спектрометрически, хроматографически, а также методами абсорбционного анализа.

Физические свойства

Температура плавления −112 °C,температура кипения −108 °C,свечение в разряде фиолетовым цветом.

Химические свойства

Первый инертный газ, для которого были получены настоящие химические соединения. Примерами соединений могут быть дифторид ксенона, тетрафторид ксенона, гексафторид ксенона, триоксид ксенона.

Изотопы ксенона

Получение

Ксенон получают как побочный продукт производства жидкого кислорода на металлургических предприятиях.

В промышленности ксенон получают как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот. После такого разделения, которое обычно проводится методом ректификации, получившийся жидкий кислород содержит небольшие количества криптона и ксенона. Дальнейшая ректификация обогащает жидкий кислород до содержания 0.1-0.2 % криптоноксеноновой смеси, которая отделяется адсорбированием на силикагель или дистилляцией. В заключение, ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделен дистилляцией на криптон и ксенон. Из-за своей малой распространенности, ксенон гораздо дороже более легких инертных газов.

Применение

Несмотря на высокую стоимость, ксенон незаменим в ряде случаев:

Ксенон используют для наполнения ламп накаливания, мощных газоразрядных и импульсных источников света (высокая атомная масса газа в колбах ламп препятствует испарению вольфрама с поверхности нити накаливания).

Радиоактивные изотопы ( 127 Xe, 133 Xe, 137 Xe, и др.) применяют в качестве источников излучения в радиографии и для диагностики в медицине, для обнаружения течи в вакуумных установках.

Фториды ксенона используют для пассивации металлов.

Ксенон как в чистом виде, так и с небольшой добавкой паров цезия-133, является высокоэффективным рабочим телом для электрореактивных (главным образом — ионных и плазменных) двигателейкосмических аппаратов.

С конца XX века ксенон стал применяться как средство для общего наркоза (достаточно дорогой, но абсолютно нетоксичный, точнее — как инертный газ — не вызывает химических последствий). Первые диссертации о технике ксенонового наркоза в России — 1993 г., в качестве лечебного наркоза эффективно применяется для снятия острых абстинентных состояний (Абстинентный синдром) и лечения наркомании, а также психических и соматических расстройств.

Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда лазеров

Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива, а так же в качестве компонентов газовых смесей для лазеров.

В изотопе 129 Xe возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния называемого гиперполяризацией.

Ксенон используется в конструкции ячейки Голея.

Биологическая роль

Ксенон не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие

Газ ксенон безвреден, но способен вызвать наркоз (по физическому механизму), а в больших концентрациях (более 80 %) вызывает асфиксию.
Фториды ксенона ядовиты, ПДК в воздухе 0,05 мг/м³.

Периодическая система химических элементов Менделеева

Классификация хим. элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона/

198095, г.Санкт-Петербург, ул.Швецова, д.23, лит.Б, пом.7-Н, схема проезда

Токсичность вещества для наркоза определяется прежде всего его способностью вступать в химические реакции. Если она велика, то наркотическое вещество влияет на метаболизм, что может негативно сказаться на здоровье пациента. Какие элементы наименее склонны участвовать в реакциях? Это известно из школьного курса химии — инертные, или благородные газы.

Наркотическое столетие

У инертных газов целиком заполнены электронные оболочки, и поэтому эти газы, как правило, не образуют химических связей. Можно ожидать, что и при попадании в организм благородные газы будут слабо или вовсе не участвовать в метаболизме.

В 1951 году в США успешно провели первую операцию с ксеноном в качестве анестетика, однако дальше дело не пошло — главным образом, в связи с высокой стоимостью получения газа. Основной его источник — земная атмосфера, где он находится в очень малой концентрации: около 1 литра на 15 млн литров воздуха.

Ксенон вместо парниковых газов

Ксеноновый наркоз дорог. Аппараты для ксеноновой анестезии оснащают специальными модулями, позволяющими оптимизировать поток газа

Фото: Григорий Собченко, Коммерсантъ

В 1980-1990-х годах к ксеноновой анестезии возник интерес. Сжижение воздуха в промышленных масштабах позволило снизить стоимость ксенона; к тому же, производство наиболее широко используемых сейчас галогенсодержащих анестетиков должно быть полностью прекращено к 2030 году — так записано в Киотском протоколе. Да и закись азота, негалогенсодержащий анестетик — тоже один из парниковых газов, поэтому будет ограничено и его производство. По этим причинам ксеноновая анестезия вызывает все больший интерес, и с конца XX века вопросы, связанные с ее применением, регулярно обсуждаются на всемирных и европейских анестезиологических конгрессах.

Главный вопрос для развития ксеноновой анестезии — производство газа. Сейчас ксенон в основном получают на металлургических производствах, для которых требуется большое количество жидкого кислорода. При первичном разделении воздуха на азот и кислород последний содержит незначительную примесь смеси криптона и ксенона, из которой ксенон затем выделяют путем многоступенчатого процесса. Из-за низкой концентрации в исходной смеси ксенон получается дорогим. При анестезии значительная часть газа еще и безвозвратно теряется, уходя в атмосферу с дыханием пациента, что увеличивает расход и без того дорогого газа.

Приоритетное развитие тяжелой — в частности, металлургической — промышленности в СССР в числе прочего привело к тому, что Россия и Украина сейчас обеспечивают каждая по 20% мирового производства ксенона.

Снижение стоимости ксенона создало ситуацию, когда основным тормозом в его медицинском применении становится отсутствие соответствующей правовой базы. В 1990-х годах в России впервые в мировой практике был проведен весь спектр доклинических и клинических испытаний в соответствии с регламентом Государственного фармакологического комитета, и с 1999 года ксенон приказом министра здравоохранения России разрешен к применению в качестве средства наркоза.

Практика ксеноновой анестезии постоянно расширяется, в России и за рубежом возникло множество компаний, изготавливающих аппаратуру для ксеноновой анестезии.

Ксенон надо беречь

Лицевая маска образца 1890 года, которая на протяжении многих десятилетий использовалась во всем мире для эфирного и хлороформного наркоза

С 2008 года наблюдается взрывной рост публикаций на тему ксеноновой анестезии. На основании уже имеющейся практики можно сделать вывод, что использование ксенона перспективно в нейрохирургии, кардиохирургии и многих других областях.

Распространение ксенона в качестве анестетика позволило выявить и ряд других его медицинских применений. Исследования, проведенные на борту авианосца "Адмирал Кузнецов", показали, что ксеноновый коктейль вызывает релаксацию после стресса, позволяет человеку быстро восстановиться после пребывания в экстремальных условиях. Есть и свидетельства влияния благотворного влияния смесей с ксеноном на функцию головного мозга после инсульта; возможно и применение газа при лечении наркозависимости.

Где еще взять ксенона

Ректификационная колонна, используемая в промышленности для разделения воздуха на кислород и азот. Получившийся жидкий кислород содержит криптон и ксенон

Новые методы получения ксенона по-прежнему нужны. Описанная выше технология — при металлургическом производстве — недешева, но кроме того экологически нечиста; в Европе от нее отказываются уже и на законодательном уровне. Весьма возможно, что ограничения будут введены и для металлургических предприятий России и Украины.

Но Россия могла бы укрепить лидерство в производстве ксенона. Это тяжелый газ, его молярная масса почти вдвое больше, чем у воздуха, поэтому он может скапливаться в газоносных образованиях. В середине 1990-х годов ксенон был обнаружен в природном газе, причем в концентрации, на несколько порядков превышающей его концентрацию в воздухе.

Правда, для извлечения ксенона из природного газа необходимо его сжижение сразу после добычи, а эта технология пока еще не получила большого распространения в России. Первый завод по производству сжиженного природного газа (СПГ) построен в 2006 году по проекту "Сахалин-2", в ближайшие пять лет завод СПГ должен появиться на Ямале, в планах — еще несколько таких заводов. Вопрос только в том, выдержит ли Россия конкуренцию с крупнейшими мировыми нефтегазовыми компаниями, которые давно уже занимаются сжижением природного газа и, очевидно, способны освоить новый для себя рынок ксенона очень быстро.

Ученые из Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева и Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева предложили альтернативный способ добычи ксенона из природного газа, сообщает отдел научной коммуникации РХТУ.

Мировое потребление ксенона ежегодно растет на 15–20 %. Его применяют в лазерной, электронной, светотехнической, космической, атомной и других высокотехнологичных отраслях. Однако использование ксенона сдерживают сложности его получения. Ксенон добывают из воздуха, где его очень мало: в 1 м³ воздуха содержится всего лишь 0,08 мл ксенона. С помощью промышленной технологии низкотемпературной ректификации можно получить газ чистотой 99,9995 % стоимостью 1,15 тыс. руб. за литр. Такое производство может быть экономически обоснованным только при очень больших объемах. Поэтому авторы исследования предложили технологию получения ксенона из природного газа, который иногда содержит от 0,15 об. % ксенона, что на четыре порядка выше, чем в воздухе.

В мире уже запатентовано несколько технологий выделения ксенона из природного газа, но ни одна из них до сих пор не дошла до промышленного применения в связи с многостадийностью процесса, сложностью задействованной аппаратуры, а также низкой концентрацией ксенона в конечном продукте. Ученые РХТУ и НГТУ предложили более эффективный путь, основанный на использовании газогидратов — твердых кристаллических соединений молекул воды и газов, которые образуются в условиях повышенного давления и существуют при температурах, превышающих температуру замерзания воды.

Ученые проводили эксперименты на модельной газовой смеси из метана (94,85 об. %), углекислого газа (5,00 об. %) и ксенона (0,15 об. %) при температурах –1 °С и 1 °С. Исследователи испытывали разные режимы, и лучшие результаты показала непрерывная мембранно-газогидратная кристаллизация, которую проводили в реакторе объемом 4,17 л, разделенном полупроницаемой мембраной на две части с высоким и низким давлением. В отсек высокого давления помещали природный газ и воду, которые превращались в гидраты. Далее ученые постепенно меняли температуру и давление и поэтапно выпускали из гидратов углекислый газ и метан через мембрану в другую полость, при этом ксенон с водой оставались в гидратах. После они окончательно разрушали газовые кристаллы, еще раз меняя термобарические условия — в результате вода оставалась на дне этой полости, а над ней концентрировался ксенон.

В продолжение работы коллектив планирует экспериментально исследовать технологию на образцах природного газа, добытых из настоящих месторождений, и подобрать оптимальные условия для повышения степени извлечения ксенона.

Результаты работы опубликованы в журнале Journal of natural gas science and engineering.

№54 Ксенон

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 м 3 воздуха всего лишь 0,08 мл ксенона. Рамзай совместно с Траверсом переработали около 100 т жидкого воздуха и получили 0,2 мл газа, который голубовато светился в электрическом разряде и давал своеобразный спектр с характерные спектральными линиями от оранжевой до фиолетовой области. Так был открыт новый инертный газ. Его назвали, ксеноном, что в переводе с греческого значит "чужой".

Получение:

Получают ректификацией жидкого воздуха. Хотя содержание ксенона в атмосфере крайне мало, именно воздух - практически единственный и неисчерпаемый источник ксенона. Неисчерпаемый - потому, что почти весь ксенон возвращается в атмосферу.

Физические свойства:

Ксенон представляет собой тяжелый, редкий и пассивный газ, который при значительном охлаждении может быть переведен в жидкое и твердое состояние. Как и все инертные газы он не имеет цвета и запаха. При высоком давлении способен образовывать кристаллические гидраты. Растворяется в воде и органических растворителях. Ксенон обладает сравнительно хорошей электропроводностью.

Химические свойства:

Важнейшие соединения:

Дифторид ксенона XeF₂, летучие кристаллы, имеет резкий специфический запах. Он образуется при действии электрического разряда на смесь ксенона и четырехфтористого углерода. Очень чистый XeF₂ получается, если смесь ксенона и фтора облучить ультрафиолетом. Растворимость дифторида в воде невелика, однако раствор его - сильнейший окислитель. Постепенно окисляет воду, образуя ксенон, кислород и фтористый водород; особенно быстро реакция идет в щелочной среде. Тетрафторид ксенона XeF₄, вполне устойчивое соединение, молекула его имеет форму квадрата с ионами фтора по углам и ксеноном в центре. Кристаллическое вещество, во влажном воздухе взрывоопасен. Гидролизуется в воде с образованием оксида ксенона ХеО₃. Тетрафторид ксенона фторирует ртуть:
XeF₄ + 2Hg = Хе + 2HgF₂.
Платина тоже фторируется этим веществом, но только растворенным во фтористом водороде.
Гексафторид ксенона XeF₆, крист. вещество, чрезвычайно активен и разлагается со взрывом. Гидролизуется с образованием оксофторидов и оксида ксенона(VI), с растворами щелочей диспропорционирует, образуя перксенаты. Он легко реагирует с фторидами щелочных металлов (кроме LiF), образуя соединения типа CsF*XeF₆
Гексафторплатинат ксенона XePtF₆ твердое оранжево-желтое вещество. При нагревании в вакууме XePtF₆ возгоняется без разложения, в воде гидролизуется, выделяя ксенон:
2XеPtF₆+6H₂O = 2Xe+РtO₃ + 12HF
Существует также соединение Xе[PtF₆]₂. Аналогичные соединения ксенон образует с гексафторидами рутения, родия и плутония.
Оксид ксенона(VI) , бесцветные, расплывающиеся на воздухе кристаллы. Молекула ХеО₃ имеет структуру приплюснутой треугольной пирамиды с атомом ксенона в вершине. Это соединение крайне неустойчиво; при его разложении мощность взрыва приближается к мощности взрыва тротила. Растворим, сильный окислитель.
Ксенаты соли ксеноновой кислоты - H₂ХеO₄, растворимы, в щелочной среде разлагаются на ксенон и перксенаты. Окислители, взрывоопасны.
Оксид ксенона(VIII) Молекула ХеО₄ построена в виде тетраэдра с атомом ксенона в центре. Вещество это нестойко, при температуре выше 0°С разлагается на кислород и ксенон. Иногда разложение носит характер взрыва.
Перксенаты соли перксеноновой кислоты - H₄ХеO₆, кристаллич., устойчивы до 300°С, нерастворимы. Самые сильные из известных окислителей.

Применение:

В светотехнике признание получили ксеноновые лампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновых лампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр - от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного. Ксеноновые лампы применяются во всех случаях, когда правильная цветопередача имеет решающее значение: при киносъемках и кинопроекции, при освещении сцены и телевизионных студий, в текстильной и лакокрасочной промышленности.
Ксеноном пользуются и медики - при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Как и баритовая каша, применяющаяся при просвечивании кишечника, ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден.
Радиоактивный изотоп элемента № 54, ксенон-133, используют при исследовании функциональной деятельности легких и сердца.
В виде фторидов ксенона удобно хранить и транспортировать и дефицитный ксенон, и всеразрушающий фтор. Соединения ксенона используются также как сильные окислители и фторирующие агенты.

Читайте также: