Xenón

El xenón es un elemento químico con el símbolo Xe y el número atómico 54. Es un gas noble incoloro, denso e inodoro que se encuentra en la atmósfera de la Tierra en cantidades mínimas. Aunque generalmente no es reactivo, puede sufrir algunas reacciones químicas, como la formación de hexafluoroplatinato de xenón, el primer compuesto de gas noble que se sintetiza.

El xenón se utiliza en lámparas de destellos y lámparas de arco, y como anestésico general. El primer diseño de láser excimer usó una molécula de dímero de xenón (Xe ₂) como medio láser, y los primeros diseños de láser usaron lámparas de flash de xenón como bombas. El xenón también se usa para buscar partículas masivas hipotéticas que interactúan débilmente y como propulsor para propulsores de iones en naves espaciales.

El xenón natural consta de siete isótopos estables y dos isótopos radiactivos de larga duración. Más de 40 isótopos de xenón inestables sufren decaimiento radiactivo, y las proporciones de isótopos de xenón son una herramienta importante para estudiar la historia temprana del Sistema Solar. El xenón-135 radiactivo se produce por la desintegración beta del yodo-135 (un producto de la fisión nuclear) y es el absorbente de neutrones más importante (y no deseado) en los reactores nucleares.

Historia

El xenón fue descubierto en Inglaterra por el químico escocés William Ramsay y el químico inglés Morris Travers en septiembre de 1898, poco después de que descubrieran los elementos criptón y neón. Encontraron xenón en los residuos que quedaron de la evaporación de los componentes del aire líquido. Ramsay sugirió el nombre xenón para este gas de la palabra griega ξένον xénon , forma singular neutra de ξένος xénos, que significa 'extranjero (er)', 'extraño (r)' o 'invitado'. En 1902, Ramsay estimó que la proporción de xenón en la atmósfera terrestre era de una parte en 20 millones.

Durante la década de 1930, el ingeniero estadounidense Harold Edgerton comenzó a explorar la tecnología de luz estroboscópica para la fotografía de alta velocidad. Esto lo llevó a la invención de la lámpara de destellos de xenón en la que la luz se genera al pasar una breve corriente eléctrica a través de un tubo lleno de gas xenón. En 1934, Edgerton pudo generar destellos tan breves como un microsegundo con este método.

En 1939, el médico estadounidense Albert R. Behnke Jr. comenzó a explorar las causas de la "ebriedad" en los buceadores de aguas profundas. Probó los efectos de variar las mezclas de respiración en sus sujetos y descubrió que esto hacía que los buzos percibieran un cambio en la profundidad. De sus resultados, dedujo que el gas xenón podría servir como anestésico. Aunque el toxicólogo ruso Nikolay V. Lazarev aparentemente estudió la anestesia con xenón en 1941, el primer informe publicado que confirmaba la anestesia con xenón fue en 1946 por el investigador médico estadounidense John H. Lawrence, quien experimentó con ratones. El xenón fue utilizado por primera vez como anestésico quirúrgico en 1951 por el anestesiólogo estadounidense Stuart C. Cullen, quien lo utilizó con éxito en dos pacientes.

Durante mucho tiempo se consideró que el xenón y los demás gases nobles eran completamente inertes desde el punto de vista químico y no podían formar compuestos. Sin embargo, mientras enseñaba en la Universidad de Columbia Británica, Neil Bartlett descubrió que el hexafluoruro de platino gaseoso (PtF ₆) era un poderoso agente oxidante que podía oxidar el oxígeno gaseoso (O ₂) para formar hexafluoroplatinato de dioxigenilo (O₂[PtF₆]). Dado que el O ₂ (1165 kJ/mol) y el xenón (1170 kJ/mol) tienen casi el mismo potencial de primera ionización, Bartlett se dio cuenta de que el hexafluoruro de platino también podría oxidar el xenón. El 23 de marzo de 1962, mezcló los dos gases y produjo el primer compuesto conocido de un gas noble, el hexafluoroplatinato de xenón.

Bartlett pensó que su composición era Xe [PtF ₆ ], pero un trabajo posterior reveló que probablemente era una mezcla de varias sales que contenían xenón. Desde entonces, se han descubierto muchos otros compuestos de xenón, además de algunos compuestos de los gases nobles argón, criptón y radón, incluidos el fluorohidruro de argón (HArF), el difluoruro de criptón (KrF ₂) y el fluoruro de radón. Para 1971, se conocían más de 80 compuestos de xenón.

En noviembre de 1989, los científicos de IBM demostraron una tecnología capaz de manipular átomos individuales. El programa, llamado IBM en átomos, utilizó un microscopio de efecto túnel para colocar 35 átomos de xenón individuales en un sustrato de cristal de níquel enfriado para deletrear las siglas de tres letras de la compañía. Era la primera vez que los átomos se colocaban con precisión en una superficie plana.

Características

el xenón tiene el número atómico 54; es decir, su núcleo contiene 54 protones. A temperatura y presión estándar, el gas xenón puro tiene una densidad de 5,894 kg/m3, aproximadamente 4,5 veces la densidad de la atmósfera terrestre al nivel del mar, 1,217 kg/m3. Como líquido, el xenón tiene una densidad de hasta 3100 g/ml, y la densidad máxima se produce en el punto triple. El xenón líquido tiene una alta polarizabilidad debido a su gran volumen atómico y, por lo tanto, es un excelente disolvente. Puede disolver hidrocarburos, moléculas biológicas e incluso agua. En las mismas condiciones, la densidad del xenón sólido, 3,640 g/cm, es mayor que la densidad media del granito, 2,75 g/cm. Bajo gigapascales de presión, el xenón forma una fase metálica.

El xenón sólido cambia de fase cristalina cúbica centrada en las caras (fcc) a hexagonal compacta (hcp) bajo presión y comienza a volverse metálica a aproximadamente 140 GPa, sin un cambio de volumen notable en la fase hcp. Es completamente metálico a 155 GPa. Cuando se metaliza, el xenón se ve azul cielo porque absorbe la luz roja y transmite otras frecuencias visibles. Tal comportamiento es inusual para un metal y se explica por el ancho relativamente pequeño de las bandas de electrones en ese estado.

Las nanopartículas de xenón líquidas o sólidas se pueden formar a temperatura ambiente implantando iones Xe en una matriz sólida. Muchos sólidos tienen constantes de red más pequeñas que el sólido Xe. Esto da como resultado la compresión del Xe implantado a presiones que pueden ser suficientes para su licuefacción o solidificación.

El xenón es un miembro de los elementos de valencia cero que se denominan gases nobles o inertes. Es inerte a las reacciones químicas más comunes (como la combustión, por ejemplo) porque la capa de valencia exterior contiene ocho electrones. Esto produce una configuración de energía mínima estable en la que los electrones externos están estrechamente unidos.

En un tubo lleno de gas, el xenón emite un brillo azul o lavanda cuando se excita con una descarga eléctrica. El xenón emite una banda de líneas de emisión que abarcan el espectro visual, pero las líneas más intensas ocurren en la región de la luz azul, produciendo la coloración.

Ocurrencia y producción

El xenón es un gas traza en la atmósfera de la Tierra, que ocurre en una fracción de volumen de87 ± 1 nL/L (partes por mil millones), o aproximadamente 1 parte por 11,5 millones. También se encuentra como componente de los gases emitidos por algunos manantiales minerales. Dada una masa total de la atmósfera de 5,15 × 10 kilogramos (1,135 × 10 lb), la atmósfera contiene del orden de 2,03 gigatoneladas (2,00 × 10 toneladas largas; 2,24 × 10 toneladas cortas) de xenón en total cuando se toma el promedio molar masa de la atmósfera como 28,96 g/mol, lo que equivale a unas 394 ppb en masa.

Comercial

El xenón se obtiene comercialmente como subproducto de la separación del aire en oxígeno y nitrógeno. Después de esta separación, generalmente realizada por destilación fraccionada en una planta de doble columna, el oxígeno líquido producido contendrá pequeñas cantidades de criptón y xenón. Mediante destilación fraccionada adicional, el oxígeno líquido se puede enriquecer para que contenga 0,1-0,2% de una mezcla de criptón/xenón, que se extrae por adsorción en gel de sílice o por destilación. Finalmente, la mezcla de criptón/xenón se puede separar en criptón y xenón mediante destilación adicional.

La producción mundial de xenón en 1998 se estimó en 5000 a 7000 metros cúbicos (180 000 a 250 000 pies cúbicos). A una densidad de 5,894 gramos por litro (0,9452 oz/imp gal) esto equivale aproximadamente a 30 a 40 toneladas (30 a 39 toneladas largas; 33 a 44 toneladas cortas). Debido a su escasez, el xenón es mucho más caro que los gases nobles más ligeros; los precios aproximados para la compra de pequeñas cantidades en Europa en 1999 fueron de 10 €/L (=~1,7 €/g) para el xenón, 1 €/L (= ~0,27€/g) para el criptón, y 0,20 €/L (=~0,22€/g) para el neón, mientras que el mucho más abundante argón, que constituye más del 1% en volumen de la atmósfera terrestre, cuesta menos de un centavo por litro.

Sistema solar

Dentro del Sistema Solar, la fracción de nucleones de xenón es de 1,56 × 10, para una abundancia de aproximadamente una parte en 630 mil de la masa total. El xenón es relativamente raro en la atmósfera del Sol, en la Tierra y en asteroides y cometas. La abundancia de xenón en la atmósfera del planeta Júpiter es inusualmente alta, unas 2,6 veces la del Sol. Esta abundancia permanece sin explicación, pero puede haber sido causada por una acumulación temprana y rápida de planetesimales (pequeños cuerpos subplanetarios) antes del calentamiento del disco presolar. (De lo contrario, el xenón no habría quedado atrapado en los hielos planetesimales). El problema del bajo xenón terrestre puede explicarse por el enlace covalente del xenón con el oxígeno dentro del cuarzo, lo que reduce la liberación de gases del xenón a la atmósfera.

Estelar

A diferencia de los gases nobles de menor masa, el proceso normal de nucleosíntesis estelar dentro de una estrella no forma xenón. Los elementos más masivos que el hierro-56 consumen energía a través de la fusión, y la síntesis de xenón no representa ganancia de energía para una estrella. En cambio, el xenón se forma durante las explosiones de supernova, en las explosiones clásicas de nova, por el lento proceso de captura de neutrones (proceso s) en las estrellas gigantes rojas que han agotado su núcleo de hidrógeno y han entrado en la rama gigante asintótica, y por la desintegración radiactiva, por ejemplo. por desintegración beta del yodo-129 extinto y fisión espontánea de torio, uranio y plutonio.

Fisión nuclear

El xenón-135 es un notable veneno de neutrones con un alto rendimiento de productos de fisión. Como tiene una vida relativamente corta, se desintegra al mismo ritmo que se produce durante el funcionamiento constante de un reactor nuclear. Sin embargo, si se reduce la potencia o si el reactor se estropea, se destruye menos xenón del que se produce a partir de la desintegración beta de sus nucleidos originales. Este fenómeno llamado envenenamiento por xenón puede causar problemas significativos al reiniciar un reactor después de un scram o aumentar la potencia después de que se haya reducido y fue uno de los varios factores que contribuyeron al accidente nuclear de Chernobyl.

Los isótopos de xenón estables o de vida extremadamente larga también se producen en cantidades apreciables en la fisión nuclear. El xenón-136 se produce cuando el xenón-135 se somete a la captura de neutrones antes de que pueda desintegrarse. La proporción de xenón-136 a xenón-135 (o sus productos de desintegración) puede dar pistas sobre el historial energético de un reactor determinado y la ausencia de xenón-136 es una "huella digital" de las explosiones nucleares, ya que el xenón-135 no lo es. se produce directamente, pero como producto de sucesivas desintegraciones beta y, por lo tanto, no puede absorber ningún neutrón en una explosión nuclear que ocurre en fracciones de segundo.

El isótopo estable xenón-132 tiene un rendimiento de producto de fisión de más del 4% en la fisión de neutrones térmicos deU lo que significa que los isótopos de xenón estables o casi estables tienen una fracción de masa más alta en el combustible nuclear gastado (que es alrededor del 3% de productos de fisión) que en el aire. Sin embargo, a partir de 2022 no existe ningún esfuerzo comercial para extraer xenón del combustible gastado durante el reprocesamiento nuclear.

Isótopos

El xenón natural se compone de siete isótopos estables: Xe, Xe y Xe. La teoría predice que los isótopos Xe y Xe sufrirán una doble desintegración beta, pero esto nunca se ha observado, por lo que se consideran estables. Además, se han estudiado más de 40 isótopos inestables. Los isótopos más longevos de estos isótopos son el Xe primordial, que sufre captura de electrones dobles con una vida media de 1,8 × 10 años, y Xe, que sufre una desintegración beta doble con una vida media de 2,11 × 10 años. Xe se produce por la desintegración beta de I, que tiene una vida media de 16 millones de años. Xe, Xe, Xe yXe son algunos de los productos de fisión de U y Pu, y se utilizan para detectar y monitorear explosiones nucleares.

Espín nuclear

Los núcleos de dos de los isótopos estables del xenón, Xe y Xe, tienen momentos angulares intrínsecos distintos de cero (espines nucleares, adecuados para resonancia magnética nuclear). Los espines nucleares se pueden alinear más allá de los niveles de polarización ordinarios por medio de luz polarizada circularmente y vapor de rubidio. La polarización de espín resultante de los núcleos de xenón puede superar el 50 % de su valor máximo posible, superando con creces el valor de equilibrio térmico dictado por las estadísticas paramagnéticas (normalmente el 0,001 % del valor máximo a temperatura ambiente, incluso en los imanes más potentes). Tal alineación de espines que no está en equilibrio es una condición temporal y se llama hiperpolarización. El proceso de hiperpolarización del xenón se llama bombeo óptico.(aunque el proceso es diferente al de bombear un láser).

Debido a que un núcleo Xe tiene un espín de 1/2 y, por lo tanto, un momento cuadripolar eléctrico cero, el núcleo Xe no experimenta ninguna interacción cuadrupolar durante las colisiones con otros átomos, y la hiperpolarización persiste durante largos períodos incluso después de que la luz y el vapor engendrados hayan desaparecido. sido eliminado La polarización de espín de Xe puede persistir desde varios segundos para los átomos de xenón disueltos en sangre hasta varias horas en la fase gaseosa y varios días en xenón sólido profundamente congelado. Por el contrario, Xe tiene un valor de espín nuclear de ³ ⁄ ₂ y un momento cuadripolar distinto de cero, y tiene tiempos de relajación t ₁ en el rango de milisegundos y segundos.

De la fisión

Algunos isótopos radiactivos de xenón (por ejemplo, Xe y Xe) se producen mediante la irradiación con neutrones de material fisionable dentro de los reactores nucleares. Xe tiene una importancia considerable en el funcionamiento de los reactores de fisión nuclear. Xe tiene una gran sección transversal para neutrones térmicos, 2,6 × 10 graneros, y funciona como un absorbente de neutrones o "veneno" que puede ralentizar o detener la reacción en cadena después de un período de funcionamiento. Esto fue descubierto en los primeros reactores nucleares construidos por el Proyecto Americano Manhattan para la producción de plutonio. Sin embargo, los diseñadores habían hecho provisiones en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (la cantidad de neutrones por fisión que luego fisionan otros átomos de combustible nuclear). El envenenamiento del reactor Xe fue un factor importante en el desastre de Chernobyl. Una parada o disminución de la potencia de un reactor puede provocar la acumulación de Xe, y la operación del reactor entra en una condición conocida como pozo de yodo. En condiciones adversas, pueden emanar concentraciones relativamente altas de isótopos de xenón radiactivos de las barras de combustible rotas o de la fisión del uranio en el agua de refrigeración.

Las proporciones de isótopos del xenón producido en los reactores de fisión nuclear natural en Oklo, Gabón, revelan las propiedades del reactor durante la reacción en cadena que tuvo lugar hace unos 2.000 millones de años.

Procesos cósmicos

Debido a que el xenón es un marcador de dos isótopos principales, las proporciones de isótopos de xenón en los meteoritos son una herramienta poderosa para estudiar la formación del Sistema Solar. El método de datación de yodo-xenón da el tiempo transcurrido entre la nucleosíntesis y la condensación de un objeto sólido de la nebulosa solar. En 1960, el físico John H. Reynolds descubrió que ciertos meteoritos contenían una anomalía isotópica en forma de exceso de xenón-129. Infirió que se trataba de un producto de descomposición del yodo-129 radiactivo. Este isótopo se produce lentamente por espalación de rayos cósmicos y fisión nuclear, pero solo se produce en cantidad en explosiones de supernova.

Debido a que la vida media de I es comparativamente corta en una escala de tiempo cosmológica (16 millones de años), esto demostró que había pasado poco tiempo entre la supernova y el momento en que los meteoritos se solidificaron y atraparon al I. Estos dos eventos (supernova y solidificación de la nube de gas) se infirieron que ocurrieron durante la historia temprana del Sistema Solar, porque el isótopo I probablemente se generó poco antes de que se formara el Sistema Solar, sembrando la nube de gas solar con isótopos de una segunda fuente. Esta fuente de supernova también puede haber causado el colapso de la nube de gas solar.

De manera similar, las proporciones isotópicas de xenón como Xe/ Xe y Xe/ Xe son una poderosa herramienta para comprender la diferenciación planetaria y la desgasificación temprana. Por ejemplo, la atmósfera de Marte muestra una abundancia de xenón similar a la de la Tierra (0,08 partes por millón), pero Marte muestra una mayor abundancia de Xe que la Tierra o el Sol. Dado que este isótopo se genera por desintegración radiactiva, el resultado puede indicar que Marte perdió la mayor parte de su atmósfera primordial, posiblemente dentro de los primeros 100 millones de años después de la formación del planeta. En otro ejemplo, se cree que el exceso de Xe que se encuentra en los gases de los pozos de dióxido de carbono de Nuevo México se debe a la descomposición de los gases derivados del manto poco después de la formación de la Tierra.

Compuestos

Después del descubrimiento de Neil Bartlett en 1962 de que el xenón puede formar compuestos químicos, se ha descubierto y descrito una gran cantidad de compuestos de xenón. Casi todos los compuestos de xenón conocidos contienen átomos electronegativos de flúor u oxígeno. La química del xenón en cada estado de oxidación es análoga a la del elemento vecino yodo en el estado de oxidación inmediatamente inferior.

Haluros

Se conocen tres fluoruros: XeF₂, XeF₄y XeF₆. Se teoriza que XeF es inestable. Estos son los puntos de partida para la síntesis de casi todos los compuestos de xenón.

El difluoruro cristalino sólido XeF₂se forma cuando una mezcla de gases de flúor y xenón se expone a la luz ultravioleta. El componente ultravioleta de la luz diurna ordinaria es suficiente. Calentamiento a largo plazo de XeF₂a altas temperaturas bajo un NiF₂el catalizador produce XeF₆. Pirólisis de XeF₆en presencia de NaF produce XeF de alta pureza₄.

Los fluoruros de xenón se comportan como aceptores y donantes de fluoruro, formando sales que contienen cationes como XeFy Xe₂F₃, y aniones como XeF₅, XeF₇y XeF₈. El verde, paramagnético Xe₂se forma por la reducción de XeF₂por gas xenón.

XeF₂también forma complejos de coordinación con iones de metales de transición. Se han sintetizado y caracterizado más de 30 de estos complejos.

Mientras que los fluoruros de xenón están bien caracterizados, con la excepción del dicloruro XeCl ₂ y XeCl ₄, los otros haluros no se conocen. Se informa que el dicloruro de xenón, formado por la irradiación de alta frecuencia de una mezcla de xenón, flúor y tetracloruro de carbono o silicio, es un compuesto cristalino incoloro endotérmico que se descompone en elementos a 80 °C. Sin embargo, XeCl₂puede ser simplemente una molécula de van der Waals de átomos Xe débilmente unidos y Cl₂moléculas y no un compuesto real. Los cálculos teóricos indican que la molécula lineal XeCl₂es menos estable que el complejo de van der Waals. El tetracloruro de xenón es más inestable que no puede sintetizarse mediante reacciones químicas. Fue creado por radioactivoICI₄decadencia.

Óxidos y oxohalogenuros

Se conocen tres óxidos de xenón: trióxido de xenón (XeO₃) y tetróxido de xenón (XeO₄), ambos peligrosamente explosivos y poderosos agentes oxidantes, y dióxido de xenón (XeO ₂), que se informó en 2011 con un número de coordinación de cuatro. XeO ₂ se forma cuando el tetrafluoruro de xenón se vierte sobre hielo. Su estructura cristalina puede permitirle reemplazar el silicio en minerales de silicato. El catión XeOO ha sido identificado por espectroscopia infrarroja en argón sólido.

El xenón no reacciona directamente con el oxígeno; el trióxido se forma por hidrólisis de XeF₆:XeF₆+ 3 horas₂O → XeO₃+ 6 AF

XEO₃es débilmente ácido, se disuelve en álcali para formar sales de xenato inestables que contienen el HXeO₄anión. Estas sales inestables se desproporcionan fácilmente en gas xenón y sales de perxenato, que contienen el XeO₆anión.

El perxenato de bario, cuando se trata con ácido sulfúrico concentrado, produce tetróxido de xenón gaseoso:Licenciado en Letras₂XEO₆+ 2H₂ASI QUE₄→ 2 BaSO₄+ 2H₂O + Xeo₄

Para evitar la descomposición, el tetróxido de xenón así formado se enfría rápidamente hasta convertirse en un sólido de color amarillo pálido. Explota por encima de -35,9 ° C en gas xenón y oxígeno, pero por lo demás es estable.

Se conocen varios oxifluoruros de xenón, incluido XeOF₂, XeOF₄, Xeo₂F₂y Xeo₃F₂. XeOF₂se forma al reaccionar OF₂con gas xenón a bajas temperaturas. También se puede obtener por hidrólisis parcial de XeF₄. Se desproporciona a -20 ° C en XeF₂y Xeo₂F₂. XeOF ₄se forma por la hidrólisis parcial de XeF₆, o la reacción de XeF₆con perxenato de sodio, Na₄XEO₆. La última reacción también produce una pequeña cantidad de XeO₃F₂. XeOF₄reacciona con CsF para formar el XeOF₅anión, mientras que XeOF ₃ reacciona con los fluoruros de metales alcalinos KF, RbF y CsF para formar el XeOF₄anión.

Otros compuestos

El xenón se puede unir directamente a un elemento menos electronegativo que el flúor o el oxígeno, particularmente el carbono. Los grupos atractores de electrones, como los grupos con sustitución de flúor, son necesarios para estabilizar estos compuestos. Se han caracterizado numerosos compuestos de este tipo, que incluyen:

• C₆F₅–Xe–N≡C–CH₃, donde C ₆ F ₅ es el grupo pentafluorofenilo.
• [C₆F₅]₂Xe
• C₆F₅–Xe–C≡N
• C₆F₅–Xe–F
• C₆F₅–Xe–Cl
• C₂F₅–C≡C–Xe
• [CH₃]₃C–C≡C–Xe
• C₆F₅–XeF₂
• (C₆F₅Xe)₂cl

Otros compuestos que contienen xenón unido a un elemento menos electronegativo incluyen F–Xe–N(SO₂F)₂y F–Xe–BF₂. Este último se sintetiza a partir de tetrafluoroborato de dioxigenilo, O₂BF₄, a -100 °C.

Un ion inusual que contiene xenón es el catión tetraxenonogold (II), AuXe₄, que contiene enlaces Xe-Au. Este ion ocurre en el compuesto AuXe₄(Sb₂F₁₁)₂, y es notable por tener enlaces químicos directos entre dos átomos notoriamente no reactivos, xenón y oro, con el xenón actuando como un ligando de metal de transición.

El compuesto Xe₂Sb₂F₁₁contiene un enlace Xe-Xe, el enlace elemento-elemento más largo conocido (308,71 pm = 3,0871 Å).

En 1995, M. Räsänen y colaboradores, científicos de la Universidad de Helsinki en Finlandia, anunciaron la preparación de dihidruro de xenón (HXeH), y más tarde hidróxido de xenón-hidruro (HXeOH), hidroxenoacetileno (HXeCCH) y otros compuestos que contienen Xe. moléculas. En 2008, Khriachtchev et al. informaron sobre la preparación de HXeOXeH mediante la fotólisis de agua dentro de una matriz criogénica de xenón. También se han producido moléculas deuteradas, HXeOD y DXeOH.

Clatratos y excímeros

Además de los compuestos en los que el xenón forma un enlace químico, el xenón puede formar clatratos, sustancias en las que los átomos o pares de xenón quedan atrapados en la red cristalina de otro compuesto. Un ejemplo es el hidrato de xenón (Xe· 5+³ ⁄ ₄ H ₂ O), donde los átomos de xenón ocupan vacantes en una red de moléculas de agua. Este clatrato tiene un punto de fusión de 24 °C. También se ha producido la versión deuterada de este hidrato. Otro ejemplo es el hidruro de xenón (Xe(H ₂) ₈), en el que los pares de xenón (dímeros) quedan atrapados dentro de hidrógeno sólido. Dichos hidratos de clatrato pueden ocurrir naturalmente en condiciones de alta presión, como en el lago Vostok debajo de la capa de hielo de la Antártida. La formación de clatratos se puede utilizar para destilar fraccionadamente xenón, argón y criptón.

El xenón también puede formar compuestos de fullereno endoédricos, donde un átomo de xenón queda atrapado dentro de una molécula de fullereno. El átomo de xenón atrapado en el fullereno se puede observar mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) Xe. A través del cambio químico sensible del átomo de xenón a su entorno, se pueden analizar las reacciones químicas en la molécula de fullereno. Sin embargo, estas observaciones no están exentas de salvedades, ya que el átomo de xenón tiene una influencia electrónica sobre la reactividad del fullereno.

Cuando los átomos de xenón están en el estado de energía fundamental, se repelen entre sí y no forman un enlace. Sin embargo, cuando los átomos de xenón se energizan, pueden formar un excímero (dímero excitado) hasta que los electrones regresan al estado fundamental. Esta entidad se forma porque el átomo de xenón tiende a completar la capa electrónica más externa al agregar un electrón de un átomo de xenón vecino. La vida útil típica de un excímero de xenón es de 1 a 5 nanosegundos, y la descomposición libera fotones con longitudes de onda de alrededor de 150 y 173 nm. El xenón también puede formar excímeros con otros elementos, como los halógenos bromo, cloro y flúor.

Aplicaciones

Aunque el xenón es raro y relativamente caro de extraer de la atmósfera terrestre, tiene varias aplicaciones.

Iluminación y óptica

Lámparas de descarga de gas

El xenón se usa en dispositivos emisores de luz llamados lámparas de flash de xenón, que se usan en flashes fotográficos y lámparas estroboscópicas; para excitar el medio activo en láseres que luego generan luz coherente; y, ocasionalmente, en lámparas bactericidas. El primer láser de estado sólido, inventado en 1960, fue bombeado por una lámpara de destellos de xenón, y los láseres utilizados para impulsar la fusión por confinamiento inercial también son bombeados por lámparas de destellos de xenón.

Las lámparas de arco de xenón de alta presión, de arco corto continuo tienen una temperatura de color que se aproxima mucho a la luz del sol del mediodía y se utilizan en simuladores solares. Es decir, la cromaticidad de estas lámparas se aproxima mucho a un radiador de cuerpo negro calentado a la temperatura del Sol. Presentadas por primera vez en la década de 1940, estas lámparas reemplazaron a las lámparas de arco de carbón de vida más corta en los proyectores de películas. También se emplean en sistemas típicos de proyección de películas digitales, IMAX y de 35 mm. Son una excelente fuente de radiación ultravioleta de longitud de onda corta y tienen intensas emisiones en el infrarrojo cercano utilizado en algunos sistemas de visión nocturna. El xenón se utiliza como gas de arranque en lámparas de halogenuros metálicos para faros HID de automóviles y linternas "tácticas" de gama alta.

Las celdas individuales en una pantalla de plasma contienen una mezcla de xenón y neón ionizado con electrodos. La interacción de este plasma con los electrodos genera fotones ultravioleta, que luego excitan el revestimiento de fósforo en la parte frontal de la pantalla.

El xenón se utiliza como "gas de arranque" en lámparas de sodio de alta presión. Tiene la conductividad térmica más baja y el potencial de ionización más bajo de todos los gases nobles no radiactivos. Como gas noble, no interfiere con las reacciones químicas que ocurren en la lámpara de operación. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara en estado operativo, y el bajo potencial de ionización hace que el voltaje de ruptura del gas sea relativamente bajo en estado frío, lo que permite que la lámpara se encienda más fácilmente.

Láseres

En 1962, un grupo de investigadores de Bell Laboratories descubrió la acción del láser en el xenón y luego descubrió que la ganancia del láser mejoraba al agregar helio al medio láser. El primer láser excimer utilizó un dímero de xenón (Xe ₂) activado por un haz de electrones para producir una emisión estimulada en una longitud de onda ultravioleta de 176 nm. El cloruro de xenón y el fluoruro de xenón también se han utilizado en láseres excimer (o, más exactamente, exciplex).

Médico

Anestesia

El xenón se ha utilizado como anestésico general, pero es más caro que los anestésicos convencionales.

El xenón interactúa con muchos receptores y canales iónicos diferentes y, al igual que muchos anestésicos de inhalación teóricamente multimodales, es probable que estas interacciones sean complementarias. El xenón es un antagonista del receptor NMDA de sitio de glicina de alta afinidad. Sin embargo, el xenón se diferencia de otros antagonistas de los receptores NMDA en que no es neurotóxico e inhibe la neurotoxicidad de la ketamina y el óxido nitroso (N ₂ O), mientras que en realidad produce efectos neuroprotectores. A diferencia de la ketamina y el óxido nitroso, el xenón no estimula la salida de dopamina en el núcleo accumbens.

Al igual que el óxido nitroso y el ciclopropano, el xenón activa el canal de potasio de dominio de dos poros TREK-1. Un canal relacionado TASK-3 también implicado en las acciones de los anestésicos por inhalación es insensible al xenón. El xenón inhibe los receptores nicotínicos de acetilcolina α4β2 que contribuyen a la analgesia mediada por la médula espinal. El xenón es un inhibidor eficaz de la Ca ATPasa de la membrana plasmática. El xenón inhibe la Ca ATPasa uniéndose a un poro hidrofóbico dentro de la enzima y evitando que la enzima asuma conformaciones activas.

El xenón es un inhibidor competitivo del receptor de serotonina 5- _HT3. Si bien no es anestésico ni antinociceptivo, reduce las náuseas y los vómitos emergentes de la anestesia.

El xenón tiene una concentración alveolar mínima (MAC) del 72 % a los 40 años, lo que lo hace un 44 % más potente que el N ₂ O como anestésico. Por lo tanto, se puede utilizar con oxígeno en concentraciones que tienen un menor riesgo de hipoxia. A diferencia del óxido nitroso, el xenón no es un gas de efecto invernadero y se considera ecológico. Aunque se recicla en los sistemas modernos, el xenón expulsado a la atmósfera solo regresa a su fuente original, sin impacto ambiental.

Neuroprotector

El xenón induce una fuerte cardioprotección y neuroprotección a través de una variedad de mecanismos. A través de su influencia sobre el antagonismo de Ca, K, KATPHIF y NMDA, el xenón es neuroprotector cuando se administra antes, durante y después de lesiones isquémicas. El xenón es un antagonista de alta afinidad en el sitio de glicina del receptor NMDA. El xenón es cardioprotector en condiciones de isquemia-reperfusión al inducir un precondicionamiento farmacológico no isquémico. El xenón es cardioprotector al activar PKC-epsilon y p38-MAPK corriente abajo. El xenón imita el preacondicionamiento isquémico neuronal al activar los canales de potasio sensibles al ATP.El xenón reduce alostéricamente la inhibición de la activación del canal mediada por ATP independientemente de la subunidad del receptor 1 de sulfonilurea, lo que aumenta el tiempo y la frecuencia del canal abierto de KATP.

Dopaje deportivo

La inhalación de una mezcla de xenón y oxígeno activa la producción del factor de transcripción HIF-1-alfa, lo que puede conducir a una mayor producción de eritropoyetina. Se sabe que esta última hormona aumenta la producción de glóbulos rojos y el rendimiento deportivo. Según se informa, el dopaje con inhalación de xenón se ha utilizado en Rusia desde 2004 y quizás antes. El 31 de agosto de 2014, la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) agregó el xenón (y el argón) a la lista de sustancias y métodos prohibidos, aunque aún no se han desarrollado pruebas de dopaje confiables para estos gases. Además, hasta el momento no se han demostrado los efectos del xenón sobre la producción de eritropoyetina en humanos.

Imágenes

La emisión gamma del radioisótopo Xe de xenón se puede utilizar para obtener imágenes del corazón, los pulmones y el cerebro, por ejemplo, mediante tomografía computarizada por emisión de fotón único. Xe también se ha utilizado para medir el flujo sanguíneo.

El xenón, particularmente el Xe hiperpolarizado, es un agente de contraste útil para la formación de imágenes por resonancia magnética (IRM). En la fase gaseosa, puede obtener imágenes de cavidades en una muestra porosa, alvéolos en los pulmones o el flujo de gases dentro de los pulmones. Debido a que el xenón es soluble tanto en agua como en solventes hidrofóbicos, puede generar imágenes de varios tejidos vivos blandos.

El xenón-129 se utiliza actualmente como agente de visualización en exploraciones de resonancia magnética. Cuando un paciente inhala xenón-129 hiperpolarizado, se pueden visualizar y cuantificar la ventilación y el intercambio de gases en los pulmones. A diferencia del xenón-133, el xenón-129 no es ionizante y es seguro inhalarlo sin efectos adversos.

Cirugía

El láser excimer de cloruro de xenón tiene ciertos usos dermatológicos.

Espectroscopia de RMN

Debido a la capa de electrones exterior grande y flexible del átomo de xenón, el espectro de RMN cambia en respuesta a las condiciones del entorno y se puede utilizar para controlar las circunstancias químicas del entorno. Por ejemplo, el xenón disuelto en agua, el xenón disuelto en un solvente hidrofóbico y el xenón asociado con ciertas proteínas pueden distinguirse mediante RMN.

Los químicos de superficies pueden utilizar xenón hiperpolarizado. Normalmente, es difícil caracterizar las superficies con RMN porque las señales de una superficie se ven superadas por las señales de los núcleos atómicos en la mayor parte de la muestra, que son mucho más numerosos que los núcleos de superficie. Sin embargo, los espines nucleares en superficies sólidas pueden polarizarse selectivamente transfiriéndoles la polarización de espín del gas xenón hiperpolarizado. Esto hace que las señales de superficie sean lo suficientemente fuertes como para medirlas y distinguirlas de las señales masivas.

Otro

En estudios de energía nuclear, el xenón se usa en cámaras de burbujas, sondas y en otras áreas donde se desea un alto peso molecular y una química inerte. Un subproducto de las pruebas de armas nucleares es la liberación de xenón-133 y xenón-135 radiactivos. Estos isótopos se monitorean para garantizar el cumplimiento de los tratados de prohibición de pruebas nucleares y para confirmar las pruebas nucleares por parte de estados como Corea del Norte.

El xenón líquido se utiliza en calorímetros para medir los rayos gamma y como detector de partículas masivas hipotéticas que interactúan débilmente, o WIMP. Cuando un WIMP choca con un núcleo de xenón, la teoría predice que impartirá suficiente energía para causar ionización y centelleo. El xenón líquido es útil para estos experimentos porque su densidad hace que la interacción con la materia oscura sea más probable y permite un detector silencioso a través de la autoprotección.

El xenón es el propulsor preferido para la propulsión iónica de naves espaciales porque tiene un bajo potencial de ionización por peso atómico y puede almacenarse como un líquido casi a temperatura ambiente (bajo alta presión), aunque se evapora fácilmente para alimentar el motor. El xenón es inerte, respetuoso con el medio ambiente y menos corrosivo para un motor de iones que otros combustibles como el mercurio o el cesio. El xenón se utilizó por primera vez para motores de iones satelitales durante la década de 1970. Más tarde se empleó como propulsor para la sonda Deep Space 1 del JPL, la nave espacial europea SMART-1 y para los tres motores de propulsión iónica de la nave espacial Dawn de la NASA.

Químicamente, los compuestos de perxenato se utilizan como agentes oxidantes en química analítica. El difluoruro de xenón se utiliza como grabador de silicio, particularmente en la producción de sistemas microelectromecánicos (MEMS). El medicamento contra el cáncer 5-fluorouracilo se puede producir haciendo reaccionar difluoruro de xenón con uracilo. El xenón también se utiliza en la cristalografía de proteínas. Aplicados a presiones de 0,5 a 5 MPa (5 a 50 atm) a un cristal de proteína, los átomos de xenón se unen en cavidades predominantemente hidrófobas, a menudo creando un derivado de átomo pesado isomorfo de alta calidad que puede usarse para resolver el problema de fase.

Precauciones

El gas xenón se puede almacenar de manera segura en recipientes de vidrio o metal sellados normales a temperatura y presión estándar. Sin embargo, se disuelve fácilmente en la mayoría de los plásticos y cauchos y se escapará gradualmente de un recipiente sellado con dichos materiales. El xenón no es tóxico, aunque se disuelve en la sangre y pertenece a un grupo selecto de sustancias que penetran la barrera hematoencefálica, provocando una anestesia quirúrgica de leve a total cuando se inhala en altas concentraciones con oxígeno.

La velocidad del sonido en el gas xenón (169 m/s) es menor que en el aireporque la velocidad promedio de los átomos pesados ​​de xenón es menor que la de las moléculas de nitrógeno y oxígeno en el aire. Por lo tanto, el xenón vibra más lentamente en las cuerdas vocales cuando se exhala y produce tonos de voz más bajos (sonidos mejorados de baja frecuencia, pero la frecuencia fundamental o el tono no cambia), un efecto opuesto a la voz de tono alto producida en helio. Específicamente, cuando el tracto vocal está lleno de gas xenón, su frecuencia de resonancia natural se vuelve más baja que cuando está lleno de aire. Así, se potenciarían las bajas frecuencias de la onda sonora producida por la misma vibración directa de las cuerdas vocales, dando como resultado un cambio del timbre del sonido amplificado por el tracto vocal. Al igual que el helio, el xenón no satisface la necesidad de oxígeno del cuerpo, y es a la vez un simple asfixiante y un anestésico más poderoso que el óxido nitroso; en consecuencia, y debido a que el xenón es caro, muchas universidades han prohibido el truco de la voz como demostración de química general. El gas hexafluoruro de azufre es similar al xenón en peso molecular (146 frente a 131), menos costoso y, aunque asfixiante, no es tóxico ni anestésico; a menudo se sustituye en estas demostraciones.

Los gases densos como el xenón y el hexafluoruro de azufre se pueden respirar de forma segura cuando se mezclan con al menos un 20 % de oxígeno. El xenón al 80% de concentración junto con el 20% de oxígeno produce rápidamente la inconsciencia de la anestesia general (y se ha utilizado para esto, como se discutió anteriormente). La respiración mezcla gases de diferentes densidades de manera muy efectiva y rápida para que los gases más pesados ​​se purguen junto con el oxígeno y no se acumulen en el fondo de los pulmones.Sin embargo, existe un peligro asociado con cualquier gas pesado en grandes cantidades: puede permanecer invisible en un recipiente, y una persona que ingresa a un área llena de un gas incoloro e inodoro puede asfixiarse sin previo aviso. El xenón rara vez se usa en cantidades lo suficientemente grandes como para que esto sea una preocupación, aunque existe la posibilidad de peligro cada vez que un tanque o contenedor de xenón se mantiene en un espacio sin ventilación.

Los compuestos de xenón solubles en agua, como el xenato monosódico, son moderadamente tóxicos, pero tienen una vida media muy corta en el cuerpo: el xenón inyectado por vía intravenosa se reduce a xenón elemental en aproximadamente un minuto.