Ксенон: факты и фактики
Может ли инертный газ вступать в химические реакции? Да, наиболее тяжелые инертные газы — криптон, ксенон и радон — вступают в химические реакции, образуя при этом ковалентные связи. Первыми были получены фториды ксенона, а сделал это канадский исследователь Нил Бартлет (интервью с ним см. в «Химии и жизни», 1982, № 2). В 1956 году он пытался очистить шестифтористую платину от бромидов с помощью фтора. Для этого в кварцевую трубку он поместил гексафторид, нагрел и стал пропускать фтор. Пошли красные пары, причем в большом количестве, как будто бы не соответствующем возможному содержанию примесей брома. Приглядевшись, исследователь заметил, что на холодном конце трубки оседают кристаллы. Они оказались вовсе не соединением брома: гексафторид умудрился отобрать электрон у кислорода и превратиться в соединение О2PtF6.А вскоре Бартлету во время подготовки к лекции попалась на глаза диаграмма — зависимость потенциала ионизации от номера элемента. Из нее следовало, что у ксенона потенциал ненамного меньше, чем у кислорода. Значит, аналогичная реакция может пройти ис этим инертным газом. После лекции Бартлет прошелся по друзьям, раздобыл ксенон и провел реакцию. Она получилась: инертный газ прореагировал с гексафторидом и дал желтые кристаллы. Увы, Нобелевская премия Бартлету не досталась, хотя событие было долгожданным. Первым о химических соединениях ксенона в 1924 году заговорил некто Антипофф — химик из Германии, а в 1954 году о них же упомянул Лайнус Полинг — существование фторидов ксенона следовало из его теории резонанса. Сейчас фторид ксенона служит мощным окислителем при проведении химических реакций — при нормальных условиях это твердое вещество, поэтому работать с ним несравненно удобнее, чем с газообразным и крайне опасным фтором или жидкой плавиковой кислотой. Правда, и гораздо дороже, ведь сам по себе ксенон стоит немало. С тех пор было получено более сотни соединений ксенона, причем не только с фтором: активно развивается химия углеводородных соединений этого элемента. Есть мнение, что его атомы можно включать в цепочку любого полимера, было бы желание (см. «Химию и жизнь», 2003, № 7—8). Имеются и соединения с несколькими атомами ксенона, например НXеОХеН. Некоторые гидридные соединения Xe метастабильны и, обладая большим запасом энергии, способны взрываться. Этому препятствует высокий энергетический барьер («Accounts of Chemical Research», 2009, 42, 1, 83—191; doi: 10.1021/ar800110q). Пока что гидридные и углеводородные соединения ксенона получают при низкой температуре, в матрицах из замороженного ксенона, но ученые надеются перейти и к реакциям в газовой фазе.
Что такое ксеноновый лазер? Лазер на возбужденном димере ксенона эксимерный лазер (от английского excited dimer) —в 1971 году сделала группа нобелевского лауреата академика Н.Г.Басова в Физическом институте АН СССР им. П.Н.Лебедева. В таком лазере атомы ксенона, возбудившись под действием пучка электронов, формируют молекулы Xe2. При снятии возбуждения молекула излучает ультрафиолетовый квант с длиной волны 172 нм и распадается. На этом принципе были созданы эксимерные лазеры на галогенидах ксенона. Лазер на хлориде ксенона получил широкое распространение в медицине: он излучает на длине волны 308 нм, то есть попадает почти в середину так называемого В-диапазона ультрафиолета — того самого, от которого надо защищаться. Но медики обратили сильную биологическую активность этого излучения на пользу: ксенон-хлоридный лазер служит для лечения псориаза и витилиго (потеря пигментации на отдельных участках кожи). В первом случае он уничтожает Т-лимфоциты в псориазных бляшках — считается, что именно миграция этих клеток в верхние слои кожи и выделение там сигнальных веществ вызывает хроническое воспаление. А во втором случае обработка пораженных болезнью участков тела лазером по два-три раза в неделю на протяжении полугода восстанавливает пигментацию более чем на три четверти. Впрочем, так же действовала и лампа на хлориде ксенона, дающая некогерентное излучение («British Journal of Dermatology», 2012, 167, 3, 468—478; doi: 10.1111/j.1365-2133.2012.11008.x).
Зачем нужны лампы с ксеноном? Прежде всего для получения ультрафиолета. Раньше источником ультрафиолета служили ртутные лампы, однако ртуть вредна, и от нее стремятся избавиться. Пары ртути можно заменить как на чистый ксеноновый димер, так и на димер в смеси с галогенами. Это позволяет получать ультрафиолет в широком диапазоне, от коротковолнового до длинноволнового. Такие лампы находят применение в фотолитографии, фотопечати, обеззараживании помещений, разложении органических отходов, фототравлении полимеров. Особенно хорошо загорать под ксенон-хлоридной лампой. Есть и другие типы ксеноновых ламп — в них электрическая дуга светится в атмосфере ксенона и дает чрезвычайно яркий свет, эти лампы используют в кинопроекторах и в качестве театральных софитов. Мощность ксеноновых ламп бывает огромной: так, в СССР создали уникальную лампу «Сириус» мощностью 300 кВт, способную осветить целую городскую площадь. В автомобильных фарах, известных под названием ксеноновых, на самом деле стоят металл-галидные лампы. В них сначала очень быстро загорается дуга в атмосфере ксенона, она не только светится, но и нагревает соли натрия и скандия. Их пары и дают основной свет такой лампы; он получается синеватым, в отличие от желтоватого света лампы с вольфрамовой спиралью. Свет ксеноновой фары очень ярок, и во избежание ослепления встречных водителей ее надо хорошо регулировать. Возможно, поэтому у законодателей то и дело возникает желание запретить ксеноновые фары. Ксенон может присутствовать и в галогеновой лампе. Ее вольфрамовая нить защищена слоем галогена и спрятана в колбе, которая может быть помещена в тяжелый инертный газ: он гораздо хуже проводит тепло, чем воздух, и это продлевает жизнь спирали.
Как гадают на ксеноне? Гаданиями по благородным газам занимаются геологи и планетологи. Ксенон предоставляет им обширное поле деятельности, поскольку имеет несколько радиоактивных изотопов с продолжительным временем жизни. База же для гадания такая: ксенон, не вступая в химические реакции с веществами, образовавшими нашу планету, может в них только растворяться. А тот, что не растворился, должен улететь прочь на ранних стадиях образования небесного тела, так называемом этапе дегазации. Поэтому несовпадение соотношения концентрации изотопов этого газа в породах позволяет высказать догадки об их происхождении. Например, известно, что отношение радиоактивного Хе-129 к стабильному Хе-130 в островных базальтах (таких, как сформированные вулканами в Исландии) меньше, чем в базальтах океанических хребтов. Хе-129 образуется из I-129, а тот должен был исчезнуть спустя 100 миллионов лет после образования планеты, и, значит, это соотношение — запись о древних событиях. Но прочитать ее можно по-разному. Например, трактовать различие как наличие резервуара стабильного ксенона в нижней мантии, материал которой и поступает в островные базальты через вулканы. Или предположить, что в островные базальты попадает ксенон из воздуха, оттого они и обогащены стабильным газом. Есть и третья версия: мантия Земли унаследовала летучие компоненты по крайней мере из двух источников, и ни 4,45 миллиарда лет перемешивания, ни событие, приведшее к извержению Луны, не стерли это различие («Nature», 2012, 486, 7401, 101—104; doi: 10.1038/nature11141).
Другая запись — значительное снижение отношения ксенона к аргону в атмосферах Земли и Марса по сравнению с хондритовыми метеоритами. В последних содержится запись об исходном соотношении изотопов в протопланетном облаке. Причиной его нарушения на Земле может быть различная растворимость этих газов в кристаллическом перовските MgSiO3: аргон в нем остался, а ксенон улетел. Это означает, что перовскит кристаллизовался на ранних этапах и сохранил аргон в нижней мантии.
Измерение концентрации ксенона-131, 133 и 135 в атмосфере — важный метод контроля при испытаниях ядерного оружия, авариях на атомных электростанциях, а также при любой обработке радиоактивных материалов. Дело в том, что каждый из этих видов деятельности дает свой набор изотопов, и по их соотношению можно вычислить источник. Например, измерения Хе-133 в атмосфере позволили немецким физикам определить, что после взрыва на АЭС в Фукусиме радиоактивное облако быстро поднялось в тропопаузу и отправилось в путешествие по земному шару. А в приземном слое над Германией это облако появилось лишь спустя несколько дней после того, как оно прошло на больших высотах («Journal of the Environmental Radioactivity», 2014, 32C, 94 99; doi: 10.1016/j.jenvrad.2014.02.002).
Как ксенон используют в космосе? Ксенон, самый тяжелый из стабильных инертных газов, как нельзя лучше подходит на роль рабочего тела реактивного ионного двигателя. Напомним, что в реактивном двигателе тяга создается за счет выброса рабочего тела: унося прочь импульс, он придает импульс противоположного знака разгоняемому объекту. А поскольку импульс — произведение массы на скорость, то чем тяжелее рабочее тело, тем лучше. В ионном двигателе ионы ксенона разгоняют электрическим полем. Тяга получается небольшая, но двигатель работает долго, годами, и за это время может разогнать корабль до огромных скоростей. Такие двигатели применяют для длительных экспедиций к планетам Солнечной системы. Ионные двигатели служат и для маневрирования космических кораблей.
Как ксеноном ловят частицы темной материи? Детектор XENON100 из 62 кг жидкого ксенона установлен в итальянской обсерватории Гран-Сассо в 2011 году. А в 2013 году 118 кг жидкого ксенона было залито в криостат детектора LUX (Large Underground Xenon, большой подземный ксеноновый) Стенфордского университета в Южной Дакоте. В 2013 году в Гран-Сассо начались работы по установке детектора в одну тонну. Суть идеи такова. Охлажденный ксенон — плотная, 3000 кг/м3, жидкость, состоящая из массивных атомов. Если частица темной материи попадет в атом, тот возбудится и выдаст квант света. При этом следует ожидать его ионизации, и вылетевший электрон, пройдя сквозь 30-сантиметровую толщу ксенона (такому пути соответствует время жизни свободного электрона в нем), попадет в детектор и даст вторую вспышку. Холодная жидкость — лучший материал для такого опыта, поскольку в твердом теле кристаллическая решетка могла бы все эти сигналы рассеять, а чем выше температура, тем больше возникает ошибок. Поэтому и понадобился благородный газ, сохраняющийся в виде жидкости при сильном охлаждении. Ксенон сам по себе слабо радиоактивен. Кроме того, снаружи детектор закрыт слоем ксенона весом в 100 кг. Учитываются только события, прошедшие внутри, а внешний слой служит для анализа фона.
Что такое ксеноновая анестезия? Ксенон, как инертный наполнитель, вводят в смеси для дыхания подводников, где он заменяет азот. Именно при работе с такими смесями в 1939 году был обнаружен эффект ксенонового опьянения. Поскольку другой газ с подобным свойством — веселящий газ, или закись азота N2О, — обладает анестезирующим эффектом, возникла мысль использовать ксенон и в этом качестве. Идея оправдалась: ксенон оказался прекрасным средством для общего наркоза. Он совсем не сказывается на кровеносной системе и быстро выводится из организма, так что многие считают его идеальным средством для анестезии. В Германии ксеноновая анестезия была разрешена в 2005 году, во всех странах ЕС —в 2007-м. Более того, оказалось, что ксенон (и в меньшей степени аргон) защищает нервные клетки, отключенные от кровоснабжения, то есть служит нейропротектором, что делает его незаменимым средством при нейрохирургии. Он же помогает лечить последствия нарушений мозгового кровообращения. Липосомные капсулы с ксеноном, которые давали подопытным животным даже спустя пять часов после инсульта, улучшали их состояние, а наиболее эффективной была «ксенонотерапия» в течение первых трех часов («CNS Neuroscience & Therapeutics», 2013, 19, 10, 773—784; doi: 10.1111/cns.12159). Способность ксенона и аргона замедлять апоптоз доказана прямыми опытами на культурах клеток, которых травили всякими способами: когда эксперимент ставили в атмосфере, где азот был заменен ксеноном и аргоном, число погибших клеток резко уменьшалось. Другие инертные газы — криптон, неон или гелий — такого эффекта не давали. Главный недостаток ксенона — высокая цена, 10 долларов за литр, поэтому медики рассчитывают, что замкнутые системы дыхания пациента, в которых ксенон используется многократно, обеспечат более широкое распространение ксенонового наркоза.
Как работает ксеноновый наркоз? Пока что это неясно. Известно, что ксенон гидрофобен: в оливковом масле он растворяется в десять раз лучше, чем воде. А с 1899 года известно, что чем гидрофобнее вещества, тем лучше оно работает в качестве средства для наркоза. Предполагается, что ксенон, растворяясь в липидной мембране нейрона, как-то меняет ее свойства. Есть также мнение, что он присоединяется к N-метил-D-аспартат-рецептору глутамата, тем самым нарушая прохождение нейросигнала. Однако с этим рецептором связываются также веселящий газ и кетамин, а они для нейронов токсичны, чего нельзя сказать о ксеноне. Поэтому биохимики ищут другие рецепторы того же глутаматного пути, которые могли бы оказаться мишенью ксенона, и порой их находят. Кроме того, ксенон взаимодействует с серотониновыми и ацетилхолиновыми рецепторами нейронов.
Как используют ксенон для медицинских исследований? Ксенон — отличный контрастный агент, применяемый в томографических рентгеновских и ядерно-резонансных исследованиях. В первом случае его закачивают в легкие и затем облучают пациента рентгеном, наблюдая, как ксенон распределен в легких, и таким способом обнаруживая дефекты в их строении. Для ЯМР ксенон хорош тем, что, обладая большим числом электронов, он чувствует малейшие изменения в составе окружающих веществ, и это сказывается на магнитных свойствах ядра. Кроме того, можно создать поляризованный препарат ксенона, в котором большинство ядерных спинов будет направлено в одну сторону. При этом используется интересная техника гиперполяризации: сначала лазером поляризуют атомы рубидия, затем, сталкиваясь с атомами ксенона и образуя с ними ван-дерваальсовы молекулы, рубидий передает ядру ксенона направление магнитного момента. Такие гиперполяризованные атомы сохраняют свое направление несколько минут и за это время успевают распределиться в организме, собираясь в тех тканях, где много липидов, в которых ксенон лучше всего растворяется. По распределению сигнала ЯМР от таких атомов на томограмме можно легко увидеть разные ткани, а по изменению тонких параметров магнитного резонанса — узнать их состав.