二氟化氙

二氟化氙（化學式：XeF2）是最穩定的氙化合物之一，可長期處放在鎳制容器中或乾燥的石英和玻璃器皿中而不發生變化。

<image>

同其他氟化氙相比較，二氟化氙是一種溫和的氧化劑和氟化劑，可生成多種氙化合物。和大部分共價無機氟化物一樣，二氟化氙對水敏感。它遇到 水蒸氣或光時會分解，不過收藏在容器內就沒問題。二氟化氙是一種密度大的白色晶體。

它具有鹵素氣味，並且蒸汽壓低。

## 結構

二氟化氙是一種線形分子。二氟化氙蒸汽的 Xe–F 鍵長為 197.73pm，固態下則是 200 pm。固體XeF2中的堆積排列表明，相鄰分子的氟原子避開了每個XeF2分子的赤道區域。這與VSEPR理論的預測一致，該理論預測氙原子的赤道區域周圍有3對非鍵合電子。

在高壓下，可以獲得新穎的非分子形式的二氟化氙。在 ~50 GPa的壓強下，XeF2 轉換成一個半導體，由XeF4 單元組成一個二維的晶體，就像石墨。在更高壓力下，超過 70 GPa，它變成金屬性，含有XeF8 單元的三維結構。但是，最近的理論研究對這些實驗結果產生了懷疑。

Xe–F 鍵較弱。XeF2 的總鍵能為267.8 kJ/mol (64.0 kcal/mol)第一和第二鍵能分別為184.1 kJ/mol (44.0 kcal/mol) 和 83.68 kJ/mol (20.00 kcal/mol)。但是，XeF2比KrF2強得多，後者的總鍵能僅為92.05 kJ/mol (22.00 kcal/mol)，是XeF2的三分之一。

## 物理性質

二氟化氙是一種無色固體，在室溫下容易升華而形成大的透明晶體。二氟化氙蒸氣是無色的，具有類似鹵素的氣味

二氟化氙易溶於BrF5、BrF3、無水氟化氫、乙腈、NOF·3HF､五氟化碘和二氧化硫中，並不發生電離。二氟化氙在氟化氫里的溶解度很高，29.95 °C 下的溶解度為 167 g 每 100 g HF。固體二氟化氙晶體屬於體心四方晶系，a=431.5pm，c=699.0pm，鍵長約為200pm。二氟化氙氣態時是一種直線型的分子，對稱群為D∞h，鍵長比固態略短，為197.7pm，其中的Xe-F鍵具有一定離子鍵的性質，這可以用三中心四電子鍵來解釋。

## 化學性質

### 基本反應

- 與氫氣反應定量地放出氙和生成氟化氫，通常用這個反應來分析二氟化氙。

$$\rm \ XeF_2 + H_2 \xrightarrow{673K} Xe + 2HF$$

- 與氟氣反應：XeF2可進一步與單質氟反應生成XeF4和XeF6。

$$\rm \ XeF_2 + F_2 \xrightarrow{473K} XeF_4$$

$$\rm \ XeF_4 + F_2 \xrightarrow{673K} XeF_6$$

O2F2也可以將XeF2進一步氟化成為XeF4和XeF6。

- 與水反應，中間產物可能有XeO自由基、H2O2、XeF+等。

$$\rm \ 2XeF_2 + 2H_2O \rightarrow 2Xe + O_2 + 4HF$$

$$\rm \ 2XeF_2 + 4OH^- \rightarrow 2Xe + O_2 + 4F^- + 2H_2O$$

- 與雙氧水反應，中間產物有自由基O、OH、XeF，以及HO2。

$$\rm \ 2XeF_2 + H_2O_2 \rightarrow Xe + O_2 + 2HF$$

### 不生成氙化合物

#### 同無機物的反應

二氟化氙是一種具有氧化性的氟化劑，往往會同時發生氧化和氟化反應。二氟化氙被還原時放出氙，但不生成氙化合物。作為氟化劑來說，無論從熱力學還是動力學的觀點，二氟化氙的氟化本領不如單質氟或某些氟化物，顯示出有一定的鈍性：

ClF5 > BrF5 > IF7 > ClF > BrF3 > XeF2 > IF5 > BrF

也正因為如此，用二氟化氙作氟化劑比較安全和操作方便。

此外，二氟化氙在反應後，氙一般不會進入到產物中，釋出的氙可以循環使用，所以它是一種很好的氟化劑。它可以氟化許多無機化合物，並且是一種選擇性很好的無機物氟化劑。二氟化氙只有在氣相和非水溶液中才具有氟化性質，在水溶液中它只能起氧化劑的作用。

#### 同有機物的反應

有機化合物的氟化是近代化學的重要課題。用單質氟作氟化劑，由於技術和安全方面的困難，受到很大限制，反應劇烈不易控制，可引起有機化合物的斷鏈，或者一直進行到生成全氟化合物。利用其他氟化劑，如氟化氫、某些金屬氟化物、鹵素氟化物，雖然也可以同有機化合物發生氟化取代反應，但反應物的產率一般都較低，選擇性也較差。四氟化氙和六氟化氙同水易生成具有爆炸性的三氧化氙，而且六氟化氙的氟化-氧化性質太強，可引起有機物的斷鏈。唯獨二氟化氙的氟化性比較溫和，又比較穩定，操作比較安全，而且反應物的產率和氟化選擇性也都比較好。

#### 非環化合物

用二氟化氙作氟化劑可以使烯烴的氟化反應得到一定的改善。氣相氟化反應在室溫下按下式進行：

<image>

二氟化氙能溶於乙腈中，在室溫下只是單純溶解，不發生化學反應；當升高溫度到乙腈的沸點時，二氟化氙才會對乙腈發生氟化。然而在痕量的路易斯酸（如三氟化溴、五氟化砷、五氟化磷或四氟化鈦）存在時，二氟化氙就會同乙腈發生氟化-氧化反應並放出氙。對於路易斯酸在這裡所起的作用，有人提出如下解釋：二氟化氙溶解在這些溶劑里呈分子狀態，沒有發生電離；當加入路易斯酸時，二氟化氙電離而產生XeF+和Xe2F3+,這些物種反應能力比二氟化氙強得多

氟代矽烷是有實際意義的化合物。二氟化氙對矽烷（以乙腈為溶劑）的氟化有以下規律：含Si-Cl鍵的矽烷同二氟化氙反應時只需幾分鐘，就能完成氟同氯之間的交換反應，生成氟代矽烷；但二氟化氙不同Si-C，Si-O鍵反應。

2(CH3)3SiCl + XeF2 → 2(CH3)3SiF (100%) + Cl2 + Xe

2(C2H5)3SiCl + XeF2 → 2(C2H5)3SiF (100%) + Cl2 + Xe

(CH3)2SiCl2 + XeF2 → (CH3)2SiF2 (100%) + Cl2 + Xe

二氟化氙對僅含Si-H鍵的矽烷不能直接發生氟化反應，但如果矽烷中同時含有Si-Cl鍵時，則能很快發生氟化反應。反應機理是二氟化氙首先同Si-Cl反應，釋放出的氯隨即將Si-H鍵轉化為Si-Cl鍵。這樣，二氟化氙就能將它進一步氟化成為二氟代矽烷了。

<image>

在氟化三甲基砷的時候，二氟化氙只會氟化砷原子，而不會影響甲基。

(CH3)3As + XeF2 → (CH3)3AsF2 + Xe

#### 碳環化合物

二氟化氙對碳環化合物具有優良的選擇性氟化性能，比傳統的氟化過程簡便。

苯的氟化

二氟化氙對苯直接氟化製取氟苯有良好的效果，以四氯化碳為溶劑，產率為68%。反應機理為自由基反應。除氟代苯外，還生成了少量的聯苯。苯的同系物甲苯、氯苯等同二氟化氙反應，也生成少量的聯苯。體系的電子順磁共振譜表明有對位R(C6H4)2R+ （R=CH3，Cl，F，F-C6H4-C6H4-）自由基存在。二氟化氙可將電極電勢較高的化合物變為陽離子自由基，起到R(C6H4)2R+自由基生成劑的作用，有很重要的實際意義。

含苯氧基的化合物：含苯氧基（C7H7O）的氟化合物是有價值的藥物，用傳統的氟化方法合成流程較長。利用二氟化氙的選擇性氟化性能，直接對苯環進行氟化，只需一步反應就可完成，例如：

C6H5OCH3 + XeF2 -(CH2Cl2)→ C6H4(OCH3)F (71%)

稠環烴：二氟化氙可用於合成很多稠環烴的氟化物，如1,4-二氟代萘以及與蒽、芘反應的產物。

#### 雜環化合物

5-氟代尿嘧啶（5-Fu, Fluorouracil）是一種有價值的藥物，可用來抗癌。在生物化學方面，它是同核酸有關的一類化合物。在室溫下尿嘧啶可以被二氟化氙一步直接氟化成為5-氟代尿嘧啶。

<image>

### 生成氙化合物

二氟化氙可與酸反應，生成對應的氟化氙衍生物。這是目前製取氙(II)化合物的重要途徑之一。

反應物HA｜生成的氙化合物

一取代物 FXeA｜二取代物 XeA2

HOSO2F｜FXeOSO2F 無色固體｜Xe(OSO2F)2 黃色固體，在100K時無色

HOClO3｜FXeOClO3 無色物（熔點16.5 °C）｜Xe(OClO3)2 >0 °C為紅色液體並分解

HOTeF5｜FXeOTeF5 灰黃色液體｜Xe(OTeF5)2 無色固體

HOSeF5｜FXeOSeF5 淺黃色液體｜Xe(OSeF5)2 晶體

HOSO2CF3｜FXeOSO2CF3 <0 °C為無色固體｜/

HOSO2CH3｜FXeOSO2CH3 <0 °C為無色固體｜/

無水HNO3｜/ XeF2·HNO3(無色)｜/ XeF2·HNO3 (無色)

HOPOF2｜FXeOPOF2 灰黃色固體｜Xe(OPOF2)2 灰黃色固體

CF3COOH｜FXeOCOCF3 無色固體｜Xe(OCOCF3)2 黃色固體，在195K時無色

HN(SO2F)2｜FXeN(SO2F)2白色粉末｜XeN(SO2F)22極不穩定的白色固體(低產率)

HN(SO2CF3)2｜/｜XeN(SO2CF3)22白色固體(低產率)

反應通式為：

XeF2 + HA → FXeA + HF

FXeA + HA → XeA2 + HF

其中HA是質子酸，A是電負性較強的基團。

<image>

- 在-25℃的低溫條件下，將二氟化氙與三氟乙酸按化學計量比1:2於二氯甲烷中反應，可以得到含雙-(三氟乙酸)氙(Ⅱ)的淺黃色溶液

<image>

- 該溶液在-78℃下為無色

一些氟離子受體和二氟化氙作用也可產生對應的氙化合物：

與五氟化銻的反應

2XeF2 + SbF5→ Xe2F3+SbF6−

XeF2＋SbF5 →XeF+SbF6-

與三氧化硫的反應

SO3＋XeF2 → FXeOSO2F

SO3＋FXeOSO2F→Xe(OSO2F)2

<image>

反應通式為：

2XeF2 + A(Lewis酸) → Xe2F3AF

XeF2 + A(Lewis酸) → XeFAF

XeF2 + 2A(Lewis酸) → XeAF2

這些氙化合物的穩定性都不如二氟化氙，並且同水反應生成氙、氧和相應的酸或酸的水解產物。只有HOTeF5和HOSeF5形成的化合物較穩定，在100℃以上才開始分解。Xe(OTeF5)2與水反應很慢，但在鹼性溶液反應劇烈。值得一提的是，核磁共振和拉曼光譜證實，FXeN(SO2F)2含有Xe-N鍵。FXeOSO2F一端與氟原子相連，另一端與氟磺酸基團中的氧相連。

<image>

## 合成方法

合成二氟化氙的方法有：

- 單質合成：條件可以是加熱、光合成、放電、電子束照射、γ-輻射或以氧或空氣為載氣反應，將裝有單質混合物的透明容器於陽光下曝曬便可合成。反應產物是固體。整個合成過程必須保持氙過量，否則會有過多的副產物四氟化氙影響純度。通過分餾或使用真空管線的選擇性縮合可將其純化。

Xe + F2 → XeF2

在 1965年，人們發現氙和二氟化二氧反應會產生二氟化氙。

Xe + O2F2 → XeF2 + O2

- 其他氟化物氟化，可用的氟化試劑有四氟化碳、四氟化矽、五氟化鉻、二氟二氯甲烷、次氟酸三氟甲酯(CF3OF)、二氟化二氧、二氟化二氮及氟磺酸氟等。

Xe + 2CF4 -放電→ XeF2 + C2F6

Xe + 2SiF4 -放電→ XeF2 + Si2F6

Xe + CrF5 → XeF2 + CrF3

2 Xe + 2 CF2Cl2 → 2 XeF2 + C2Cl4（通過放電管）

Xe + CF3OF → XeF2 + COF2（250atm，500K）

Xe + FSO3F → XeF2 +SO3（150atm，450K）

N2F2 + Xe → XeF2(含其他的氙氟化物）+ N2（80-150°C）

XeF4 + Xe -高壓→ 2XeF2

## 報告

XeF2的第一個公開報告是在1962年10月由Chernick等人撰寫的。但是，儘管較晚發布， XeF2 最早是由明斯特大學的Rudolf Hoppe於1962年初通過使氟氣和氙氣的混合物在放電中反應而發現的。這些報告發表後不久，阿貢國家實驗室的Weeks，Cherwick和Matheson報告了使用具有透明氧化鋁窗口的全鎳系統合成XeF2的過程，在紫外線源照射下，氙和氟氣在低壓下反應，得到XeF2。Williamson 報導說，該反應在乾燥的派熱克斯玻璃燈泡中，標準大氣壓下，以太陽光為紫外線源，反應過程同樣良好。他注意到即使在陰天，也可以進行二氟化氙的合成。

在先前的合成中，會有純化氟氣以除去氟化氫的步驟。Šmalc和Lutar發現，如果跳過此步驟，反應速率將以原始速率的四倍進行。

## 參考資料

- 馮光熙，黃祥玉。《無機化學叢書》第一卷。51頁。

## 外部連結

- WebBook page for XeF2

## 基本資料

- IUPACName：xenon(II) fluoride
- 其他名稱：氟化氙(II)
- ChemSpiderID：75497
- InChI：1/F2Xe/c1-3-2
- InChIKey：IGELFKKMDLGCJO-UHFFFAOYAE
- StdInChI：1S/F2Xe/c1-3-2
- StdInChIKey：IGELFKKMDLGCJO-UHFFFAOYSA-N
- CASNo：13709-36-9
- PubChem：83674
- 3D模型（JSmol）：FXeF
- 化學式：XeF2
- MolarMass：169.2968
- 外貌：無色透明晶體
- 密度：4.32 g/cm3
- 水溶性：緩慢分解、2.5 g/100mL, 0 °C
- MeltingPt：129 °C
- BoilingPt：114 °C 昇華
- VaporPressure：6.0e2Pa
- MolShape：直線型
- CrystalStruct：平行XeF2單位
- Dipole：0 D
- DeltaHf：−108 kJ·mol−1
- 熵：254 J·mol−1·K−1
- MainHazards：會腐蝕裸露的組織，與水分接觸時釋放有毒的化合物。
- OtherCations：XeF4、XeF6、XeO3
- 類型：氟化物
- OtherFunctn：KrF2、RnF2、OF2