Ksenon (Xe) – właściwości, działanie i występowanie
Nazwa ksenonu (Xe) pochodzi od greckiego słowa „xenos”, które dosłownie oznacza „obcy, dziwny”. Jest to dość trafne określenie specyficznego pierwiastka, który, choć bardzo rzadki, otacza nas każdego dnia. Zdecydowanie nietypowe są niektóre jego właściwości, zastosowania, a także wpływ na ludzkie zdrowie. Co warto więc wiedzieć o ksenonie i jego potencjale?
Gdyby przyjrzeć się tablicy Mendelejewa, w ostatniej kolumnie, określanej jako grupa XVIII, znajdziemy czytając od góry pięć najważniejszych gazów szlachetnych: hel, neon, argon, krypton oraz właśnie ksenon (Xe) – jeden cięższy od drugiego. Niżej, z pierwiastków naturalnie występujących w przyrodzie, znajduje się już tylko silnie promieniotwórczy radon. W jaki sposób ksenon wyróżnia się w tej arystokratycznej gromadzie?
Historia ksenonu
Odkrycie ksenonu jest pokłosiem jednego z najbardziej owocnych eksperymentów w dziejach nauki, który przyniósł ludzkości aż trzy nowe, nieznane wcześniej pierwiastki chemiczne. Dokonał go duet brytyjskich chemików – sir Wiliam Ramsey oraz Morris Travers w 1898 r. zaczęli po kolei odparowywać składniki płynnego powietrza, aby sprecyzować, co tak naprawdę kryje się w ziemskiej atmosferze. Tym sposobem najpierw wyizolowali krypton i neon, a następnie ksenon. Ramsey za swoje zasługi w dziedzinie chemii został w 1904 r. odznaczony Nagrodą Nobla.
Komercyjne zastosowanie ksenonu rozwinęło się jednak dopiero w latach 30-tych XX w. Najpierw wykorzystano go do produkcji fotograficznych lamp błyskowych, a następnie jako środek do anestezji. Pierwszej operacji na człowieku z udziałem ksenonu dokonano w 1951 r.
Na kartach dziejów nauki ksenon zapisał się w jeszcze jeden szczególny sposób. W 1989 r. stał się pierwszym na świecie pierwiastkiem, którego pojedyncze atomy ułożono liniowo na płaskiej powierzchni. Owo przełomowe osiągnięcie, które otworzyło drzwi wielu innym badaniom z zakresu nanotechnologii, zawdzięczamy komputerowej firmie IBM.
Właściwości ksenonu – jakie związki tworzy?
Tak jak inne szlachetne gazy, ksenon jest bezbarwny, pozbawiony zapachu i smaku – jego obecność w powietrzu jest więc nie do zauważenia. Jednocześnie jest nawet 4,5 razy gęstszy niż powietrze, a jego jednoatomowe cząsteczki upakowane są bardzo gęsto obok siebie. Jeden litr ksenonu waży ponad 5,8 g.
W temperaturze -108 stopni C ksenon skrapla się do stanu ciekłego, zaś już w -111,9 stopniach C przechodzi w ciało stałe. Co ciekawe, pod wpływem ciśnienia rzędu 140 GPa zaczyna tworzyć fazę metaliczną i wówczas nabiera błękitnej barwy. Ta zmiana koloru, zupełnie nietypowa dla metali, spowodowana jest pochłanianiem promieniowania czerwonego i przepuszczaniem fal o innej częstotliwości. Barwne, świetliste efekty daje również proces poddania ksenonu działaniu strumienia prądu elektrycznego – w wypełnionej gazem szklanej rurce powstaje wówczas błękitny lub lawendowy poblask.
Sam fakt posiadania ośmiu elektronów na ostatniej orbicie czyni ksenon, podobnie jak inne gazy szlachetne, chemicznie nieaktywnym. W rezultacie pierwiastek nie poddaje się większości typowych reakcji i do lat 60-tych ubiegłego stulecia uważano go za niezdolny do tworzenia związków. W 1962 r. jednak Neil Bartlett z uniwersytetu w British Columbia wyprodukował w laboratorium keksafluoroplatynian ksenonu poddając heksafluorek platyny jonizacji ksenonem. Później okazało się co prawda, że jego produkt był mieszaniną, nie zaś czystym związkiem chemicznym, ale eksperyment otworzył drogę do podważenia tezy o nieaktywności szlachetnych gazów. Od tamtej pory naukowcom udało się już wyprodukować szereg innych związków zawierających ksenon, przede wszystkim fluorki (XeF2, XeF4, XeF6) oraz tlenki (XeO3, XeO4). Te ostatnie są niebezpieczne, ponieważ wyróżniają się wysokim poziomem eksplozyjności.
Ciekawostka:
Balon napełniony ksenonem będzie zachowywał się zupełnie inaczej niż balon z helem – natychmiast opadnie na podłogę.
Występowanie i pozyskiwanie ksenonu
Ksenon jest pierwiastkiem bardzo rzadkim – w atmosferze ziemskiej występuje w stężeniu 0.087 ppm (1 cząsteczka na 20 milionów). Ten sam jego poziom odkryto w powłoce gazów otaczających Mars. Na naszej planecie ksenon zawierają również niektóre wody źródlane, które przedostając się na powierzchnię lądu emitują gaz w powietrze. Ponadto ślady pierwiastka odkryto również w meteorytach.
Znamy siedem naturalnie występujących, stabilnych izotopów ksenonu: Xe-126, Xe-128, Xe-129, Xe-130, Xe-131, Xe-132 oraz Xe-134. Ponadto opisano czterdzieści niestabilnych izotopów, spośród których część powstaje w reaktorach jądrowych. Uważa się, że to właśnie Xe-135 jest w dużym stopniu odpowiedzialny za katastrofę elektrowni atomowej w Czarnobylu.
Jedyną racjonalną metodą pozyskiwania świecącego gazu jest frakcyjna destylacja ciekłego powietrza, którego ksenon stanowi najmniej lotną część. Otrzymany w tym procesie płynny tlen zawiera niewielkie ilości kryptonu i ksenonu, a dalsza destylacja pozwala wyizolować je w czystej postaci. W 2018 r. na świecie wyprodukowano ponad 17 milionów litrów ksenonu, a prognozy mówią, że w 2024 r. wartość ta osiągnie blisko 22 milionów litrów. Największym producentem w skali globalnej jest dziś francuski koncern Air Liquide.
Zastosowania ksenonu
Mimo swojej relatywnej rzadkości, ksenon ma szereg ciekawych zastosowań we współczesnym przemyśle i nauce. Przede wszystkim stanowi cenny surowiec do produkcji lamp błyskowych, stroboskopów, laserów oraz lamp bakteriobójczych. W przemyśle samochodowym światła ksenonowe coraz częściej zastępują klasyczne halogeny, znacznie poprawiając widoczność na drodze w nocy. Cenione są również za wyjątkową trwałość. Ponadto, ksenonowe lampy łukowe emitują białe światło zbliżone do słonecznego i znajdują zastosowanie w projektorach filmowych.
W medycynie ksenon pełni funkcję gazu anestetycznego, ale ze względu na cenę używany jest stosunkowo rzadko. Wykorzystuje się go natomiast jako środek prewencyjny i terapeutyczny w udarach niedokrwiennych, ponieważ oferuje wielopłaszczyznową ochronę kardiologiczną i neurologiczną. Inhalowany jest również formą dopingu sportowego, gdyż aktywuje hormon zwiększający produkcję czerwonych krwinek. Obecnie znajduje się też na liście substancji zakazanych przez Światową Agencję Antydopingową. Dodatkowo ksenon stosuje się w diagnostyce obrazowej (m.in. podczas badań rezonansu magnetycznego) oraz w chirurgii laserowej.
Zastosowanie dla ksenonu znalazła również NASA wykorzystując szlachetny gaz do budowy silników jonowych. Wykorzystywano je już w latach 70-tych ubiegłego wieku do zasilania satelitów. W tym kontekście ksenon oferuje wiele korzyści w porównaniu z alternatywnymi gazami pędnymi – przede wszystkim przy odpowiednim stężeniu może być przetrzymywany w postaci płynnej w pokojowej temperaturze, a przy tym łatwo przechodzi w fazę lotną.
Inne ciekawe wykorzystania ksenonu obejmują liczne urządzenia naukowe i pomiarowe typu spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), stosowana m.in. w celu oznaczania zawartości wody w produktach czy też komora pęcherzykowa służąca obserwacji cząstek elementarnych. Wreszcie, niebagatelną rolę ksenon odgrywa również w przemyśle chemicznym, gdzie stosowany jest w reakcjach jako czynnik silnie utleniający.
Ciekawostka: Naukowcy próbują wykorzystać ciekły ksenon do odnalezienie cząstek ciemnej materii – jak na razie bezskutecznie.
Wpływ ksenonu na zdrowie
Sam w sobie ksenon jest nietoksyczny i nie posiada żadnej znanej roli biologicznej. Wykorzystywany w medycynie, nie wydaje się mieć negatywnych skutków na ludzki organizm. Bardziej problematyczne są jednak związki ksenonu, które wykazują działanie silnie oksydacyjne i tym samym stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia.
W wyjątkowej sytuacji, gdy człowiek znalazłby się w pomieszczeniu wypełnionym wysoko stężonym ksenonem, mógłby doświadczyć uduszenia, bowiem gaz wypełni płuca, utrudniając zaspokojenie głodu tlenowego. Z tego też względu obowiązuje zasada przetrzymywania ksenonu w szczelnych w metalowych lub szklanych opakowaniach, w dobrze wentylowanych pomieszczeniach.
Ksenon a ekologia
Wykorzystanie ksenonu w przemyśle ma silny podtekst ekologiczny. W przeciwieństwie do wielu innych surowców, np. tlenku azotu, nie stwarza on zagrożenia dla środowiska naturalnego, nawet, gdy emitowany jest bezpośrednio do atmosfery. Mimo, że istnieją studia sugerujące, że jego wykorzystanie w napędzie rakietowym może powodować zwiększoną kumulację gazu w ramach powłoki gazowej Ziemi, na dzień dzisiejszy nie ma żadnych powodów, aby traktować go jako czynnik ryzyka.
- „Xenon” Britannica, https://www.britannica.com/science/xenon, 1/03/2022;
- “Facts about Xenon” Alina Bradford, https://www.livescience.com/37504-facts-about-xenon.html, 1/03/2022;
- “Xenon” Royal Society of Chemistry, https://www.rsc.org/periodic-table/element/54/xenon, 1/03/2022;
- “Interesting Xenon Facts and Uses in Chemistry” Anne Marie Helmenstine, https://www.thoughtco.com/facst-about-the-noble-gas-xenon-609608, 1/03/2022;
- “Xenon – Xe” Lenntech, https://www.lenntech.com/periodic/elements/xe.htm, 1/03/2022;
- “Xenon: Will always be a Stranger for developing countries?” Arun Kumar Gupta i in., https://academic.oup.com/bja/article/doi/10.1093/bja/el_5424/2450960, 1/03/2022;
