Ksenonas ir deguonis: sudėtingi santykiai

Ksenonas ir deguonis: sudėtingi santykiai

Andrejus Vakulka
Chemijos daktaras
Jozsef Stefan institutas (Liubliana, Slovėnija)
"Mokslas ir gyvenimas" № 5, 2018

Inert, arba, kaip jie vadinami, kilmingi, dujos labai nenoriai prisiima cheminių reakcijų su kitais elementais. Pavyzdžiui, argonas, helis ir neonas nesukuria stabilių cheminių junginių. Bent jau kol jų junginiai bus rasta ir gautas. "Štai kodėl jie yra inertiški", – sako vienas iš mūsų. Tačiau 1933 m. Amerikos chemikas, būsimasis Nobelio premijos laureatas Linusas Paulingas, numatė egzistavimą iš brangių dujų junginių. Ksenonas yra pirmasis tarp tauriųjų dujų, kuris pritraukė mokslininkų dėmesį kaip cheminės sąveikos pretendentas. 1960-aisiais buvo gautas jo junginys su fluoru ir platina Xe.+[PtF6], kaip pranešė 1962 m. Anglijos chemikas Neilas Bartlettas, šiuo metu dirbantis Britų Kolumbijos universitete (Kanadoje). Ksenono atomas buvo gana "suderinamas" ir galėjo oksiduotis esant platinos fluoridui PtF6. Nei Bartlett, nei kas nors kitas niekada negalėjo nustatyti, kaip tiksliai sutvarkomas šis junginys (žr. "Mokslas ir gyvenimas", Nr. 8, 2016, straipsnis "Neišspręstų elementų").Ksenono ir vėliau kriptono chemija "sukasi" daugiausia aplink fluorą ir jo junginius. Nepaisant to, šiandien yra patikimai nustatytas medžiagų, kuriose ksenonas yra susijęs su deguonies, azoto, anglies, boro, vandenilio ir netgi aukso, buvimas. Yra cheminė medžiaga, kurios ryšys tarp pačių ksenono atomų su siaubinga Xe formule2+Sb4F21. Galiausiai ksenonas, kaip ir kai kurios kitos kilniosios dujos, gali kurti vadinamuosius prisijungimo junginius arba klatratus, kuriuose ksenono aortai yra įstrigę kitų medžiagų kristalų talpyklose, pvz., Vandenyje – Xe · 5,75H2O.

Atkreipkite dėmesį, kad sovietiniai chemikai labai prisidėjo prie ksenono chemijos tyrimo. 1967 m. Būsimoji akademija Valerijus Aleksejevičius Legasovas apgynė savo disertaciją, kurioje jis apibūdino kietųjų dujų junginių gamybą.

Imk viską ir išspauskite …

Ką apie ksenono junginius su deguonimi? Jei sumaišysite dujinį deguonį ir dujinį ksenoną, niekas neįvyks. Nei karštis, nei ultravioletinė spinduliai nepadės. Tačiau, 2016 m. Gegužės 30 d. Žurnale Gamtos chemija pasirodė pranešimas apie eksperimentą su ksenono ir deguonies mišiniu. Chemikams pavyko gauti du ksenono deguonies junginius: Xe2O5 ir Xe3O2, įrodo, kad deguonis gali būti tiesiogiai sujungtas su ksenonu, nors didelis slėgis yra 100 GPa (beveik milijonas kartų daugiau nei įprastas atmosferos slėgis).

Bet kaip sukurti tokį didžiulį spaudimą? Ir kaip galima gauti bet kokius duomenis apie cheminę medžiagą, sintezuotą panašiu būdu, nors ji negali būti išgaunama iš reakcijos indo? Šis slėgis pasiekiamas suspaudžiant ir šildant deguonies ir ksenono mišinį su lazeriu. Jis sukurtas ląstelėje, pagaminta iš deimantų – vadinama "deimanto anvil ląstelė". Tai yra dažniausiai naudojamas tyrimas aukšto slėgio chemijos srityje. Reaktyviosios medžiagos yra tarp dviejų dekoruotų kūgio formos briaunų. Taigi jėga perduodama mažiems paviršiams, kurių skersmuo yra mažesnis nei vienas milimetras. Norėdami išspausti dujas ir skysčius, naudokite specialų dizainą, pavadintą "Gasket" (iš anglų kalbos). tarpinė – tarpiklis, pakavimas, įdėklas); Deimantės kaip tokios ląstelės medžiagos pranašumas yra jos gebėjimas atlaikyti sunkias apkrovas. Bet kaip jūs žinote, ar cheminės medžiagos reaguoja, o jei jie reaguoja, kas tiksliai susidaro? Šis tirpalas yra įtvirtintas pačioje anvilio medžiagoje.Deimantas yra skaidrus įvairių tipų spinduliavimui, ir tai leidžia mums tyrinėti medžiagas, gautas esant slėgiui, neatverdamas ląstelės.

Tipiškas deimantinio kojinių liemens dizainas susideda iš dviejų kūgio formos briaunoto deimantų, kurie susiduria vienas su kitu smailiais galais. Jėga perduodama deimantų mechaniniu suspaudimu. Tarp paviršių yra vadinamoji tarpinė – diskas pagamintas iš metalinio renio. Foto: Steve Jacobsen / Šiaurės vakarų universitetas

Mažiau nei šešis mėnesius nuo šio straipsnio paskelbimo Gamtos chemija, 2016 spalio 17 d. Žurnale Gamta buvo pranešimas apie kitą ksenono eksperimentą. Viskas vienoje deimanto ląstelėje galėjo gauti šių kietųjų dujų junginius azotu tiesiogine sąveika su paprastomis medžiagomis.

Ką dar galėtumėte pakelti ksenoną? Pasirodo, kad esant 50 GPa slėgiui ledas (vanduo negali egzistuoti skystoje formoje esant tokiam slėgiui) pradeda reaguoti su ksenonu ir gaunama medžiaga su kita įsivaizduojama formulė Xe4H12O12. Tai ne tik ksenonas, įstrigęs į ledo tuštumą, bet ir tikras ryšys. Christelle Sanlu ir jo kolegos iš Edinburgo universiteto sugebėjo jį priimti.Be išskirtinio ksenono, ty ypatingos chemijos, derinio, šiame darbe pažymėtina, kad ksenono trūkumas tokių planetų kaip Urano ir Neptūno atmosferoje gali būti aiškiai paaiškintas jo junginių su vandeniu susidarymu, kuris yra pakankamai tolygus. Fantastika mokslininkai eina dar toliau: jie pasiūlė, kad ant žemės yra visai įmanoma toks ksenono įrišimo mechanizmas. Iš tikrųjų, žemės apvalkale yra vietų, kuriose slėgis yra tinkamas, temperatūra yra 1000-1500 ° C, ir yra vandens.

Fluorido tarpininkavimas

Pažvelkime į šiuolaikinius ksenono tyrimus ir pažiūrėkime į deguonies junginių chemiją, kuri klesti XX a. Kaip jie buvo gauti be kvapą gniaužiantį spaudimą? Žinoma, turėjau ieškoti kitų požiūrių. Vienas iš jų yra ksenono fluoridų reakcija su vandeniu. Yra žinoma, kad daug fluoridų (bet kurio elemento su fluoru junginiai) netoleruoja drėgmės, arba, kitaip tariant, deguonis iš vandens pakeičia fluoridą iš fluorido. Pirmą kartą buvo gautas ksenono oksidas, kuriame yra trys deguonies atomai vienam ksenono atramui arba XeO3. 1963 m. D. H. Templeton su kolegomis (Čikagos universitetas, JAV) ištirpino XeF fluorido ksenoną4 vandenyje ir tuo pačiu metu susidaro skaidrūs ksenono trioksido kristalai. Atitinkamas pranešimas buvo paskelbtas 1963 m. Vasario 2 d Amerikos chemijos draugijos leidinys. Gautas oksidas pasirodė esąs neįprastai stiprus oksidatorius, o kas dar įdomiau – sprogi. Apie šio spinduliuotojo oksido skilimą tais pačiais metais žurnale Mokslas pranešė Neil Bartlett. Pasak eksperimento, oksidas sprogo, kai kaitinamas iki 30-40 ° C vakuume. Tačiau, nepaisant oksidacinių ir sprogių savybių, oksidas nesulaukė plačios praktinės ar net laboratorinės paskirties.

Chronologiškai antroji yra ksenono oksidas, kuriame yra keturi deguonies atomai vienam atomiui arba XeO4. 1964 m. Kovo 13 d. JL Huston ir jo kolegos (Argonne National Laboratory, Illinois, JAV) žurnale paskelbė pranešimą Mokslaskur aprašė šio oksido paruošimą per natrio perksenato sąveiką su sieros rūgšties tirpalu. Ksenono tetroksidas yra nestabili cheminė medžiaga; esant aukštesnei nei 0 ° C temperatūrai, ji suskaido su sprogimu. Tai gamina dujinį deguonį ir ksenoną.

Galiausiai paskutinė iš labiausiai paprastų ksenono oksidų serija buvo gauta beveik mūsų laiku. 2011 m. Vasario 22 d. McMaster universitete (Kanada) D.S. Brock ir G.J."Schrobilgen" gali gauti ksenono dioksidą XeO2. Įdomu tai, kad jie naudojo gana paprastą Xenofluorido XeF reakciją4 su vandeniu ir vandeniniu sieros rūgšties tirpalu.

Iš viso šiandien žinoma daugiau kaip 100 ksenono junginių.

Iš kur žemėje ksenonas ir kur jis vyko?

Ksenonas yra įdomus ne tik kaip neįprastų cheminių sąveikų dalyvis. Jis naudojamas kaip pagrindinis žymeklis tiriant Saulės sistemos ir Žemės atmosferos evoliuciją. Ksenono kiekis krasto, mantijos, atmosferos, meteorito ir kometinės medžiagos, saulės vėjo ir kitų planetų srityje yra svarbiausias tyrimo objektas. Žemės ksenono istorija tikriausiai prasideda Saulės sistemos atsiradimu, kai jos "tėvai" – jodas 129, plutonis-244 ir uranas-238 – išsibarstė periferinę aplink sukuriamą saulę ir, suskaidžius, gamino pirmuosius ksenono azotus laipsniškai sustorėjančioje materijos diske iš kurių buvo sudarytos planetos, meteoritai ir kometos. Iš šių izotopų tik uranas-238 išgyveno pastebimai iki šiol. Jodo-129 ir plutonio-244 priklauso "išnykusiems" izotopams, nessSaulės sistemos masto jie negalėjo išgyventi (jodo-129 pusėjimo trukmė yra maždaug 16 milijonų metų, o plutonis-244 – maždaug 80 milijonų metų) ir suskaidė prieš sukūrus Saulės sistemą ir iš tiesų Žemės modernaus pavidalo. Bet tai buvo jodo-129, kuris davė mums vieną iš ksenono izotopų – ksenono-129. Šis izotopas, kurį galime rasti žemės atmosferos sudėtyje. Be to, tai yra dar daugiau Žemėje nei meteorizuotoje chondritų medžiagoje (akmens meteoritai, panašūs į sudėtį į saulės matereną). Savo ruožtu plutonio-244 skilimo metu atsirado sunkiųjų ksenono izotopų. Be to, jo skilimo metu susidaro daug serijos ksenono izotopų: ksenonas-131, ksenonas-132, ksenonas-134 ir ksenonas-136. Tas pats ksenono asortimentas gaunamas iš urano-238, kuris šiandien nėra nieko dingęs dėl labai ilgo pusėjimo trukmės (~ 4,5 milijardo metų).

Ką ksenonas gali mums pasakyti apie mūsų planetos istoriją? Įsivaizduokite, kad atsirandanti Žemė buvo labai karšta smulkių daiktų dalis. Ir dabar pabandykite atsakyti į paprastą klausimą: kas atsitiks su tokiomis šildomomis masėmis esančiomis dujomis ir ištirpusiomis dujomis? Žinoma, jie iš esmės išnyks į kosmosą. Iš dalies juos išlaikyti gali būti tik žemiškoji agonija.Tai reiškia, kad žemės atmosferos sudėtis bus praturtinta sunkiaisiais atomais, o šviesos atomai paliks ją. Taigi Žemės kilmės metu dujinis ksenonas iš esmės turėjo išnykti. Bet mūsų planeta pradėjo atvėsti, nes ji vėl praturtina dujas ir formuoja atmosferą. Su visais tokiais metamorfozais, jodo-129, plutonis-244, tuo labiau uranas-238 niekur neišnyko iš sausumos medžiagos ir todėl jie po to, kai aušinome planetą, toliau papildė atmosferą ir apvalkalą su ksenono atomais. Jei žemė labai lėtai atvėsta, tada, kol ji atšaldyta, beveik visas jodas suskaidytų ir dėl to susidarys aukštas temperatūros ksenonas. Jei Žemė atšaldytų laiką, atitinkantį jodo-129 pusėjimo trukmę, tada didelė jodo dalis turėjo išgyventi ir toliau gaminti ksenono-129. Tuo pačiu metu ant aušinto Žemės ksenonas turėjo likti, kaip pastebėta. Tai reiškia, kad mūsų planetai atšaldė ne daugiau kaip po kelių jodo-129 skilimo pusių.

Kitas įdomus faktas yra tai, kad ksenono koncentracija Žemės atmosferoje ir kai kuriose kitose Saulės sistemos planetose vis dar gerokai mažesnė už kitų kilniųjų dujų kiekį (žr. Lentelę). Tuo pačiu metu labiausiai paplitusių kilnių dujų mūsų atmosferoje yra argonas.Tokia pat nuotrauka pastebima ir Marsse, kur ksenono koncentracija atmosferoje yra beveik identiška Žemės. Argonas atmosferoje galėjo susidaryti dėl radioaktyvaus kalio-40 skilimo, kuris gamtoje yra nepalyginamai didesnis nei, pavyzdžiui, uranas-238. Todėl yra tiek daug argono. Kita vertus, sunku paaiškinti ksenono stygių. Šis klausimas išsamiai aptartas su Bayreutho universiteto (Vokietija) profesoriaus Hansu Kepplerio kūriniais su bendraautoriais. Profesorius Köppler ir jo kolega Šventoji Šček studijavo ksenono ir kitų tauriųjų dujų tirpumą magnio perovicito mineraluose arba MgSiO3, kuris dideliais kiekiais yra Žemosios apvalkalo žemėje. Paaiškėjo, kad geriausias mineralas ištirpsta argono ir kriptono gana gerai, o ksenonas ištirpsta blogiausia. Natūralu, kad eksperimentuose "tirpimas" buvo vykdomas milžinišku 25 GPa slėgiu ir 1600-1800 ° C temperatūra. Taigi tuo metu, kai Žemė vis tiek išsišiepė, "karštos" kolonos "paslėpė" tauriųjų dujų, ir tik ksenonas nebuvo laimingas, nes šioje masėje jis ištirpsta blogiau nei kiti. Taigi Žemė gali prarasti didelę savo ksenono dalį (jis tiesioggaruojant į aukštesnę temperatūrą į kosmosą) ir sutaupyti daug kitų kilnų dujų, visų pirma argono.

Lentelė Lyginant kai kurių tauriųjų dujų atmosferoje Žemėje ir Marse

AtmosferaNobelio dujos (ppmv – tūrinės dalys milijonui)
NeonasArgonasKriptonasKsenonas
Iš žemės18,1893401,140,087
Marsas2,516 0000,30,08

Žemės masė, slėgis didėja gylyje ir pasiekia 1,3 MPa 50 km gylyje. Tačiau tai yra mažiausiai 1000 kartų mažesnė už aukščiau aprašytų bandymų spaudimą. Pasiekus 2900 km gylyje esančią Žemės branduolį, slėgis siekia 142 GPa, kuris yra arčiau Kepplerio eksperimentų sąlygų. Taip pat yra įmanoma, kad dalis ksenono nebuvo išgaruoti ankstyvuoju Žemės gyvenimo laikotarpiu, bet "slėpė" dideliu gyliu kaip tam tikras junginys su deguonimi, todėl atmosferoje nepakanka ksenono ?! Bet kaip jis galėjo būti tokioje gylyje? Tikriausiai tuo metu, kai Žemė buvo karšta ir didelė masinė sausųjų medžiagų masė buvo maišyta, ksenonas buvo paskirstytas visame planetos apimtyje, įskaitant giliuosius sluoksnius. Ir mes galime kalbėti ne tik apie banalų ištirpimą, bet ir apie ksenono junginių susidarymą su apvalkalo medžiaga.

Apskritai buvo iškelta daugybė hipotezių apie mažą ksenono kiekį atmosferoje.Prieš Kepplerio tyrimą buvo daroma prielaida, kad ksenonas gali paslėpti Žemės paviršiaus sluoksniuose – silikatuose ir ledynuose. Tačiau tokių ksenono kaupimosi nebuvo nustatyta. Taip pat buvo laikoma, kad ksenonas ištirpsta liaukoje. Ši hipotezė taip pat nėra patvirtinta. Bet kodėl ksenono atsargos, kurios "neišliko" ekstremalioms ankstyvojo Žemės gyvenimo sąlygoms, nebuvo papildytos urano-129 išsiliejimu, vis dar jame esančiu "plutonium-244" ir uranu-238, kuris iki šiol nebuvo prarastas?

Yra keletas hipotezių apie ksenono išvaizdą Žemėje. Vienas iš jų yra kometinis. Kometos turi su jais saugomą informaciją apie Saulės sistemos praeitį, nes jos sukasi aplink Saulę nuo pat jos kilmės pradžios. Deja, iki šiol buvo ištirti labai nedaug šių dangaus kūnų. Viena iš paskutinių jų mokslinių tyrimų misijų buvo atlikta 2000-ųjų pradžioje. Europos aparatas "Rosetta" buvo išsiųstas į kometą 67P / Churyumov-Gerasimenko 2004 m. Vienas iš šio skrydžio tikslų buvo tyrinėti branduolio cheminę sudėtį ir kometos dujinį apvalkalą (vadinamąją komą). Remiantis ilgalaikių matavimų metu gautų rezultatų duomenimis, 2017 m. Buvo padaryta išvada, kad 22 ± 5% sausumos ksenono yra kometinės kilmės – be ksenono, kurį Žemė gauna iš Saulės (Saulės vėjas).Taip, būtent: pagrindinė ksenono dalis gali gauti Žemę iš Saulės! Saulės vėjas perdoja protonus, elektronus ir helio jėgas Saulės sistemoje, o visa kita yra labai mažuose kiekiuose. Kita vertus, chondritai, kurie sudaro daugiau kaip 90% visų į Žemę patenkančių meteoritų, atnešė jiems ksenono ir, galbūt, ankstyvos epochos Žemės plėtojimo jodo-129, plutonio-244 ir naujų urano-238 dalių.

Kometą 67P / Churyumov-Gerasimenko 1969 m. Atrado Kijevo astronomas Klimas Churyumovas fotografuojant Svetlana Герасименко. Sudaryta iš dviejų lydytų dalių. Kosmetika Rosetta kometoje užregistravo septynis ksenono izotopus. Foto: Wikimedia Commons / ESA / Rosetta / NAVCAM / CC BY-SA 3.0-igo

Tačiau visa tai galima laikyti patikima tik tuo atveju, jei kitų kometų dujų paketai turi tokią pačią cheminę sudėtį kaip ir kometos 67P / Churyumov-Gerasimenko. Nežinote, ar turime pakankamai materialių išteklių, kad galėtume patikrinti visus žinomus kometus! Iki šiol buvo užfiksuota daugiau kaip 400 trumpalaikių kometų, o tik aštuonios buvo tirtos naudojant erdvėlaivius. Tokiu greičiu mes negalėsime skleisti kompozicijos duomenų į bet kurį statistiškai reikšmingą objektų skaičių.Kometinė ksenono kilmė yra labai tikėtina, bet greičiausiai ji negali būti vienintelė, ir patvirtinti būtina palyginti sunkiųjų ir lengvų ksenono atomų santykį su kometomis ir Žemėje.

Su kitais dangaus kūnais – meteoritais – viskas yra šiek tiek paprastesnė. Jie patenka tiesiai į Žemę, todėl juos lengviau mokytis. Pesimizmą sukėlė tik tai, kad Žemėje ir kituose planetuose yra daug ksenono šaltinių, o ksenono sąveika yra daug veiksnių, užpildančių Žemę, o tai sukuria užduotį su daugybe nežinomų ir sunkiai imituojamų. Tačiau jo sėkmingas sprendimas padėtų atskleisti daugybę Saulės sistemos vystymosi paslapčių, o gal net ir gyvenimo Žemėje.

Žibintai iš ksenono lempų Tsushimo sąsiauryje, naudojami Japonijos žvejų, kai jie sugauna kalmarus. 2013 m. Rugsėjo mėn. Vienas iš 37-osios ekspedicijos įgulos narių į Tarptautinę kosminę stotį užfiksavo Cousimaso sąsiaurio nuotrauką. Foto: earthobservatory.nasa.gov

Neturėtų susidaryti įspūdis, kad ksenono mokslas baigiasi tik minėtomis problemomis. Pateikėme tik įdomiausius faktus, susijusius su šiuo elementu.kurio pavadinimas puikiai atspindi jos esmę (ksenonas – iš graikų ξένος – "svetimas", "keistas" arba "svečias"). Prisiminkite, kad šis kilnus dujas rasite daugelyje programų. Tai yra ksenono lempos (naudojamos Far Eastern žvejams pritraukti kalmarus), lazerinė technologija, tamsiosios medžiagos detektoriai, raketų degalų oksidatoriai ir beveik fantastinis elektromechaninis reaktyvinis variklis. Ir galiausiai, ksenono chemijos atsiradimas šiek tiek tikėjo, kad tokios "neprieinamos" kilnios dujos, kaip neonas ir helis, vieną kartą galės mums suteikti naują chemiją.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: