ksenon

Ksenon – jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Xe i liczbie atomowej 54. Należy do grupy helowców – gazów szlachetnych. Nazwa ksenon pochodzi od greckiego słowa ξένος, co oznacza xsénos, czyli dziwny, obcy albo gość.

Historia ksenonu

Ksenon został odkryty w 1898 r. w Wielkiej Brytanii. Miało to miejsce wkrótce po odkryciu neonu i kryptonu. Dokonał tego szkocki chemik William Ramsay oraz angielski chemik Morris Travers poprzez odparowaniu prawie wszystkich składników ciekłego powietrza. W następnych latach (lata trzydzieste) jeden z współczesnych inżynierów wynalazł lampę błyskową, w której światło generowane było przez przepuszczenie krótkiego prądu elektrycznego przez rurkę wypełnioną gazem ksenonowym. Dzięki tej metodzie nieco później możliwe już było generowanie błysków tak krótkich jak jedna mikrosekunda.

Pod koniec trzydziestych XX wieku angielski lekarz zaczął stosować ksenon jako gaz znieczulający, w późniejszych latach było to podstawą dla szerokiego zainteresowania świata nauki. Doprowadziło to do tego, że w 1951 roku ksenon zastosowano po raz pierwszy jako znieczulenie chirurgiczne. Ksenon podobnie jak i inne gazy szlachetne uważany był za chemicznie obojętny i niezdolny do tworzenia związków, co za sprawą Neila Bartletta zostało obalone. Udowodnił, że za pomocą specyficznego związku chemicznego możliwe jest utlenienie ksenonu do heksafluoroplatynianu ksenonu.

Podstawowe dane o ksenonie. Źródło: shutterstock

Charakterystyka ksenonu

Ksenon w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia stanowi gaz czysty o gęstości 5,761 kg/m3. Jako ciecz ma gęstość wynoszącą 3,1 g/ml. Ciekły ksenon jest doskonałym rozpuszczalnikiem. Może rozpuszczać węglowodory jak również inne cząsteczki organiczne, a także inne substancje. W tych samych warunkach gęstość ksenonu będącego ciałem stałym wynosi 3,64 g/cm³. A zatem jest większa niż średnia gęstość granitu wynosząca 2,75 g/cm³.

Ciekłe lub stałe nanocząstki ksenonowe można uzyskać w temperaturze pokojowej poprzez wszczepienie jonów ksenonu w stałą matrycę. Ksenon jest obojętny na większość typowych reakcji chemicznych (takich jak na przykład spalanie), ponieważ zewnętrzna powłoka walencyjna zawiera osiem elektronów. Daje to stabilną konfigurację o minimalnej energii, w której elektrony zewnętrzne są ściśle związane.

W rurce wypełnionej gazem ksenon po wzbudzeniu przez wyładowanie elektryczne emituje niebieski lub lawendowy blask. Ponadto może on tworzyć halogenki, tlenki i tlenohalogenki jak również inne rzadkie związki.

Ksenon po wzbudzeniu (w porównaniu do innych gazów szlachetnych). Źródło: shutterstock

Izotopy ksenonu

Naturalnie występujący ksenon składa się z siedmiu stabilnych izotopów takich jak: ¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe,  ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe, ¹³²Xe i ¹³⁴Xe. Istnieje teoretyczna podstawa aby sądzić, że izotopy ¹²⁶Xe i ¹³⁴Xe mogą ulec podwójnemu rozpadowi beta, lecz ze względu na brak dowodów uważa się je za stabilne. Ponadto występuje ponad 40 niestabilnych izotopów ksenonu. Najtrwalszym spośród nich jest izotop ¹²⁴Xe, którego okres półtrwania wynosi 1,8*10²² lat jak również izotop ¹³⁶Xe, którego okres półtrwania wynosi 2,11*10²¹ lat. Natomiast poprzez rozpad izotopu jodu ¹²⁹I powstaje izotop ¹²⁹Xe, którego okres półtrwania wynosi 16 milionów lat.

Podczas napromieniowania neutronowego materiału rozszczepialnego w reaktorach jądrowych wytwarzane są niektóre radioaktywne izotopy ksenonu, na przykład ¹³³Xe i ¹³⁵Xe. Ten ostatni izotop ma duże znaczenie w działaniu reaktorów rozszczepienia jądrowego m.in. poprzez pochłanianie elektronów, a także poprzez możliwość spowolnienia lub zatrzymania reakcji łańcuchowej po określonym okresie eksploatacji. Głównym czynnikiem w katastrofie elektrowni atomowej w Czarnobylu było zanieczyszczanie reaktora izotopem ¹³⁵Xe. Warto tutaj zaznaczyć, że w niekorzystnych warunkach stosunkowo wysokie stężenia izotopów promieniotwórczych ksenonu może pochodzić z prętów paliwowych lub pochodnych uranu w wodzie chłodzącej.

Występowanie izotopów ksenonu w meteorytach wykorzystywane jest w badaniach nad powstawaniem Układu Słonecznego. Na przykład fizyk J.H. Reynolds odkrył w 1960 r., że niektóre meteoryty zawierają anomalię izotopową w postaci nadmiaru ¹²⁹Xe. Wywnioskował, że był to produkt rozpadu radioaktywnego jodu ¹²⁹I . Izotop ten powstaje wyłącznie tylko podczas wybuchów supernowych, a więc mogły one pochodzić z wczesnej fazy powstania Układu Słonecznego. Dlatego stosunki izotopów ksenonu, takich jak ¹²⁹Xe do ¹³⁰Xe i ¹³⁶Xe do ¹³⁰Xe są ważnym narzędziem do zrozumienia różnicowania planetarnego i powstania kosmosu. Przykładowo atmosfera Marsa pod względem ilościowej zawartości izotopów ksenonu jest podobna jak na Ziemi, natomiast Mars posiada większą ilość izotopu ¹²⁹Xe niż Ziemia czy Słońce.

Występowanie ksenonu

Ksenon jest gazem śladowym w ziemskiej atmosferze, gdzie występuje w stężeniu wynoszącym około 87 nl/l lub około 1 część na 11,5 miliona. Spotykany jest także jako składnik gazów emitowanych z niektórych źródeł mineralnych. W Układzie Słonecznym ksenon występuje w ilości 1,56*10^–8, co stanowi wielkość około jednej części w 630 tysiącach całkowitej masy. W najbliższym otoczeniu Ziemi ksenon występuje stosunkowo rzadko, np. w atmosferze Słońca, asteroidach czy kometach. Jednak niezwykle wysoką obfitość izotopów ksenonu notuje się w atmosferze Jowisza (około 2,6 razy większa niż Słońca).

Widmo emisyjne ksenonu. Źródło: Teravolt / Public domain

Zastosowanie ksenonu

Ksenon ze względu na charakterystyczne właściwości ma wiele zastosowań i to pomimo tego, że jest pierwiastkiem rzadkim i stosunkowo drogim do wydobycia. Ten gaz szlachetny znalazł zastosowanie zarówno w oświetleniu i optyce, w medycynie jak również w innych zastosowaniach.

W oświetleniu i optyce ksenon stosowany jest w:

• lampach błyskowych stosowanych w aparatach fotograficznych i stroboskopowych,
• lampach bakteriobójczych,
• laserach używanych do zasilania inercyjnego połączenia zespolonego,
• lampach łukowych stosowanych m.in. w noktowizorach i systemach projekcji filmowej,
• wyświetlaczach plazmowych,
• wysokoprężnych lampach sodowych,
• laserach ekcypleksowych.

Pod względem medycznym ksenon jest wykorzystywany w:

• znieczuleniu ogólnym oraz w innych zastosowaniach znieczulających,
• ochronie serca i neuroprotekcji w każdej fazie (także w prewencji) urazu niedokrwiennego,
• dopingu,
• obrazowaniu serca, płuc i mózgu, a także krążenia krwi za pomocą m.in. tomografii komputerowej,
• dermatologii poprzez zastosowanie laseru ekscymerowego.

• monitorowaniu warunków chemicznych otoczenia za pomocą spektroskopii NMR,
• badaniach energii jądrowej,
• sondach,
• kalorymetrach,
• chemii analitycznej jako środki utleniające.

Ksenon wykorzystuje się obecnie powszechnie w lampach ksenonowych nowoczesnych samochodów. Źródło: shutterstock