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 キセノンを充填した放電管が水色に光る | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| キセノン | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 |
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| 外観 | 無色のガスで、電界に置くと青い光を発する。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Xe) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるキセノン | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 54 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | 18族（希ガス） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | pブロック | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [クロ] 4d 10 5s 2 5p 6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、18、8 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | ガス | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 161.40 K (-111.75 °C、-169.15 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 165.051 K (-108.099 °C、-162.578 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 固体時の密度（ tp） | 3.408 g/cm3 [ 5] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （STPにて） | 5.894グラム/リットル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体のとき（ 沸点） | 2.942 g/cm3 [ 6] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 三点 | 161.405 K、81.77 kPa [7] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 臨界点 | 289.733 K、5.842 MPa [7] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 2.27kJ /モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 12.64 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 21.01 [8] J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 共通: +2、+4、+6、 +8、[9] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 2.60 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 共有結合半径 | 午後140±9時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後216時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 面心立方(fcc) ( cF4 ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 5.65 × 10 −3 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性[10] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −43.9 × 10 -6 cm 3 /mol (298 K) [11] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速 | ガス: 178 m·s −1 液体: 1090 m/s | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-63-3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見と最初の分離 | ウィリアム・ラムゼイとモリス・トラヴァース（1898） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| キセノンの同位体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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キセノンは化学元素であり、記号 Xe、原子番号54で表されます。密度が高く、無色、無臭の希ガスで、地球の大気中に微量に存在します。[16]一般的には反応性がありませんが、最初の合成された希ガス化合物であるキセノンヘキサフルオロ白金酸塩の形成など、いくつかの化学反応を起こすことができます。[17] [18] [19]
キセノンはフラッシュランプ[20]やアークランプ[21]、また全身麻酔薬[ 22]として使用されています。最初のエキシマレーザーの設計では、キセノン二量体分子（Xe 2）をレーザー媒体として使用し[23]、最も初期のレーザー設計ではキセノンフラッシュランプをポンプとして使用しました。[24]キセノンは、仮想的に弱い相互作用をする巨大粒子の探索[25]や宇宙船のイオンスラスタの推進剤としても使用されています。[26]
天然に存在するキセノンは、 7つの安定同位体と2つの長寿命放射性同位体から構成されています。40種類以上の不安定なキセノン同位体は放射性崩壊を起こし、キセノンの同位体比は太陽系の初期の歴史を研究するための重要なツールとなっています。[27]放射性キセノン135は、ヨウ素135 （核分裂生成物）のベータ崩壊によって生成され、原子炉における最も重要な（そして望ましくない）中性子吸収体です。[28]
歴史
キセノンは、1898年7月12日、スコットランドの化学者ウィリアム・ラムゼーとイギリスの化学者モリス・トラヴァースによってイギリスで発見された。 [29]彼らは、元素クリプトンとネオンを発見した直後だった。彼らは、液体空気の成分が蒸発した後に残った残留物の中にキセノンを発見した。[30] [31]ラムゼーは、ギリシャ語の ξένον xénon （ ξένος xénosの中性単数形）からこのガスにキセノンという名前を提案した。これは「外国人」、「見知らぬ人」、「客」を意味する。[32] [33] 1902年、ラムゼーは地球の大気中のキセノンの割合を2000万分の1と推定した。[34]
1930年代、アメリカのエンジニア、ハロルド・エドガートンは、高速写真撮影のためのストロボ技術の研究を始めました。これにより、彼はキセノンガスで満たされた管に短い電流を流すことで光を生成するキセノンフラッシュランプを発明しました。1934年、エドガートンはこの方法で1マイクロ秒という短いフラッシュを生成することができました。[20] [35] [36]
1939年、アメリカの医師アルバート・R・ベンケ・ジュニアは、深海ダイバーの「酩酊」の原因を研究し始めた。彼は被験者に呼吸混合物の変化の影響をテストし、これがダイバーに水深の変化を感知させることを発見した。その結果から、彼はキセノンガスが麻酔薬として役立つと推論した。ロシアの毒物学者ニコライ・V・ラザレフは1941年にキセノン麻酔を研究していたようだが、キセノン麻酔を裏付ける最初の発表された報告書は、1946年にアメリカの医学研究者ジョン・H・ローレンスがマウスで実験したものだった。キセノンは1951年にアメリカの麻酔科医スチュアート・C・カレンによって初めて外科麻酔薬として使用され、2人の患者に使用して成功した。[37]
キセノンやその他の希ガスは長い間、化学的に完全に不活性で化合物を形成できないと考えられていました。しかし、ブリティッシュコロンビア大学で教鞭をとっていたニール・バートレットは、六フッ化白金（PtF 6）ガスが強力な酸化剤であり、酸素ガス（O 2 ）を酸化して六フッ化白金酸ジオキシゲニル（O ）を形成できることを発見しました。+
2[PtF
6]−
[38] O2 （1165 kJ/mol）とキセノン（1170 kJ/mol）はほぼ同じ第一イオン化ポテンシャルを持っているため、バートレットは六フッ化白金もキセノンを酸化できるかもしれないと気づきました。1962年3月23日、彼は2つのガスを混合し、希ガスの最初の化合物である六フッ化白金酸キセノンを生成しました。[39] [19]
バートレットはその組成がXe + [PtF 6 ] −であると考えていたが、その後の研究で、おそらくさまざまなキセノン含有塩の混合物であることが明らかになった。[40] [ 41] [42]それ以来、多くの他のキセノン化合物が発見されており、[43]希ガスのアルゴン、クリプトン、ラドンのいくつかの化合物に加えて、アルゴンフルオロハイドライド（HArF）、[44] クリプトンジフルオリド（KrF 2）、[45] [46]およびラドンフルオリドが含まれる。[47] 1971年までに、80を超えるキセノン化合物が知られるようになった。[48] [49]
1989年11月、IBMの科学者たちは個々の原子を操作できる技術を実証した。IBM in atomsと呼ばれるこのプログラムは、走査型トンネル顕微鏡を使用して、冷却したニッケル結晶の基板上に35個のキセノン原子を配置し、3文字の会社の頭文字を綴った。原子が平らな表面上に正確に配置されたのはこれが初めてだった。[50]
特徴
キセノンの原子番号は54で、原子核には54個の陽子が含まれています。標準温度および圧力では、純粋なキセノンガスの密度は5.894 kg/m 3で、海面における地球の大気の密度1.217 kg/m 3 の約4.5倍です。[51]液体のキセノンの密度は最大3.100 g/mLで、密度は三重点で最大になります。[52]液体キセノンは原子容が大きいため分極率が高く、優れた溶媒です。炭化水素、生体分子、さらには水さえも溶かすことができます。[53]同じ条件下では、固体キセノンの密度3.640 g/cm 3は、花崗岩の平均密度2.75 g/cm 3よりも大きいです。[52]ギガパスカルの圧力下では、キセノンは金属相を形成する。[54]
固体キセノンは圧力を受けると面心立方（fcc）結晶相から六方最密充填（hcp）結晶相に変化し、約140GPaで金属に変わり始めるが、hcp相では目立った体積変化はない。[55] 155GPaでは完全に金属になる。[56]金属化するとキセノンは赤色光を吸収し、他の可視光線を透過するため、空色に見える。このような挙動は金属としては珍しく、その状態での電子バンドの幅が比較的狭いことで説明される。[57] [より良い情報源が必要]
液体または固体のキセノンナノ粒子は、Xe +イオンを固体マトリックスに注入することで室温で形成できます。多くの固体は固体Xeよりも格子定数が小さいため、注入されたXeは液化または固化に十分な圧力まで圧縮されます。[58]
キセノンは、希ガスまたは不活性ガスと呼ばれるゼロ価元素の一種です。外殻に8個の電子が含まれているため、一般的な化学反応（燃焼など）のほとんどに対して不活性です。これにより、外殻電子がしっかりと結合した安定した最小エネルギー構成が生まれます。[59]
ガス充填管内では、キセノンは放電によって励起されると青色またはラベンダー色の光を発します。キセノンは可視スペクトルにまたがる輝線帯を発しますが、 [60]最も強い輝線は青色光の領域で発生し、着色を生み出します。[61]
発生と生成
キセノンは地球の大気中に微量に存在するガスで、体積分率で87 ± 1 nL/L（10億分の1）、つまり約1150万分の1です。[62]また、一部の鉱泉から放出されるガスの成分としても見られます。大気の総質量が5.15 × 10 18キログラム（1.135 × 10 19 ポンド）であるとすると、大気の平均モル質量を28.96 g/molとすると、大気には合計で約2.03ギガトン（2.00 × 10 9ロングトン、2.24 × 10 9ショートトン）のキセノンが含まれており、これは約394質量ppbに相当します。
コマーシャル
キセノンは、空気を酸素と窒素に分離する際の副産物として商業的に得られます。[63]この分離は、通常、二重塔プラントで分留によって行われ、生成される液体酸素には少量のクリプトンとキセノンが含まれます。追加の分留により、液体酸素は、シリカゲルへの吸着または蒸留によって抽出されたクリプトン/キセノン混合物を0.1～0.2％含むように濃縮される場合があります。最後に、クリプトン/キセノン混合物をさらに蒸留することで、クリプトンとキセノンに分離することができます。[64] [65]
1998年のキセノンの世界生産量は5,000～7,000立方メートル（180,000～250,000立方フィート）と推定されています。[66]密度は1リットルあたり5.894グラム（0.0002129ポンド/立方インチ）で、これはおよそ30～40トン（30～39長トン、33～44短トン）に相当します。キセノンは希少性が高いため、より軽い希ガスよりもはるかに高価です。1999年にヨーロッパで少量購入した場合のおおよその価格は、キセノンが10 ユーロ/L（=約1.7ユーロ/g）、クリプトンが1ユーロ/L（=約0.27ユーロ/g）、ネオンが0.20ユーロ/L（=約0.22ユーロ/g）でした。[66]一方、地球の大気の体積の1%以上を占める、はるかに豊富なアルゴンは、1リットルあたり1セント未満です。
太陽系
太陽系内では、キセノンの核子の割合は1.56 × 10 −8で、全質量の約63万分の1に相当します。 [67]キセノンは、太陽の大気、地球、小惑星や彗星では比較的稀です。木星の大気中のキセノンの存在量は非常に高く、太陽の約2.6倍です。[68] [a]この豊富さは未だに説明されていませんが、太陽系形成前の円盤が加熱される前に、惑星微惑星（小さな惑星状天体） が早期に急速に蓄積されたことが原因である可能性があります。[69]そうでなければ、キセノンは惑星微惑星の氷に閉じ込められなかったでしょう。地球のキセノンが少ない問題は、石英内でキセノンが酸素と共有結合し、大気中へのキセノンのガス放出が減少することで説明できます。[70]
ステラ
低質量の希ガスとは異なり、恒星内部の通常の元素合成プロセスではキセノンは生成されない。元素合成では、鉄 56よりも質量の大きい核種を生成するためにエネルギーを消費するため、キセノンの合成は恒星にとってエネルギー増加にはならない。[71]その代わりに、キセノンはr 過程中の超新星爆発時、[72]中心核の水素を使い果たして漸近巨星分枝に入った赤色巨星における遅い中性子捕獲過程 ( s 過程)によって、[73]および放射性崩壊 (例えば、絶滅したヨウ素 129のベータ崩壊やトリウム、ウラン、プルトニウムの自発核分裂による) によって生成される。[74]
核分裂
キセノン135は、高い核分裂生成物収量を持つ、注目すべき中性子毒である。比較的短寿命であるため、原子炉の定常運転中に生成されるのと同じ速度で崩壊する。しかし、出力が低下したり原子炉がスクラムされたりすると、破壊されるキセノンの量は、その親核種のベータ崩壊で生成される量よりも少なくなる。キセノン中毒と呼ばれるこの現象は、スクラム後の原子炉の再始動や出力低下後の出力増加で重大な問題を引き起こす可能性があり、チェルノブイリ原子力事故のいくつかの要因の1つであった。[75] [76]
キセノンの安定同位体または極めて長寿命の同位体も、核分裂でかなりの量生成される。キセノン136は、キセノン135が崩壊する前に中性子捕獲を受けるときに生成される。キセノン136とキセノン135（またはその崩壊生成物）の比率は、特定の原子炉の発電履歴についてヒントを与えることができ、キセノン136の不在は核爆発の「指紋」となる。キセノン135は直接生成されるのではなく、連続的なベータ崩壊の生成物として生成されるため、1秒未満で発生する核爆発で中性子を吸収することができないからである。[77]
安定同位体キセノン132は、熱中性子核分裂において4%以上の核分裂生成物収率を有する。235
Uは、安定またはほぼ安定なキセノン同位体の質量分率が使用済み核燃料（核分裂生成物の約3％）の方が空気中よりも高いことを意味します。ただし、2022年現在、核燃料再処理中に使用済み燃料からキセノンを抽出する商業的な取り組みはありません。[78] [79]
同位体
天然キセノンは、126 Xe、128～132 Xe、134 Xeの7つの安定 同位体から構成されています。126 Xeと134 Xeの同位体は理論上は二重ベータ崩壊を起こすと予測されていますが、これまで観測されたことがないため安定していると考えられています。[80]さらに、40を超える不安定同位体が研究されています。これらの同位体の中で最も寿命が長いのは、半減期が1.5秒の二重電子捕獲を起こす原始的な124 Xeです。 1.8 × 10 22 年[81]および2.11 × 10 21年の二重ベータ崩壊を起こす136 Xe。[ 82] 129 Xeは129 Iのベータ崩壊によって生成され、半減期は1600万年です。131m Xe、133 Xe、133m Xe、および135 Xeは、 235 Uと239 Puの核分裂生成物の一部であり、[74]核爆発の検出と監視に使用されます。
核スピン
キセノンの安定同位体のうちの2つ、129 Xeと131 Xe（どちらも質量数が奇数の安定同位体）の原子核は、ゼロではない固有角運動量（核スピン、核磁気共鳴に適している）を持っている。 核スピンは、円偏光とルビジウム蒸気によって、通常の分極レベルを超えて整列させることができる。[83]結果として生じるキセノン原子核のスピン分極は、その最大値の50％を超えることがあり、常磁性統計によって決定される熱平衡値（通常、室温では最大値の0.001％、最も強力な磁石でも）を大幅に超える。 このようなスピンの非平衡整列は一時的な状態であり、過分極と呼ばれる。 キセノンを過分極化するプロセスは光ポンピングと呼ばれる（ただし、このプロセスはレーザーのポンピングとは異なる）。[84]
129 Xe 原子核はスピンが 1/2 で電気 四重極モーメントがゼロであるため、他の原子との衝突時に四重極相互作用を起こさず、生成光と蒸気が除去された後も過分極が長期間持続します。129 Xe のスピン分極は、血液中に溶解したキセノン原子の場合は数秒[85]、気相では数時間[86]、深く凍結した固体キセノンの場合は数日間持続します。[87]一方、131 Xeは核スピン値が3 ⁄ 2で四重極モーメントがゼロではなく、t 1緩和時間がミリ秒から秒の範囲です。[88]
核分裂から
キセノンの放射性同位元素の中には、原子炉内で核分裂性物質に中性子を照射することで生成されるもの（例えば、133 Xe や135 Xe）もある。[17] 135 Xeは、原子核分裂炉の運転において非常に重要な意味を持つ。135 Xeは熱中性子の断面積が非常に大きく（2.6×10 6バーン）、[28]中性子吸収体または「毒」として機能し、一定期間の運転後に連鎖反応を遅らせたり停止させたりすることができる。これは、アメリカのマンハッタン計画でプルトニウム生産のために建設された初期の原子炉で発見された。しかし、設計者は、原子炉の反応性（核燃料の他の原子を核分裂させる中性子の核分裂あたりの数）を高めるための対策を設計に盛り込んでいた。[89]
135 Xe原子炉中毒はチェルノブイリ原発事故の主要因であった。[90]原子炉の停止や出力低下により135 Xeが蓄積し、原子炉運転がヨウ素ピットと呼ばれる状態になる可能性がある。悪条件下では、比較的高濃度の放射性キセノン同位体が、割れた燃料棒から放出される可能性がある。 [91]または冷却水中のウランの核分裂から放出される可能性がある。[92]
ガボンのオクロにある天然の核分裂炉で生成されたキセノンの同位体比は、約20億年前に起こった連鎖反応中の原子炉の特性を明らかにしている。[93]
宇宙のプロセス
キセノンは2つの親同位体のトレーサーであるため、隕石中のキセノン同位体比は太陽系の形成を研究するための強力なツールです。ヨウ素キセノン法による年代測定は、元素合成から太陽系星雲からの固体物体の凝縮までの経過時間を示します。1960年、物理学者ジョン・H・レイノルズは、特定の隕石にキセノン129の過剰という同位体異常が含まれていることを発見しました。彼は、これが放射性ヨウ素129の崩壊生成物であると推測しました。この同位体は、宇宙線の破砕と核分裂によってゆっくりと生成されますが、超新星爆発でのみ大量に生成されます。[94] [95]
129 Iの半減期は宇宙の時間スケール（1600万年）では比較的短いため、超新星爆発から隕石が固まって129 Iを閉じ込めるまでの時間が短かったことが実証された。これら2つの出来事（超新星爆発とガス雲の固化）は、太陽系の初期の歴史の中で起こったと推測される。なぜなら、129 I同位体は太陽系が形成される直前に生成され、太陽ガス雲に第2の源からの同位体の種をまいた可能性が高いためである。この超新星源は、太陽ガス雲の崩壊も引き起こした可能性がある。[94] [95]
同様に、129 Xe/ 130 Xeや136 Xe/ 130 Xeなどのキセノン同位体比は、惑星の分化や初期のガス放出を理解するための強力なツールです。[27]たとえば、火星の大気は、地球と同程度のキセノン存在度（0.08 ppm [96] ）を示していますが、火星は地球や太陽よりも129 Xeの存在度が高いことを示しています。この同位体は放射性崩壊によって生成されるため、この結果は、火星が原始大気のほとんどを失ったことを示している可能性があり、おそらく惑星形成後1億年以内に失われた可能性があります。 [97] [98]別の例として、ニューメキシコの二酸化炭素井戸ガスで見つかった過剰な129 Xeは、地球形成直後のマントル由来のガスの崩壊によるものと考えられています。 [74] [99]
化合物
1962年にニール・バートレットがキセノンが化合物を形成できることを発見して以来、多数のキセノン化合物が発見され、記述されてきた。既知のキセノン化合物のほぼすべてに、電気陰性原子であるフッ素または酸素が含まれている。各酸化状態におけるキセノンの化学的性質は、すぐ下の酸化状態にある隣接元素ヨウ素の化学的性質と類似している。 [100]
ハロゲン化物
3種類のフッ化物が知られている：XeF
2、ゼフ
4、およびXeF
6XeFは不安定であると理論づけられている。[101]これらはほぼすべてのキセノン化合物の合成の出発点である。
固体結晶二フッ化物XeF
2フッ素とキセノンの混合ガスを紫外線にさらすと形成される。 [102]通常の日光の紫外線成分で十分である。[103] XeFの長期加熱
2NiFの高温下で
2触媒はXeFを生成する
6[104] XeFの熱分解
6NaFの存在下では高純度のXeFが得られる
4. [105]
キセノンフッ化物は、フッ化物受容体とフッ化物供与体の両方として作用し、XeFなどの陽イオンを含む塩を形成する。+
とゼ
2ふ+
3、およびXeFなどの陰イオン−
5、ゼフ−
7、およびXeF2−8
...緑色の常磁性Xe+
2XeFの還元によって生成される
2キセノンガスによる[100]
ゼフ
2遷移金属イオンと錯体を形成する。30種類以上の錯体が合成され、特徴付けられている。[104]
キセノンフッ化物はよく特徴付けられているが、他のハロゲン化物はそうではない。 キセノン、フッ素、および四塩化ケイ素または炭素の混合物の高周波照射によって形成される二塩化キセノン[106]は、80℃で元素に分解する吸熱性の無色の結晶性化合物であると報告されている。しかし、XeCl
2弱く結合したXe原子とCl原子の単なるファンデルワールス分子である可能性がある。
2分子であり、実際の化合物ではない。[107]理論計算によると、直線分子XeCl
2ファンデルワールス錯体よりも不安定である。[108] 四塩化キセノンと二臭化キセノンはさらに不安定で、化学反応では合成できない。これらは、129
ICl−
4そして129
IBr−
2それぞれ[109] [110]
酸化物とオキソハロゲン化物
キセノンの酸化物としては、三酸化キセノン（XeO）が3種類知られています。
3）と四酸化キセノン（XeO
4）は、どちらも爆発性が高く、強力な酸化剤である。また、2011年に配位数が4であることが報告された二酸化キセノン（XeO 2 ）もある。 [111] XeO 2 は、四フッ化キセノンを氷の上に注ぐと形成される。その結晶構造により、ケイ酸塩鉱物中のケイ素を置換できる可能性がある。[112] XeOO +カチオンは、固体アルゴン中の赤外分光法によって特定されている。[113]
キセノンは酸素と直接反応しない。三酸化物はXeFの加水分解によって生成される。
6: [114]
- ゼフ
6+ 3時間
2O → XeO
3+ 6 HF
ゼオ
3弱酸性で、アルカリに溶解してHXeOを含む不安定なキセネート塩を形成する。−
4アニオン。これらの不安定な塩は、キセノンガスと過キセノン酸塩に容易に不均化します。過キセノン酸塩には、 XeO4−6
4−6陰イオン[115]
過酸化バリウムを濃硫酸で処理すると、四酸化キセノンガスが生成される。[106]
- バ
2ゼオ
6+ 2時間
2それで
4→ 2 BaSO
4+ 2時間
2O + XeO
4
分解を防ぐため、このようにして生成された四酸化キセノンは急速に冷却されて淡黄色の固体になります。-35.9 °C を超えるとキセノンと酸素のガスに爆発しますが、それ以外は安定しています。
キセノンオキシフッ化物は数多く知られており、その中にはXeOFも含まれる。
2、ゼオフ
4、ゼオ
2ふ
2、およびXeO
3ふ
2.ゼオフ
2OFの反応によって形成される
2低温でキセノンガスと反応して得られる。また、XeFの部分加水分解によっても得られる。
4. −20℃で不均化してXeFになる
2およびXeO
2ふ
2. [116] ゼオフ
4XeFの部分加水分解によって生成される
6... [117]
- ゼフ
6+ H
2O →ゼオF
4+ 2 HF
...またはXeFの反応
6過酸化ナトリウム、Na
4ゼオ
6後者の反応では少量のXeOも生成される。
3ふ
2。
ゼオ
2ふ
2XeFの部分加水分解によっても生成される。
6. [118]
- ゼフ
6+ 2時間
2O → XeO
2ふ
2+ 4 HF
ゼオフ
4CsFと反応してXeOFを形成する−
5アニオン[116] [119] XeOF 3はアルカリ金属フッ化物KF、RbFおよびCsFと反応してXeOFを形成する。−
4陰イオン[120]
その他の化合物
キセノンは、フッ素や酸素よりも電気陰性度の低い元素、特に炭素と直接結合することができる。[121]これらの化合物を安定化するには、フッ素置換基などの電子吸引基が必要である。[115]このような化合物は数多く特徴付けられており、その中には以下が含まれる。[116] [122]
- Ｃ
6ふ
5–ゼー+
–N≡C–CH
3ここで、C 6 F 5はペンタフルオロフェニル基である。 - [C
6ふ
5]
2ゼ - Ｃ
6ふ
5–Xe–C≡N - Ｃ
6ふ
5–Xe–F - Ｃ
6ふ
5–キセノン–塩素 - Ｃ
2ふ
5–C≡C–キセノン+ - [CH
3]
3C–C≡C–Xe+ - Ｃ
6ふ
5–ゼフ+
2 - （C
6ふ
5ゼー)
2塩素+
キセノンを含む他の化合物には、電気陰性度の低い元素と結合したF–Xe–N(SO
2ファ）
2およびF–Xe–BF
2後者は、ジオキシゲニルテトラフルオロボレート、Oから合成される。
2ボーイフレンド
4、−100℃で。[116] [123]
キセノンを含む珍しいイオンはテトラキセノン金(II)カチオン、AuXeである。2+
4 円、Xe-Au結合を含む。[124]このイオンは化合物AuXe
4（Sb
2ふ
11）
2、キセノンと金という反応性の低い原子2つが直接化学結合し、キセノンが遷移金属配位子として働くという点で注目に値する。同様の水銀錯体（HgXe）（Sb 3 F 17 ）（[HgXe 2+ ][Sb 2 F 11 – ][SbF 6 – ]と表記）も知られている。 [125]
化合物Xe
2SB
2ふ
11知られている中で最も長い元素間結合であるXe-Xe結合（308.71 pm = 3.0871 Å）を含む。[126]
1995年、フィンランドのヘルシンキ大学の科学者であるM. Räsänenと同僚は、キセノン二水素化物（HXeH）の合成を発表し、その後、キセノン水素化物水酸化物（HXeOH）、ヒドロキセノアセチレン（HXeCCH）、およびその他のキセノン含有分子が発表されました。 [127] 2008年、Khriachtchevらは、極低温キセノンマトリックス内での水の光分解によるHXeOXeHの合成を報告しました。[128]重水素化分子HXeODとDXeOHも生成されています。[129]
クラスレートとエキシマー
キセノンは化学結合を形成する化合物に加えて、クラスレート（キセノン原子または対が他の化合物の結晶格子に捕捉された物質）を形成することもできる。一例として、キセノン水和物（Xe· 5）が挙げられる。+3 ⁄ 4 H 2 O）であり、キセノン原子が水分子の格子の空孔を占めている。 [130]このクラスレートの融点は24℃である。 [131]この水和物の重水素化バージョンも生成されている。 [132]別の例はキセノン水素化物（Xe（H 2） 8）であり、キセノン対（二量体）が固体水素内に閉じ込められている。 [133]このようなクラスレート水和物は、南極の氷床の下にあるボストーク湖など、高圧条件下で自然に発生する可能性がある。 [134]クラスレートの形成は、キセノン、アルゴン、クリプトンの分留に使用できる。 [135]
キセノンは、キセノン原子がフラーレン分子内に閉じ込められたエンドヘドラルフラーレン化合物を形成することもできる。フラーレン内に閉じ込められたキセノン原子は、129 Xe核磁気共鳴（NMR）分光法で観察することができる。キセノン原子の環境に対する敏感な化学シフトを通じて、フラーレン分子の化学反応を分析することができる。しかし、これらの観察には注意点がないわけではない。キセノン原子はフラーレンの反応性に電子的影響を及ぼすからである。[136]
キセノン原子が基底エネルギー状態にあるとき、それらは互いに反発し、結合を形成しない。しかし、キセノン原子が励起されると、電子が基底状態に戻るまでエキシマー（励起二量体）を形成することができる。この実体が形成されるのは、キセノン原子が隣接するキセノン原子から電子を追加することで最外殻の電子殻を完成させる傾向があるためである。キセノンエキシマーの典型的な寿命は1～5ナノ秒であり、崩壊により約150 nmと173 nmの波長の光子が放出される。[137] [138]キセノンは、臭素、塩素、フッ素などのハロゲンなどの他の元素ともエキシマーを形成することができる。[139]
アプリケーション
キセノンは希少であり、地球の大気から抽出するには比較的高価ですが、さまざまな用途があります。
照明と光学
ガス放電ランプ
キセノンはキセノンフラッシュランプと呼ばれる発光装置に使用され、写真のフラッシュやストロボランプに使用されています。 [20]レーザーの活性媒体を励起してコヒーレント光を生成します。[140]また、殺菌ランプにも使用されることがあります。[141] 1960年に発明された最初の固体レーザーはキセノンフラッシュランプで励起されました。 [24]慣性閉じ込め核融合に動力を供給するレーザーもキセノンフラッシュランプで励起されています。[142]
連続短アーク高圧キセノンアークランプは、正午の太陽光に近い色温度を持ち、ソーラーシミュレーターで使用されます。つまり、これらのランプの色度は、太陽の温度で加熱された黒体放射器に近い色度です。1940年代に初めて導入されたこれらのランプは、映画映写機で寿命の短いカーボンアークランプに取って代わりました。 [21]また、一般的な35mm、IMAX、デジタル フィルム映写システムでも使用されています。これらは短波長紫外線の優れた光源であり、一部の暗視システムで使用される近赤外線の強力な放射を持っています。キセノンは、自動車のHIDヘッドライトや高級「戦術的」懐中電灯用のメタルハライドランプのスターターガスとして使用されます。
プラズマディスプレイの個々のセルには、電極でイオン化されたキセノンとネオンの混合物が含まれています。このプラズマと電極の相互作用により紫外線光子が生成され、ディスプレイ前面の蛍光体コーティングが励起されます。 [143] [144]
キセノンは高圧ナトリウムランプの「始動ガス」として使用されます。キセノンは非放射性希ガスの中で最も低い熱伝導率とイオン化ポテンシャルを持っています。希ガスであるため、動作中のランプ内で起こる化学反応を妨げません。低い熱伝導率により、動作中のランプの熱損失が最小限に抑えられ、低いイオン化ポテンシャルにより、冷状態でのガスのブレークダウン電圧が比較的低くなり、ランプをより簡単に始動できます。[145]
レーザー
1962年、ベル研究所の研究者グループがキセノンのレーザー作用を発見し、[146]その後、レーザー媒体にヘリウムを加えるとレーザー利得が向上することを発見した。 [147] [148]最初のエキシマレーザーは、電子ビームで励起されたキセノン二量体（Xe 2 ）を使用して、176 nmの紫外線波長で誘導放出を発生させた。[23] キセノン塩化物とキセノンフッ化物もエキシマ（より正確にはエキシプレックス）レーザーに使用されている。[149]
医学
| 臨床データ | |
|---|---|
| ATCコード |
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| 識別子 | |
| CAS番号 |
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| パブケム CID |
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| ドラッグバンク |
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| ユニ |
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| チェビ |
|
| チェムBL |
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| CompTox ダッシュボード ( EPA ) |
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| ECHA 情報カード | 100.028.338 |
| 化学および物理データ | |
| 3Dモデル（JSmol） |
|
| |
| |
麻酔
キセノンは全身麻酔薬として使用されていますが、従来の麻酔薬よりも高価です。[150]
キセノンは多くの異なる受容体やイオンチャネルと相互作用し、理論的にはマルチモーダルな吸入麻酔薬の多くと同様に、これらの相互作用は補完的である可能性が高い。キセノンは高親和性のグリシン部位NMDA受容体拮抗薬である。[151]しかし、キセノンは神経毒性がなく、ケタミンや亜酸化窒素（N 2 O）の神経毒性を阻害しながら、実際に神経保護効果を生み出すという点で、他の特定のNMDA受容体拮抗薬と異なる。[152] [153]ケタミンや亜酸化窒素とは異なり、キセノンは側坐核でのドーパミン流出を刺激しない。[154]
亜酸化窒素やシクロプロパンと同様に、キセノンは2つの孔を持つカリウムチャネルTREK-1を活性化します。吸入麻酔薬の作用にも関与している関連チャネルTASK-3はキセノンに反応しません。 [155]キセノンは脊髄介在性鎮痛に寄与するニコチン性アセチルコリンα4β2受容体を阻害します。[156] [157]キセノンは細胞膜Ca 2+ ATPaseの効果的な阻害剤です。キセノンはCa 2+ ATPase内の疎水性孔に結合し、酵素が活性構造をとるのを防ぐことでCa 2+ ATPaseを阻害します。[158]
キセノンはセロトニン 5-HT3受容体の競合的阻害剤である。麻酔作用も鎮痛作用もないが、麻酔誘発性の吐き気や嘔吐を軽減する。[159]
キセノンは40歳で最小肺胞濃度（MAC）が72％であり、麻酔剤としてN2Oよりも44％強力です。[ 160]そのため、低酸素症のリスクが低い濃度で酸素と一緒に使用できます。亜酸化窒素とは異なり、キセノンは温室効果ガスではなく、環境に優しいと考えられています。[161]現代のシステムではリサイクルされていますが、大気中に放出されたキセノンは環境に影響を与えることなく、元の発生源に戻るだけです。
神経保護剤
キセノンは、さまざまなメカニズムを通じて強力な心臓保護と神経保護を誘導します。Ca 2+、K +、KATP \HIF、およびNMDA拮抗作用への影響により、キセノンは虚血性障害の前、最中、後に投与されると神経保護作用を示します。[162] [163]キセノンは、NMDA受容体グリシン部位の高親和性拮抗薬です。[151]キセノンは、薬理学的非虚血性プレコンディショニングを誘導することにより、虚血再灌流状態で心臓保護作用を示します。キセノンは、PKC-εおよび下流のp38-MAPKを活性化することにより心臓保護作用を示します。[164]キセノンは、ATP感受性カリウムチャネルを活性化することにより、神経虚血性プレコンディショニングを模倣します。[165]キセノンはスルホニル尿素受容体1サブユニットとは独立してATPを介したチャネル活性化阻害をアロステリックに減少させ、KATPチャネル開放時間と頻度を増加させる。[166]
スポーツドーピング
キセノン/酸素混合物を吸入すると、転写因子 HIF-1-αの生成が活性化され、エリスロポエチンの生成が増加する可能性がある。エリスロポエチンは赤血球の生成と運動能力を高めることが知られている。伝えられるところによると、キセノン吸入によるドーピングは2004年以降、おそらくそれ以前からロシアで行われている。[167] 2014年8月31日、世界アンチ・ドーピング機構（WADA）はキセノン（およびアルゴン）を禁止物質および禁止方法のリストに追加したが、これらのガスに対する信頼できるドーピング検査はまだ開発されていない。[168]さらに、キセノンがヒトのエリスロポエチン生成に及ぼす影響は、これまでのところ実証されていない。[169]
イメージング
キセノンの放射性同位元素 133 Xeからのガンマ線放出は、例えば単一光子放出コンピュータ断層撮影法によって心臓、肺、脳を画像化するために使用することができます。133 Xeは血流を測定するためにも使用されています。[170] [171] [172]
キセノン、特に超偏極129キセノンは、磁気共鳴画像法（MRI）の有用な造影剤です。気相では、多孔質サンプルの空洞、肺の肺胞、または肺内のガスの流れを画像化できます。[173] [174]キセノンは水と疎水性溶媒の両方に溶けるため、さまざまな柔らかい生体組織を画像化できます。[175] [176] [177]
キセノン129は現在、MRIスキャンの可視化剤として使用されています。患者が過分極キセノン129を吸入すると、肺の換気とガス交換を画像化し、定量化することができます。キセノン133とは異なり、キセノン129は非電離性であり、吸入しても副作用がなく安全です。[178]
手術
キセノン塩化物エキシマレーザーは皮膚科で特定の用途がある。[179]
NMR分光法
キセノン原子の大きく柔軟な外電子殻のため、NMRスペクトルは周囲の状況に応じて変化し、周囲の化学的状況をモニターするために使用することができます。例えば、水に溶解したキセノン、疎水性溶媒に溶解したキセノン、および特定のタンパク質に関連するキセノンは、NMRによって区別することができます。[180] [181]
超分極キセノンは表面化学者によって使用される。通常、表面からの信号はサンプルのバルク内の原子核からの信号に圧倒されるため、NMRで表面を特徴付けることは困難である。バルク内の原子核の数は表面の原子核の数よりはるかに多い。しかし、超分極キセノンガスからスピン分極を伝達することで、固体表面上の核スピンを選択的に分極させることができる。これにより、表面信号は測定してバルク信号と区別できるほど強力になる。[182] [183]
他の
原子力エネルギーの研究では、キセノンはバブルチャンバーや[184]プローブ、高分子量で不活性な化学が望ましい他の分野で使用されています。核兵器実験の副産物として、放射性のキセノン133とキセノン135が放出されます。これらの同位体は、核実験禁止条約の遵守を確実にするために監視され、[185] 、北朝鮮などの国による核実験を確認するために使用されます。[186]
液体キセノンは、ガンマ線を測定するためのカロリメータ[187]や、仮想的に弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）の検出器として使用されています。WIMPがキセノン原子核と衝突すると、理論的には電離とシンチレーションを引き起こすのに十分なエネルギーを与えると予測されています。液体キセノンは、その密度によって暗黒物質との相互作用が起きやすくなり、自己遮蔽によって静かな検出器を実現できるため、これらの実験に有用です。
キセノンは、原子量あたりのイオン化ポテンシャルが低く、室温近く（高圧下）で液体として保管でき、簡単に蒸発させてエンジンに供給できるため、宇宙船のイオン推進用の推進剤として好まれています。キセノンは不活性で環境に優しく、水銀やセシウムなどの他の燃料よりもイオンエンジンに対する腐食性が低いです。キセノンは1970年代に初めて衛星イオンエンジンに使用されました。[188]その後、JPLのディープスペース1探査機、ヨーロッパのSMART-1宇宙船[26] 、NASAのドーン宇宙船の3つのイオン推進エンジンの推進剤として採用されました。[189]
化学的には、過キセノン酸塩化合物は分析化学において酸化剤として使用される。二フッ化キセノンはシリコンのエッチング剤として使用され、特にマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）の製造に用いられる。 [190]抗癌剤5-フルオロウラシルは、二フッ化キセノンとウラシルを反応させることで製造できる。[191]キセノンはタンパク質結晶構造解析にも使用される。タンパク質結晶に0.5～ 5MPa（5～50 気圧）の圧力をかけると 、キセノン原子は主に疎水性の空洞に結合し、多くの場合、位相問題の解決に使用できる高品質で同形の重原子誘導体を生成する。[192] [193]
予防
| 危険 | |
|---|---|
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
キセノンガスは、通常の密閉されたガラスまたは金属容器に入れて標準温度および圧力で安全に保管できます。しかし、ほとんどのプラスチックやゴムに容易に溶解し、そのような材料で密閉された容器からは徐々に漏れ出します。[195]キセノンは無毒ですが、血液に溶解し、血液脳関門を通過する特定の物質のグループに属し、酸素とともに高濃度で吸入すると軽度から完全な外科麻酔を引き起こします。[196]
キセノンガス中の音速（169 m/s）は、空気中の音速よりも遅い[197]。これは、重いキセノン原子の平均速度が、空気中の窒素分子や酸素分子の平均速度よりも遅いためである。したがって、キセノンは呼気時に声帯内でよりゆっくりと振動し、低い声のトーン（低周波が強調された音であるが、基本周波数またはピッチは変化しない）を生成する。これは、ヘリウムで生成される高いトーンの声とは逆の効果である。具体的には、声道がキセノンガスで満たされると、その自然共鳴周波数は、空気で満たされているときよりも低くなる。したがって、声帯の同じ直接振動によって生成される音波の低周波が強調され、声道によって増幅された音の音色が変化する。ヘリウムと同様に、キセノンは体の酸素需要を満たさず、単純な窒息剤であると同時に、亜酸化窒素よりも強力な麻酔剤でもある。その結果、キセノンは高価であるため、多くの大学では一般化学の実演としてこの音声スタントを禁止している。[198]六フッ化硫黄ガスはキセノンと分子量が似ており（146対131）、より安価で、窒息性ではあるが毒性や麻酔性はなく、これらの実演では代用されることが多い。[199]
キセノンや六フッ化硫黄などの高濃度ガスは、少なくとも 20% の酸素と混合すれば安全に呼吸できる。80% の濃度のキセノンを 20% の酸素と混合すると、全身麻酔による意識消失が急速に起こる。呼吸により、異なる濃度のガスが非常に効果的かつ急速に混合されるため、重いガスは酸素とともに排出され、肺の底に蓄積されない。[200]しかし、大量の重いガスには危険が伴う。容器の中に目に見えない状態で留まっている可能性があり、無臭で無色のガスで満たされた場所に入ると、警告なしに窒息する可能性がある。キセノンは、これが懸念されるほど大量に使用されることはめったにないが、キセノンのタンクまたは容器が換気されていない空間に保管されている場合はいつでも危険の可能性が存在する。[201]
キセノン酸ナトリウムなどの水溶性キセノン化合物は中程度の毒性があるが、体内での半減期は非常に短く、静脈注射されたキセノン酸は約1分で元素キセノンに還元される。[196]
参照
注記
- ^ 太陽系の原子の平均質量が約 1.29 原子質量単位であることから計算された質量分率。
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外部リンク
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- ビデオ周期表のキセノン（ノッティンガム大学）
- USGS 周期表 – キセノン
- EnvironmentalChemistry.com – キセノン
- ウィリアム・ラムゼイ卿のノーベル賞講演（1904年）