Ксенон: факты и фактики

Мотыляев А.
(«ХиЖ», 2014, №5)

pic_2014_05_22.jpgМожет 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.

Разные разности

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>