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氙气的元素符号Xe,位于第五周期零族。其为稀有气体、无色、无嗅、无味,能吸收X射线,在电场作用下能发出强烈的白光。用于制高压长弧氙灯(俗称人造小太阳),产生紫外线的高压电弧灯、闪光灯、中子计数器,X射线计数器,还用作麻醉剂、原子反应堆中的中子吸收剂、充填闸流管和探测宇宙线用的电离室。1898年英国人拉姆塞和特拉威斯在分馏液态氪的混合物时,通过光谱分析发现了氙。在空气中含有9×10-6%(体积)。工业上用分馏液体空气提取。
氙能吸收X射线。因其有极高的发光强度,用于填充光电管和闪光灯,氙灯有“小太阳”之称。氙能溶解于神经细胞物质之中,使其麻醉和膨胀,从而暂时停止神经末梢的作用,故掺入20%的氧作为麻醉剂。氙高压灯具有高的紫外光辐射,故可用于医疗。
利用氙气极高的发光强度,可充填光电管、闪光灯以及有雾航空导航灯,其放电强度甚至超过太阳光的放电强度;氙气充填的长弧氙灯,俗称“小太阳”,穿雾能力特强,可用于机场、车站、码头和广场;氙灯还用于彩色电影的拍摄,具有良好效果。近年来,随着科技的发展,氙气在电子、激光行业得到了广泛应用,如等离子电视、CT机等,每年这个行业消费氙气约2000m3。
用氙灯光线经凹镜聚光后,温度可达到2500℃,不仅可容易地焊接钢材,还可焊接钛、钼这类难熔金属。据悉,还可用于单晶体生产方面。高压氙灯具有高强度的紫外光辐射,可用于医疗杀菌、消毒。由于氙的分子量大,有很强的麻醉作用,氙是无副作用、理想的深度麻醉剂。利用氙气具有不透过X射线的性质,可被用作X光摄影的造影剂,也被用于遮蔽X射线;氙的放射性同位素,可作为显踪剂来进行医疗诊断。医疗领域为氙气应用提供了新的长期有潜力的增长。氙气用于加强X-射线、CAT扫描、MRI的成像。
单靠一台MRI设备不能检查人体肺部的许多精细结构,然而,吸入氙/氧混合气,MRI扫描就能检测到必要的软组织精细结构,以帮助医生对许多肺部疾病做出更准确的诊断。英国伦敦皇家学院的科学家们发现氙气可帮助保护受损的神经细胞,为此他们与美国空气制品公司一起建立了一家名叫Proexeon公司以开发其临床应用。研究表明惰性气体氙可用作神经保护剂,防止受损神经细胞死亡。可治疗神经受损病人如中风、麻痹、脑伤和脊髓受伤等。
氙气的最新用途是用在电子芯片制造业,也是目前氙需求增长及对氙投机买卖的最重要原因,几家大型芯片制造商正使用氙气等离子蚀刻,主要用于微电子机械系统(MEMS)的制造。MEMS设备可将微电子和微机械集成为一个整体,能在一块芯片上制作更复杂及功效更强的电路。这种技术从根本上把电脑芯片(处理数据)和传感器(收集数据)结合到一个元件上,可以批量生产,这种芯片的潜在用途不可限量,
用于卫星发射的离子发动机和离子浆推进器使用燃料氙气,由于氙气重量和密度很重,重量约是空气的4.5倍重,主要用作卫星的轨道位置保持和机动控制。在离子发动机磁腔的尾部,有一对分别带正电荷和负电荷的金属网,正电荷和氙离子产生的强大电磁推力把氙离子高速(约100000km/h)喷射出去,并因此产生反冲力推动飞行器向前运动。它的推力比化学燃料发动机要小得多,全速运行时,离子发动机每消耗2500W电能只能产生1/110kgf(注:1kgf=9.81N)的推力,但是它可以长时间运转几个月甚至几年,结果,飞行器最终获得的速度可达化学燃料发动机所能达到的10倍。氙气的非冷凝性质,使离子火箭发动机几乎可以立即起动或关机,简化配电系统和绝缘器设计。氙作为推进剂有以下优点:无污染,不与航天器表面材料产生化学反应。无毒,不会污染空间环境和地球生物圈。确保地面试验人员的健康和实验室内外环境的净化。
氪气、氙气提取工艺复杂,技术难度大,生产操作程序要求极为严格。要经受高压、低温考验,并要使用特殊设备与材料,而且安全、防爆和防漏也至关重要。氪气、氙气制备一般分为两个阶段:第一阶段俗称粗制系统,大型、特大型空分设备低温精馏提取贫氪—氙混合物,在空分设备冷箱内完成,大气要经过压缩、冷却、吸附、膨胀制冷、精馏、净化和换热等多道工序;第二阶段俗称精制系统,将贫氪—氙混合物精制到高纯产品,要经过加压、催化、吸附、换热、精馏和净化等多道工序。武钢氧气公司2005年投产的60000m3/h空分设备是稀有气体全提取空分设备,由德国林德公司引进,其氪气、氙气制备工艺流程具有一定代表性,如图所示。
[1] 中学教师实用化学辞典
[2] 氪气和氙气的制备与应用
[3] 实用精细化工辞典
[4] 氪气、氙气和氖气市场