キセノン

キセノン、  54 Xe
キセノンを充填した放電管が水色に光る
キセノン
発音
外観無色の気体で、電界に置くと青い光を発する。
標準原子量 A r °(Xe)
  • 131.293 ± 0.006 [3]
  • 131.29 ± 0.01  （要約）[4]
周期表におけるキセノン
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
Kr
↑
Xe
↓
Rn
ヨウ素←キセノン→セシウム
原子番号 （Z）54
グループ第18族（希ガス）
期間期間5
ブロック  pブロック
電子配置[ Kr ] 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 位相ガス
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/cm 3 [5]
（STPにて）5.894グラム/リットル
液体時（ 沸点）2.942 g/cm 3 [6]
三重点161.405 K, 81.77 kPa [7]
臨界点289.733 K, 5.842 MPa [7]
融解熱2.27  kJ/モル
蒸発熱12.64 kJ/モル
モル熱容量21.01 [8]  J/(モル·K)
蒸気圧
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で 8392103117137165
原子の性質
酸化状態共通: +2, +4, +6
0, [9] +8 [10]
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
  • 1位: 1170.4 kJ/mol
  • 2位: 2046.4 kJ/mol
  • 3位: 3099.4 kJ/mol
共有結合半径140±9 時
ファンデルワールス半径午後2時16分
スペクトル範囲における色の線
キセノンのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造面心立方格子（fcc）（cF4）
格子定数
キセノンの面心立方結晶構造
a  = 634.84 pm （三重点、161.405 K）[5]
熱伝導率5.65 × 10 −3  W/(m⋅K)
磁気秩序反磁性[12]
モル磁化率−43.9 × 10 -6  cm 3 /mol (298 K) [13]
音速気体: 178 m·s −1
液体: 1090 m/s
CAS番号7440-63-3
歴史
ネーミングギリシャ語のξέ​​νοςから来ており、「外国人」、「見知らぬ人」、「客」を意味する。
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年）
キセノンの同位体
主な同位体[14]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
124キセノン0.095%1.1 × 10 22 年[15]εε124テ
125キセノンシンセ16.87時間β +125私
126キセノン0.089 %安定した
127キセノンシンセ36.342日ε127私
128キセノン1.91%安定した
129キセノン26.4%安定した
130キセノン4.07%安定した
131キセノン21.2%安定した
132キセノン26.9%安定した
133キセノンシンセ5.2474日β −133セシウム
134キセノン10.4%安定した
135キセノンシンセ9時14分β −135セシウム
136キセノン8.86%2.18 × 10 21 年β − β −136バ
 カテゴリー: キセノン
|参照

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]一般的に反応性は低いですが、いくつかの化学反応を起こすことができ、例えば、最初に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が挙げられます。 [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上で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、原子炉において最も重要な（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、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1898年7月12日に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のことである。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ξέ​​νον xénon （ξένος xénosの中性単数形）からこの気体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]ラムゼーは1902年に、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、アメリカの技術者ハロルド・エドガートンは、高速度写真用のストロボライト技術の研究を始めました。この研究は、キセノンガスを充填した管に短時間の電流を流すことで光を発生させるキセノンフラッシュランプの発明につながりました。1934年、エドガートンはこの方法を用いて1マイクロ秒という短い閃光を発生させることに成功しました。[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」の原因を探り始めました。彼は被験者に呼吸用混合ガスを変化させ、その効果を検証したところ、ダイバーは水深の変化を知覚することを発見しました。その結果から、キセノンガスが麻酔薬として使用できる可能性を導き出しました。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ですが、キセノン麻酔を裏付ける最初の報告は、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を用いて行ったものでした。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人の患者に効果を発揮しました。[37]

液体キセノンのガラスアンプルが入った、元素コレクター向けに特別に作られたアクリルキューブ

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）というガスが、酸素ガス（O 2 ）を酸化して六フッ化白金酸二酸素（ O 2）を形成できる強力な酸化剤であ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）の第一イオン化ポテンシャルはほぼ同じであるため、バートレットは六フッ化白金もキセノンを酸化できる可能性があることに気づきました。1962年3月23日、彼はこの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、それは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、多くのキセノン化合物が発見されており、[43]希ガスであるアルゴン、クリプトン、ラドンのいくつかの化合物に加えて、フッ化水素化アルゴン（HArF）[44] 、 二フッ化クリプトン（KrF 2）[45] [46] 、フッ化ラドン[47]などがある。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ました。「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用いて、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、IBMの3文字の頭文字を綴りました。これは、原子が平面上に正確に配置された初めての事例でした。[50]

特徴

室温でアルミニウムにXe +イオンを注入することによって生成された液体（特徴のない）および結晶固体Xeナノ粒子

キセノンの原子番号は54で、原子核には陽子が54個含まれています。標準温度・圧力下では、純粋なキセノンガスの密度は5.894 kg/m 3で、地球の海面大気の密度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は3.640 g/cm 3で[52] 、花崗岩 の平均密度2.75 g/cm 3よりも大きいです。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下で面心立方（fcc）結晶相から六方最密（hcp）結晶相へと変化し、約140GPaで金属化が始まります。hcp相では目立った体積変化はありません。[55] 155GPaでは完全に金属化されます。[56]金属化された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、空色に見えます。このような挙動は金属としては珍しく、その状態における電子バンドの幅が比較的狭いことで説明されます。[57] [より良い出典が必要]

フラッシュチューブ内でキセノンがフレームごとに点滅する

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、キセノンはほとんどの一般的な化学反応（例えば燃焼など）に対して不活性です。これにより、外殻電子が強く結合した、安定した最小エネルギー配置が形成されます。[59]

ガスを充填した管の中で、キセノンは放電によって励起され、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全体にわたる輝線を放射しますが[60]、最も強い輝線は青色光の領域に発生し、これが色を生み出します[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）、または約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、大気中には合計で約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います。これは約394質量ppbに相当します。

Xe欠落問題

大気中のXe濃度はArやKrよりもはるかに低く、これは「失われたXe問題」として知られる地質学的な謎です。この謎を説明するために、地球の下部マントルにおけるXe-Fe酸化物の形成[63] 、シリカ中の二酸化キセノンの形成[64]、地球の核におけるXeとFe/Niの反応[65]など、多くの提案がなされてきました。

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に副産物として商業的に得られます。[66]この分離は、通常、二塔式蒸留装置による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。さらに分留を行うことで、液体酸素は0.1～0.2%のクリプトン/キセノン混合物を含むように濃縮され、シリカゲルへの吸着または蒸留によって抽出されます。最終的に、クリプトン/キセノン混合物は、さらなる蒸留によってクリプトンとキセノンに分離されます。[67] [68]

1998年の世界のキセノン生産量は、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。[69]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、これは約30～40トン（30～39ロングトン、33～44ショートトン）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を購入した場合のおおよその価格は、キセノンが10 ユーロ/リットル（約1.7ユーロ/グラム）、クリプトンが1ユーロ/リットル（約0.27ユーロ/グラム）、ネオンが0.20ユーロ/リットル（約0.22ユーロ/グラム）でした。[69]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キセノンは1.56 × 10 −8で、全質量の約63万分の1に相当します。 [70]キセノンは、太陽の大気、地球、小惑星、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。 [71] [a]この豊富さは未だに説明されていませんが、プレソーラーディスクが加熱される前に、 初期の急速に形成された微惑星（小さな惑星状天体）が原因である可能性があります。[72]そうでなければ、キセノンは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、石英内の酸素とキセノンが共有結合し、大気中へのキセノンの放出が減少することで説明できます。 [73]

ステラ

低質量希ガスとは異なり、恒星内部の通常の元素合成過程においてはキセノンは生成されない。元素合成は鉄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つながらない。[74]その代わりに、キセノンはr過程における超新星爆発時、[75]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、[76]および放射性崩壊（例えば、消滅したヨウ素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）によって生成される。[77]

核分裂

熱中性子による235 Uの核分裂生成物収量。キセノンはグラフの中で最も高い青いバーで表されている。

キセノン135は、高い核分裂生成物収量を有する、注目すべき中性子毒物である。寿命が比較的短いため、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、親核種のベータ崩壊によって生成される量よりも少なくなる。この現象はキセノン中毒と呼ばれ、スクラム後の原子炉の再始動や出力低下後の出力上昇において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発電所事故の複数の要因の一つであった。[78] [79]

キセノンの安定同位体、あるいは極めて長寿命の同位体も、核分裂反応において相当量生成される。キセノン136は、核分裂生成物として生成されるだけでなく、キセノン135が崩壊前に中性子捕獲を受ける際にも生成される。キセノン136とキセノン135（またはその崩壊生成物）の比は、特定の原子炉の出力履歴に関するヒントを与えたり、核爆発を特定したりすることができる。なぜなら、キセノン135は主に、より中性子量の多い核分裂生成物の連続的なベータ崩壊によって生成されるからである。これらの短寿命核種はキセノンの中性子吸収能を持たないため、核爆発の短時間の間に吸収する中性子数が少なくなり、質量136と質量135の生成物の比が低下する。[80]

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中（軽水炉の場合、核分裂生成物の質量分率は約3%）の方が空気中よりも高いことを意味します。しかし、2022年現在、核燃料再処理中に使用済み核燃料からキセノンを抽出する商業的な取り組みは行われていません。[81] [82]

同位体

天然に存在するキセノンは、7つの安定同位体と2つのほぼ安定同位体から構成されています。126 Xe 、 128-132 Xe 、 134 Xeは安定同位体であり、124 Xeと136 Xeは半減期が非常に長く、宇宙の年齢の何兆倍にも及びます。126 Xe [83]と134 Xe [84]の同位体も理論的には二重ベータ崩壊を起こすと予測されていますが、観測された例がないため、安定していると考えられています。

40種類以上の不安定同位体が知られています。これらの同位体の中で最も長寿命なのは原始核種である 124 Xeで、これは二重電子捕獲を起こし、半減期は1.1 × 10 22 年、そして136 Xeは、半減期が2.18 × 10 21 年[14 ]

129 Xeは129 Iのベータ崩壊によって生成され、半減期は1610万年です。131m Xe、133 Xe、133m Xe、135 Xeは235 Uと239 Puの核分裂生成物の一部であり、[77]核爆発の検出と監視に使用されます。

核スピン

質量数が奇数の安定同位体原子核、129 Xeと131 Xe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）を持つ。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。[85]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まる熱平衡値（通常、室温では最強の磁石でも最大値の0.001% ）を大幅に超える。このようなスピンの非平衡配列は一時的な状態であり、過分極と呼ばれる。キセノンを過分極させ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ポンピングとは異なる）。[86]

129 Xe原子核はスピンが1/2で四 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状態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では数秒[87] 、気相では数時間[88]、深く凍結した固体キセノンでは数日間持続します。[89]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緩和時間はミリ秒から秒の範囲です。[90]

核分裂から

キセノンの放射性同位体（例えば、133 Xeや135 Xe）は、原子炉内で中性子を照射することで生成される。[17] 135 Xeは、原子核分裂炉の運転において極めて重要な役割を担っている。135 Xeは熱中性子の断面積が非常に大きく（260万 バーン）、[28]中性子吸収体、つまり「毒」として作用し、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によって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（核分裂1回あたりに核燃料の他の原子を核分裂させる中性子の数）を高めるための対策を設計に盛り込んでいた。[91]

135 Xeによる原子炉被曝は、チェルノブイリ原発事故の主要因であった。[92]原子炉の停止または出力低下は、135 Xeの蓄積を引き起こし、原子炉運転中にヨウ素ピットと呼ばれる状態を引き起こす可能性がある。過酷な条件下では、燃料棒の破損[ 93]や冷却水中のウランの核分裂[94]から、比較的高濃度の放射性キセノン同位体が放出される可能性がある。

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。[95]

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強力なツールとなります。ヨウ素・キセノン年代測定法は、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、大量に生成されるのは超新星爆発のときだけです。[96] [97]

129 Iの半減期は宇宙論的な時間スケール（約1600万年）では比較的短いため、超新星爆発から隕石が固化して129 Iを閉じ込めるまでの時間はわずかであったことが示唆された。これらの2つの事象（超新星爆発とガス雲の固化）は、太陽系の初期の歴史において発生したと推測される。これは、 129 I同位体が太陽系が形成される直前に生成され、太陽ガス雲に別の発生源からの同位体が供給された可能性が高いためである。この超新星発生源は、太陽ガス雲の崩壊も引き起こした可能性がある。[96] [97]

同様に、129 Xe/ 130 Xeや136 Xe/ 130 Xeといった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となる。[27]例えば、火星の大気中のキセノンの含有量は地球と同程度（0.08 ppm [98] ）であるが、 129 Xeの含有量は地球や太陽よりも高い。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大部分を失ったこと、おそらく惑星形成後1億年以内に失われたことを示唆している可能性がある。[99] [100]別の例として、ニューメキシコ州の二酸化炭素井ガス中に過剰に検出された129 Xeは、地球形成直後のマントル由来のガスの崩壊に由来すると考えられている。[77] [101]

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、数多くのキセノン化合物が発見され、記述されてきました。既知のキセノン化合物のほぼすべては、電気陰性度の高いフッ素または酸素原子を含んでいます。キセノンの各酸化状態における化学的性質は、隣接する元素であるヨウ素のすぐ低い酸化状態における化学的性質と類似しています。[102]

ハロゲン化物

青い中心原子 (Xe) が 4 つの周辺原子 (フッ素) に対称的に結合した平面化学分子のモデル。
四フッ化キセノン
ペトリ皿の中にある多数の立方体の透明な結晶。
XeF 4結晶、1962年

3種類のフッ化物が知られている：XeF
2、XeF
4、およびXeF
6XeFは不安定であると理論づけられている。[103]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生成される。[104]通常の日光に含まれる紫外線成分で十分である。[105] XeFの長期加熱
2NiFガス雰囲気下で高温
2触媒はXeFを生成する
6[ 106] XeFの熱分解
6NaFの存在下では高純度のXeFが得られる
4。[107]

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。+
およびXe
2F+
3、およびXeFなどの陰イオン−
5、XeF−
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。[102]

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、その性質が明らかにされている。[106]

キセノンフッ化物はよく特性評価されているが、他のハロゲン化物についてはよくわかっていない。 キセノン、フッ素、および四塩化ケイ素または四塩化炭素の混合物に高周波照射することで生成される二塩化キセノン[ 108]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。[109]理論計算によれば、直線状分子XeCl
2ファンデルワールス錯体よりも不安定である。[110] 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[111] [112]

酸化物および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）および四酸化キセノン（XeO
4）は、どちらも爆発性が高く強力な酸化剤であり、2011年には配位数が4であることが報告された二酸化キセノン（XeO 2 ）も存在します。 [113] XeO 2は、四フッ化キセノンを氷に注ぐと生成します。その結晶構造により、ケイ酸塩鉱物中のケイ素と置換できる可能性があります。[114] XeOO +陽イオンは、固体アルゴン中の赤外分光法によって同定されています。[115]

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: [116]

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ノン酸塩を形成する。−
4陰イオン。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て、 XeO4−6
​陰イオン[117]

過キセノン酸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。[108]

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、生成された四酸化キセノンは急速に冷却され、淡黄色の固体になります。-35.9℃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。

XeOFを含む多くのキセノンオキシフッ化物が知られている。
2、XeOF
4、XeO
2F
2、およびXeO
3F
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させる。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となる。
2およびXeO
2F
2. [118] ゼオフ
4XeFの部分加水分解によって生成される
6... [119]

ゼフ
6+ H
2O → XeOF
4+ 2 HF

...またはXeFの反応
6過キセン酸ナトリウム、Na
4ゼオ
6後者の反応では少量のXeOも生成される。
3F
2。

ゼオ
2F
2XeFの部分加水分解によっても生成される。
6。[120]

ゼフ
6+ 2時間
2O → XeO
2F
2+ 4 HF

ゼオフ
4CsFと反応してXeOFを形成する−
5アニオン[118] [121]、XeOF 3はアルカリ金属フッ化物KF、RbF 、CsFと反応してXeOFを形成する。−
4陰イオン[122]

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。[123]これらの化合物を安定化させるには、フッ素置換基などの電子吸引基が必要である。[117]このような化合物は数多く同定されており、その中には以下が含まれる。 [118] [124]

  • C
    6    F
    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    F
    5    ]
    2    ゼー
  • C
    6    F
    5    –Xe–C≡N
  • C
    6    F
    5    –Xe–F
  • C
    6    F
    5    –キセノン–塩素
  • C
    2    F
    5    –C≡C–Xe+
  • [CH
    3    ]
    3    C–C≡C–Xe+
  • C
    6    F
    5    –XeF+
    2
  • （C
    6    F
    5    Xe)
    2    塩素+

キセノンを含む他の化合物としては、電気陰性度の低い元素と結合したF-Xe-N(SO
2F)
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。[118] [125]

キセノンを含む珍しいイオンとして、テトラキセノン金(II)カチオン、AuXeがある。2+
4、Xe-Au結合を含む。[126]このイオンは化合物AuXe
4（Sb
2F
11）
2は、キセノンと金という、反応性が低いことで知られる2つの原子が直接化学結合し、キセノンが遷移金属配位子として作用するという点で特筆すべき化合物である。類似の水銀錯体(HgXe)(Sb 3 F 17 )（[HgXe 2+ ][Sb 2 F 11 – ][SbF 6 – ]と表記）も知られている。[127]

化合物Xe
2SB
2F
11知られている最長の元素間結合であるXe-Xe結合（308.71 pm = 3.0871  Å）を含む。[128]

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）の製造を発表し、その後、キセノン水素化物水酸化物（HXeOH）、ヒドロキシセノアセチレン（HXeCCH）、およびその他のキセノン含有分子も製造しました。[129] 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の製造を報告しました。 [130]重水素化分子であるHXeODとDXeOHも生成されています。[131]

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。 [132]このクラスレートの融点は24℃である。 [133]この水和物の重水素化バージョンも生成されている。 [134]別の例としては、キセノン水素化物（Xe（H 2） 8）があり、キセノン対（二量体）が固体水素内に閉じ込められている。 [135]このようなクラスレート水和物は、南極の氷床下のボストーク湖など、高圧条件下で自然に発生することがある。[ 136 ]クラスレートの形成は、キセノン、アルゴン、クリプトンを分留するために使用できる。 [137]

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）分光法によって観測することができる。キセノン原子の周囲の環境に対する高感度な化学シフトを利用して、フラーレン分子における化学反応を分析することができる。しかし、これらの観測には注意点がある。キセノン原子はフラーレンの反応性に電子的な影響を与えるからである。[138]

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、結合を形成しません。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）を形成します。これは、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電子殻を完成させようとする傾向があるためです。キセノンエキシマーの典型的な寿命は1～5ナノ秒で、崩壊時に約150 nmと173  nmの波長の光子が放出されます。[139] [140]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します。[141]

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

細長いガラス球の中に、互いに向かい合う2本の金属棒電極が入っています。一方の電極は鈍く、もう一方の電極は尖っています。
キセノンショートアークランプ
キセノンライトを浴びるスペースシャトル「アトランティス」
キセノンガス放電管

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]レーザーの活性媒質を励起してコヒーレント光を発生させます。[142]また、殺菌ランプにも使用されることがあります。[143] 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によって励起されました。 [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によって励起されています。[144]

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に使用されています。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体に近いのです。1940年代に初めて導入されたこれらのランプは、映画映写機において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 映画映写システムにも採用されています。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発光も備えています。キセノンは、自動車のHIDヘッドライトや高級「タクティカル」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ています。

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発生し、ディスプレイ前面の蛍光体コーティングを励起します。 [145] [146]

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有しています。希ガスであるため、点灯中のランプ内で起こる化学反応を阻害しません。低い熱伝導率により、点灯中のランプの熱損失が最小限に抑えられ、また低いイオン化ポテンシャルにより冷間時のガスのブレークダウン電圧が比較的低くなり、ランプの始動が容易になります。[147]

レーザー

1962年、ベル研究所の研究者グループはキセノンのレーザー作用を発見し、[148]後にレーザー媒体にヘリウムを加えることでレーザー利得が向上することを発見した。 [149] [150]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、 176 nmの紫外線波長で誘導放出を発生させた。[23]塩化キセノンとフッ化キセノンもエキシマ（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。[151]

医学

キセノン
臨床データ
ライセンスデータ
ATCコード
法的地位
法的地位
識別子
CAS番号
  • 7440-63-3
PubChem CID
  • 23991
ドラッグバンク
  • DB13453
ユニイ
  • 3H3U766W84
チェビ
  • チェビ:49956
チェムブル
  • ChEMBL1236802
CompToxダッシュボード （EPA）
  • DTXSID5064700
ECHA 情報カード100.028.338
化学および物理データ
3Dモデル（JSmol）
  • インタラクティブ画像
  • [ゼー]
  • InChI=1S/Xe
  • キー:FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N

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。[155]

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相補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。[156]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）の神経毒性を抑制しながら、実際には神経保護効果を発揮するという点で、他の特定のNMDA受容体拮抗薬とは異なる。[157] [158]ケタミンや亜酸化窒素とは異なり、キセノンは側坐核におけるドーパミン流出を刺激しない。[159]

亜酸化窒素やシクロプロパンと同様に、キセノンは2孔ドメインカリウムチャネルTREK-1を活性化します。吸入麻酔薬の作用にも関与する関連チャネルTASK-3はキセノンに対して非感受性です。 [160]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。 [161] [162]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、酵素が活性型構造をとるのを阻害することで、Ca 2+ ATPaseを阻害します。[163]

キセノンはセロトニン 5-HT3受容体の競合的阻害剤です。麻酔作用や鎮痛作用はありませんが、麻酔誘発性の吐き気や嘔吐を軽減します。[164]

キセノンは40歳時点で最小肺胞濃度（MAC）が72%であり、麻酔剤としてN2Oよりも44%強力です。 [165]そのため、低酸素症のリスクが低い濃度で酸素と併用することができます。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。[166]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元の発生源に戻るだけで、環境に影響を与えません。

神経保護剤

キセノンは、様々なメカニズムを通じて強力な心臓保護作用と神経保護作用を誘導する。Ca 2+、K +、KATP \HIF、およびNMDA拮抗作用への作用を通じて、キセノンは虚血発作の前、最中、そして後に投与されると神経保護作用を示す。[167] [168]キセノンはNMDA受容体グリシン部位に対する高親和性拮抗薬である。[156]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、虚血再灌流状態において心臓保護作用を示す。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す。[169]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、神経細胞の虚血性プレコンディショニングを模倣する。[170]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チャネル開口時間と頻度を増加させる。[171]

スポーツドーピングと登山

キセノン/酸素混合物を吸入すると、転写因子 HIF-1αの産生が活性化され、エリスロポエチンの産生増加につながる可能性があります。エリスロポエチンは赤血球産生と運動能力を高めることが知られています。報告によると、ロシアでは2004年以降、あるいはそれ以前からキセノン吸入によるドーピングが行われてきました。[172] 2014年8月31日、世界アンチ・ドーピング機関（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ましたが、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ません。[173]さらに、キセノンがヒトにおけるエリスロポエチン産生に及ぼす影響は、これまでのところ実証されていません。[174]

2025年、アリスター・カーンズを含む4人の英国人登山家が、わずか1週間の遠征でエベレストに登頂した。彼らは、エリスロポエチン産生を促進するためにキセノンガスを吸入することで、通常数週間かかる高度順応を不要にしたと主張した。国際登山連盟（UIAA）は、キセノンの吸入が高地環境でのパフォーマンスを向上させるという証拠はないとして、この決定を批判した。さらにUIAAは、麻酔薬としてのキセノンガスは、監視されていない環境で使用すると、脳機能障害、呼吸困難、そして死に至る可能性があると警告した。[175] [176] [177]

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、脳の画像化に使用することができる。133 Xeは血流の測定にも使用されている。[178] [ 179] [180]

キセノン、特に超偏極129キセノンは、磁気共鳴画像法（MRI）における有用な造影剤です。気相では、多孔質試料の空洞、肺胞、あるいは肺内のガスの流れを画像化することができます。[181] [182]キセノンは水と疎水性溶媒の両方に溶解するため、様々な軟部生体組織の画像化が可能です。[183] ​​[184] [185]

キセノン129はMRI検査の可視化剤として使用されます。患者が超分極キセノン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は非電離性であるため、吸入しても有害作用がなく安全です。[186]

手術

キセノン塩化物エキシマレーザーは皮膚科領域で特定の用途がある。[187]

NMR分光法

キセノン原子は大きく柔軟な外電子殻を持っているため、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リング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、そして特定のタンパク質に結合したキセノンは、NMRによって区別することができます。[188] [189]

超分極キセノンは表面化学者に利用されています。通常、NMRによる表面特性評価は困難です。なぜなら、表面からの信号は、試料バルク内の原子核からの信号に圧倒されてしまうからです。バルク内の原子核は表面の原子核よりもはるかに数が多いからです。しかし、超分極キセノンガスからスピン分極を固体表面上の核スピンに伝達することで、選択的に分極させることができます。これにより、表面信号はバルク信号と区別して測定できるほど強力になります。[190] [191]

他の

側面に電極が取り付けられた金属製の円筒。そこから青い拡散光が出ている。
NASAのジェット推進研究所でテストされているキセノンイオンエンジンのプロトタイプ

原子力エネルギー研究において、キセノンは泡箱[192]やプローブ、そして高分子量で不活性な化学反応が求められるその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[193]の遵守を確保するため、また北朝鮮などの国による核実験を確認するために監視されています。[194]

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[195]や、仮想的に弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）の検出器として用いられています。WIMPがキセノン原子核に衝突すると、理論上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が与えられます。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の可能性が高くなり、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、常温（高圧下）付近で液体として保管でき、容易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。[196]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]、そして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。[197]

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用いられる。二フッ化キセノンはシリコンのエッチング剤として用いられ、特に微小電気機械システム（MEMS）の製造に用いられる。[198]抗癌剤である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。[199]キセノンはタンパク質結晶構造解析にも用いられる。タンパク質結晶に0.5～5MPa  （ 5～50 気圧）の圧力を加えると、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。[200] [201]

予防

キセノン
危険
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
[202]
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazard SA: Simple asphyxiant gas. E.g. nitrogen, helium
0
0
0
南アフリカ

キセノンガスは、通常の密閉されたガラス容器または金属容器内では、標準温度・圧力下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するため、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。[203]キセノンは無毒ですが、血液には溶解し、血液脳関門を通過する特定の物質群に属し、高濃度で酸素と共に吸入すると、軽度から完全な外科麻酔を引き起こします。[204]

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[205] 。これは、キセノンの重い原子の平均速度が、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だが、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音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、空気で満たされているときよりも自然共鳴周波数が低くなる。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、声道で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、単純な窒息薬であると同時に、亜酸化窒素よりも強力な麻酔薬でもある。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音声スタントを禁止している。[206]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、これらの実演ではしばしば代用として使用される。[207]

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吸入できます。濃度80%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生じます。呼吸によって異なる濃度のガスが非常に効果的かつ迅速に混合されるため、重いガスは酸素と共に排出され、肺の底に蓄積されることはありません。[208]しかし、大量の高濃度ガスには危険が伴います。容器内に目に見えない状態で残留している場合があり、無臭無色のガスで満たされた場所に入ると、突然窒息する可能性があります。キセノンは、このような懸念を抱くほど大量に使用されることは稀ですが、キセノンのタンクや容器が換気されていない空間に保管されている場合は、常に危険の可能性が存在します。[209]

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、体内での半減期が非常に短く、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。[204]

参照

注記

  1. ^ 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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  • USGS周期表 - キセノン 2013年12月13日アーカイブ、Wayback Machine
  • EnvironmentalChemistry.com – キセノン
  • ウィリアム・ラムゼイ卿のノーベル賞受賞講演（1904年）
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