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Xenón

El xenón es un elemento químico , de símbolo Xe y número atómico 54. Es un gas noble denso, incoloro e inodoro que se encuentra en la atmósfera terrestre en cantidades traza. [16] 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 sintetizó. [17] [18] [19]

El xenón se utiliza en lámparas de destello [20] y lámparas de arco , [21] y como anestésico general . [22] El primer diseño de láser excimer utilizó una molécula de dímero de xenón (Xe 2 ) como medio láser , [23] y los primeros diseños de láser utilizaron lámparas de destello de xenón como bombas . [24] El xenón también se utiliza para buscar partículas masivas hipotéticas de interacción débil [25] y como propulsor para propulsores iónicos en naves espaciales. [26]

El xenón natural consta de siete isótopos estables y dos isótopos radiactivos de larga duración. Más de 40 isótopos inestables del xenón sufren desintegración radiactiva , y las proporciones isotópicas del xenón son una herramienta importante para estudiar la historia temprana del Sistema Solar . [27] El xenón-135 radiactivo se produce por desintegración beta del yodo-135 (un producto de la fisión nuclear ), y es el absorbedor de neutrones más importante (y no deseado) en los reactores nucleares . [28]

Historia

El químico escocés William Ramsay y el químico inglés Morris Travers descubrieron el xenón en Inglaterra el 12 de julio de 1898, [29] poco después de que descubrieran los elementos criptón y neón . Encontraron xenón en el residuo que quedaba de los componentes evaporados del aire líquido . [30] [31] Ramsay sugirió el nombre xenón para este gas a partir de la palabra griega ξένον xénon , forma singular neutra de ξένος xénos , que significa 'extraño', 'raro' o 'huésped'. [32] [33] En 1902, Ramsay estimó que la proporción de xenón en la atmósfera de la Tierra era de una parte en 20 millones. [34]

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 destello 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. [20] [35] [36]

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 buceadores percibieran un cambio en la profundidad. A partir 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 con dos pacientes. [37]

Un cubo acrílico especialmente preparado para coleccionistas de elementos que contiene una ampolla de vidrio con xenón licuado.

Durante mucho tiempo se consideró que el xenón y los demás gases nobles eran completamente inertes químicamente y no podían formar compuestos . Sin embargo, mientras enseñaba en la Universidad de Columbia Británica , Neil Bartlett descubrió que el gas hexafluoruro de platino (PtF 6 ) era un potente agente oxidante que podía oxidar el gas oxígeno (O 2 ) para formar hexafluoroplatinato de dioxigenilo ( O+
2[PtF
6]−
). [38] 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 al 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 . [39] [19]

Bartlett pensó que su composición era Xe + [PtF 6 ] − , pero trabajos posteriores revelaron que probablemente era una mezcla de varias sales que contenían xenón. [40] [41] [42] Desde entonces, se han descubierto muchos otros compuestos de xenón, [43] además de algunos compuestos de los gases nobles argón , criptón y radón , incluidos el fluorohidruro de argón (HArF), [44] el difluoruro de criptón (KrF 2 ), [45] [46] y el fluoruro de radón . [47] En 1971, se conocían más de 80 compuestos de xenón. [48] [49]

En noviembre de 1989, los científicos de IBM demostraron una tecnología capaz de manipular átomos individuales . El programa, llamado IBM in atoms , utilizó un microscopio de efecto túnel para disponer 35 átomos de xenón individuales sobre un sustrato de cristal de níquel enfriado para formar las tres letras iniciales de la compañía. Fue la primera vez que se habían colocado átomos con precisión sobre una superficie plana. [50]

Características

Una capa de xenón sólido que flota sobre xenón líquido dentro de un aparato de alto voltaje.
Nanopartículas de Xe líquidas (sin características) y sólidas cristalinas producidas implantando iones Xe + en aluminio a temperatura ambiente

El xenón tiene 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/m 3 , aproximadamente 4,5 veces la densidad de la atmósfera terrestre a nivel del mar, 1,217 kg/m 3 . [51] Como líquido, el xenón tiene una densidad de hasta 3,100 g/mL, con el máximo de densidad en el punto triple. [52] 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. [53] En las mismas condiciones, la densidad del xenón sólido, 3,640 g/cm 3 , es mayor que la densidad media del granito , 2,75 g/cm 3 . [52] Bajo gigapascales de presión , el xenón forma una fase metálica. [54]

El xenón sólido cambia de la fase cristalina cúbica centrada en las caras (fcc) a la fase cristalina compacta hexagonal (hcp) bajo presión y comienza a volverse metálico a aproximadamente 140 GPa, sin cambios de volumen perceptibles en la fase hcp. [55] Es completamente metálico a 155 GPa. [56] Cuando se metaliza, el xenón parece 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. [57] [ se necesita una mejor fuente ]

Xenón destellando dentro de un tubo de destello fotograma a fotograma

Las nanopartículas de xenón líquidas o sólidas se pueden formar a temperatura ambiente implantando iones Xe + en una matriz sólida. Muchos sólidos tienen constantes reticulares menores que las del Xe sólido. Esto da como resultado la compresión del Xe implantado a presiones que pueden ser suficientes para su licuefacción o solidificación. [58]

El xenón es un elemento de valencia cero que se denomina gases nobles o inertes . Es inerte a la mayoría de las reacciones químicas comunes (como la combustión, por ejemplo) porque la capa de valencia externa contiene ocho electrones. Esto produce una configuración estable de energía mínima en la que los electrones externos están fuertemente unidos. [59]

En un tubo lleno de gas , el xenón emite un resplandor azul o lavanda cuando se excita con una descarga eléctrica . El xenón emite una banda de líneas de emisión que abarcan el espectro visual, [60] pero las líneas más intensas se producen en la región de la luz azul, que produce la coloración. [61]

Ocurrencia y producción

El xenón es un gas traza presente en la atmósfera de la Tierra , que se encuentra en una fracción de volumen de87 ± 1 nL/L ( partes por mil millones ), o aproximadamente 1 parte por 11,5 millones. [62] También se encuentra como componente de los gases emitidos por algunos manantiales minerales . Dada una masa total de la atmósfera de 5,15 × 10 18 kilogramos (1,135 × 10 19  lb), la atmósfera contiene del orden de 2,03 gigatoneladas (2,00 × 10 9 toneladas largas; 2,24 × 10 9 toneladas cortas) de xenón en total cuando se toma la masa molar media de la atmósfera como 28,96 g/mol, lo que equivale a unas 394 ppb de masa.

Comercial

El xenón se obtiene comercialmente como subproducto de la separación del aire en oxígeno y nitrógeno . [63] 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 una destilación fraccionada adicional, el oxígeno líquido puede enriquecerse para contener entre un 0,1 y un 0,2 % de una mezcla de criptón y xenón, que se extrae mediante adsorción en gel de sílice o por destilación. Finalmente, la mezcla de criptón y xenón puede separarse en criptón y xenón mediante una destilación adicional. [64] [65]

La producción mundial de xenón en 1998 se estimó en 5.000-7.000 metros cúbicos (180.000-250.000 pies cúbicos). [66] Con una densidad de 5,894 gramos por litro (0,0002129 lb/cu in), esto equivale aproximadamente a entre 30 y 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 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, [66] mientras que el argón, mucho más abundante, que constituye más del 1% en volumen de la atmósfera terrestre, cuesta menos de un céntimo por litro.

Sistema solar

Dentro del Sistema Solar, la fracción de nucleones de xenón es1,56 × 10 −8 , para una abundancia de aproximadamente una parte en 630 mil de la masa total. [67] 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, aproximadamente 2,6 veces la del Sol. [68] [a] 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 ; [69] de lo contrario, el xenón no habría quedado atrapado en los hielos planetesimales. El problema del bajo xenón terrestre puede explicarse por la unión covalente del xenón al oxígeno dentro del cuarzo , lo que reduce la desgasificación de xenón a la atmósfera. [70]

Estelar

A diferencia de los gases nobles de menor masa, el proceso normal de nucleosíntesis estelar dentro de una estrella no forma xenón. La nucleosíntesis consume energía para producir nucleidos más masivos que el hierro-56 , y por lo tanto la síntesis de xenón no representa una ganancia de energía para una estrella. [71] En cambio, el xenón se forma durante las explosiones de supernova durante el proceso r , [72] por el proceso lento de captura de neutrones ( proceso s ) en estrellas gigantes rojas que han agotado su hidrógeno central y han entrado en la rama gigante asintótica , [73] y por desintegración radiactiva, por ejemplo por desintegración beta del yodo-129 extinto y fisión espontánea de torio , uranio y plutonio . [74]

Fisión nuclear

El xenón-135 es un notable veneno neutrónico 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 estable de un reactor nuclear. Sin embargo, si se reduce la potencia o se para el reactor , 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 importantes al reiniciar un reactor después de una parada o al aumentar la potencia después de que se haya reducido y fue uno de los varios factores que contribuyeron al accidente nuclear de Chernóbil . [75] [76]

En la fisión nuclear también se producen en cantidades apreciables isótopos estables o de vida extremadamente larga del xenón. El xenón-136 se produce cuando el xenón-135 sufre una captura de neutrones antes de poder desintegrarse. La relación entre el xenón-136 y el xenón-135 (o sus productos de desintegración) puede dar pistas sobre el historial de potencia de un reactor determinado y la ausencia de xenón-136 es una "huella digital" de las explosiones nucleares, ya que el xenón-135 no se produce directamente sino como producto de desintegraciones beta sucesivas y, por lo tanto, no puede absorber ningún neutrón en una explosión nuclear que se produce en fracciones de segundo. [77]

El isótopo estable xenón-132 tiene un rendimiento de producto de fisión de más del 4% en la fisión de neutrones térmicos de235
U , lo que significa que los isótopos de xenón estables o casi estables tienen una fracción de masa mayor en el combustible nuclear gastado (que es aproximadamente un 3 % de productos de fisión) que en el aire. Sin embargo, a partir de 2022 no hay ningún esfuerzo comercial para extraer xenón del combustible gastado durante el reprocesamiento nuclear . [78] [79]

Isótopos

El xenón natural se compone de siete isótopos estables : 126 Xe, 128–132 Xe y 134 Xe. La teoría predice que los isótopos 126 Xe y 134 Xe experimentan una doble desintegración beta , pero esto nunca se ha observado, por lo que se consideran estables. [80] Además, se han estudiado más de 40 isótopos inestables. El de más larga duración de estos isótopos es el primordial 124 Xe, que experimenta una doble captura de electrones con una vida media de 1,8 × 10 22  años , [81] y 136 Xe, que sufre una doble desintegración beta con una vida media de 2,11 × 10 21 años . [82] El 129 Xe se produce por desintegración beta del 129 I , que tiene una vida media de 16 millones de años. El 131m Xe, el 133 Xe, el 133m Xe y el 135 Xe son algunos de los productos de fisión del 235 U y el 239 Pu , [74] y se utilizan para detectar y controlar las explosiones nucleares.

Giro nuclear

Los núcleos de dos de los isótopos estables del xenón , 129 Xe y 131 Xe (ambos isótopos estables con números de masa impares), tienen momentos angulares intrínsecos distintos de cero ( espines nucleares , adecuados para la 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 . [83] La polarización de espín resultante de los núcleos de xenón puede superar el 50% de su valor máximo posible, superando en gran medida 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 sin equilibrio es una condición temporal y se denomina hiperpolarización . El proceso de hiperpolarización del xenón se denomina bombeo óptico (aunque el proceso es diferente al de bombear un láser ). [84]

Debido a que un núcleo de 129 Xe tiene un espín de 1/2 y, por lo tanto, un momento cuadrupolar eléctrico cero , el núcleo de 129 Xe no experimenta ninguna interacción cuadrupolar durante las colisiones con otros átomos, y la hiperpolarización persiste durante largos períodos incluso después de que se hayan eliminado la luz y el vapor generadores. La polarización del espín de 129 Xe puede persistir desde varios segundos para átomos de xenón disueltos en sangre [85] hasta varias horas en la fase gaseosa [86] y varios días en xenón sólido profundamente congelado. [87] En contraste, 131 Xe tiene un valor de espín nuclear de 3 ⁄ 2 y un momento cuadrupolar distinto de cero , y tiene tiempos de relajación t 1 en los rangos de milisegundos y segundos . [88]

De la fisión

Algunos isótopos radiactivos del xenón (por ejemplo, 133 Xe y 135 Xe) se producen por irradiación neutrónica de material fisionable dentro de reactores nucleares . [17] El 135 Xe tiene una importancia considerable en el funcionamiento de los reactores de fisión nuclear . El 135 Xe tiene una enorme sección transversal para neutrones térmicos , 2,6 × 10 6  barns , [28] y funciona como un absorbedor de neutrones o " veneno " que puede ralentizar o detener la reacción en cadena después de un período de funcionamiento. Esto se descubrió en los primeros reactores nucleares construidos por el Proyecto Manhattan estadounidense para la producción de plutonio . Sin embargo, los diseñadores habían hecho previsiones en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (la cantidad de neutrones por fisión que pasan a fisionar otros átomos de combustible nuclear ). [89]

El envenenamiento del reactor de 135 Xe fue un factor importante en el desastre de Chernóbil . [90] Un apagado o una disminución de la potencia de un reactor puede provocar la acumulación de 135 Xe, con lo que el funcionamiento del reactor entra en una condición conocida como el pozo de yodo . En condiciones adversas, pueden emanar concentraciones relativamente altas de isótopos de xenón radiactivos de las barras de combustible agrietadas , [91] o de la fisión del uranio en el agua de refrigeración . [92]

Las proporciones isotópicas del xenón producido en los reactores de fisión nuclear natural de Oklo, en Gabón, revelan las propiedades del reactor durante la reacción en cadena que tuvo lugar hace unos 2.000 millones de años. [93]

Procesos cósmicos

Debido a que el xenón es un trazador de dos isótopos progenitores, las proporciones de isótopos de xenón en meteoritos son una herramienta poderosa para estudiar la formación del Sistema Solar . El método de datación yodo-xenón proporciona 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 una sobreabundancia de xenón-129. Dedujo que se trataba de un producto de desintegración del yodo-129 radiactivo . Este isótopo se produce lentamente por espalación de rayos cósmicos y fisión nuclear , pero se produce en cantidad solo en explosiones de supernovas. [94] [95]

Debido a que la vida media del 129 I es comparativamente corta en una escala de tiempo cosmológica (16 millones de años), esto demostró que solo había transcurrido un corto tiempo entre la supernova y el momento en que los meteoritos se habían solidificado y atrapado el 129 I. Se dedujo que estos dos eventos (supernova y solidificación de la nube de gas) ocurrieron durante la historia temprana del Sistema Solar , porque el isótopo 129 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. [94] [95]

De manera similar, las proporciones isotópicas de xenón como 129 Xe/ 130 Xe y 136 Xe/ 130 Xe son una herramienta poderosa para comprender la diferenciación planetaria y la desgasificación temprana. [27] Por ejemplo, la atmósfera de Marte muestra una abundancia de xenón similar a la de la Tierra (0,08 partes por millón [96] ), pero Marte muestra una mayor abundancia de 129 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. [97] [98] En otro ejemplo, se cree que el exceso de 129 Xe encontrado en los gases de pozo de dióxido de carbono de Nuevo México proviene de la descomposición de los gases derivados del manto poco después de la formación de la Tierra. [74] [99]

Compuestos

Después del descubrimiento de Neil Bartlett en 1962 de que el xenón puede formar compuestos químicos, se han 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. [100]

Haluros

Un modelo de molécula química plana con un átomo central azul (Xe) unido simétricamente a cuatro átomos periféricos (flúor).
Tetrafluoruro de xenón
Muchos cristales cúbicos transparentes en una placa de Petri.
Cristales de XeF 4 , 1962

Se conocen tres fluoruros : XeF2, XeF4, y XeF6Se cree que el XeF es inestable. [101] Estos son los puntos de partida para la síntesis de casi todos los compuestos de xenón.

El difluoruro sólido y cristalino XeF
2Se forma cuando una mezcla de gases de flúor y xenón se expone a la luz ultravioleta. [102] El componente ultravioleta de la luz diurna ordinaria es suficiente. [103] El calentamiento a largo plazo de XeF
2a altas temperaturas bajo un NiF
2El catalizador produce XeF
6. [104] Pirólisis de XeF
6En presencia de NaF se obtiene XeF de alta pureza.
4. [105]

Los fluoruros de xenón se comportan como aceptores y donadores de fluoruro, formando sales que contienen cationes como XeF+
y Xe
2F+
3, y aniones como XeF−
5, XeF−
7, y XeF2−
8El Xe verde y paramagnético+
2se forma por la reducción de XeF
2por gas xenón. [100]

XeF
2También forma complejos de coordinación con iones de metales de transición. Se han sintetizado y caracterizado más de 30 complejos de este tipo. [104]

Mientras que los fluoruros de xenón están bien caracterizados, los otros haluros no lo están. Se informa que el dicloruro de xenón , formado por la irradiación de alta frecuencia de una mezcla de xenón, flúor y silicio o tetracloruro de carbono [106] , es un compuesto endotérmico, incoloro y cristalino que se descompone en los elementos a 80 °C. Sin embargo, XeCl
2Puede ser simplemente una molécula de van der Waals de átomos de Xe y Cl débilmente unidos .
2moléculas y no un compuesto real. [107] Los cálculos teóricos indican que la molécula lineal XeCl
2es menos estable que el complejo de van der Waals. [108] El tetracloruro de xenón y el dibromuro de xenón son aún más inestables y no se pueden sintetizar mediante reacciones químicas. Se crearon por desintegración radiactiva de129
ICl−
4y129
IBr−
2, respectivamente. [109] [110]

Óxidos y oxohaluros

Se conocen tres óxidos de xenón: trióxido de xenón ( XeO
3) y tetróxido de xenón ( XeO
4), ambos agentes oxidantes potentes y peligrosamente explosivos, y el dióxido de xenón (XeO 2 ), que se informó en 2011 con un número de coordinación de cuatro. [111] El XeO 2 se forma cuando se vierte tetrafluoruro de xenón sobre hielo. Su estructura cristalina puede permitirle reemplazar al silicio en minerales de silicato. [112] El catión XeOO + se ha identificado mediante espectroscopia infrarroja en argón sólido . [113]

El xenón no reacciona directamente con el oxígeno; el trióxido se forma por hidrólisis de XeF
6: [114]

XeF
6+ 3 horas
2O → XeO
3+ 6 altas frecuencias

XeO
3es débilmente ácido y se disuelve en álcali para formar sales de xenato inestables que contienen HXeO−
4anión. Estas sales inestables se desproporcionan fácilmente en gas xenón y sales de perxenato , que contienen el XeO4−
6anión. [115]

El perxenato de bario, cuando se trata con ácido sulfúrico concentrado , produce tetróxido de xenón gaseoso: [106]

Licenciado en Letras
2XeO
6+ 2 horas
2ENTONCES
4→ 2 BaSO
4+ 2 horas
2O + XeO
4

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 los -35,9 °C en gas xenón y oxígeno, pero por lo demás es estable.

Se conocen varios oxifluoruros de xenón, incluido el XeOF
2, XeOF
4, XeO
2F
2, y XeO
3F
2.XeOF​
2se forma al reaccionar OF2con gas xenón a bajas temperaturas. También puede obtenerse por hidrólisis parcial de XeF
4Se desproporciona a -20 °C en XeF
2y XeO
2F
2. [116] XeOF
4se forma por la hidrólisis parcial de XeF
6... [117]

XeF
6+ H
2O → XeOF
4+ 2 altas frecuencias

...o la reacción de XeF
6con perxenato de sodio, Na
4XeO
6La última reacción también produce una pequeña cantidad de XeO .
3F
2.

XeO
2F
2También se forma por hidrólisis parcial de XeF
6. [118]

XeF
6+ 2 horas
2O → XeO
2F
2+ 4 altas frecuencias

XeOF
4reacciona con CsF para formar XeOF−
5anión, [116] [119] mientras que XeOF 3 reacciona con los fluoruros de metales alcalinos KF , RbF y CsF para formar XeOF−
4anión. [120]

Otros compuestos

El xenón se puede unir directamente a un elemento menos electronegativo que el flúor o el oxígeno, particularmente el carbono . [121] Los grupos atractores de electrones, como los grupos con sustitución de flúor, son necesarios para estabilizar estos compuestos. [115] Se han caracterizado numerosos compuestos de este tipo, incluidos: [116] [122]

Otros compuestos que contienen xenón unido a un elemento menos electronegativo incluyen F–Xe–N(SO
2F)
2y F–Xe–BF
2Este último se sintetiza a partir de tetrafluoroborato de dioxigenilo , O
2BF
4, a -100 °C. [116] [123]

Un ion inusual que contiene xenón es el catión tetraxenonogold(II) , AuXe2+
4, que contiene enlaces Xe–Au. [124] Este ion se encuentra en el compuesto AuXe
4(Sr.
2F
11)
2, y es notable por tener enlaces químicos directos entre dos átomos notoriamente no reactivos, el xenón y el oro , con el xenón actuando como un ligando de metal de transición. También se conoce un complejo de mercurio similar (HgXe)(Sb 3 F 17 ) (formulado como [HgXe 2+ ][Sb 2 F 11 – ][SbF 6 – ]). [125]

El compuesto Xe
2Sb
2F
11contiene un enlace Xe–Xe, el enlace elemento-elemento más largo conocido (308,71 pm = 3,0871  Å ). [126]

En 1995, M. Räsänen y sus colaboradores, científicos de la Universidad de Helsinki en Finlandia , anunciaron la preparación de dihidruro de xenón (HXeH), y más tarde hidruro-hidróxido de xenón (HXeOH), hidroxenoacetileno (HXeCCH) y otras moléculas que contienen Xe. [127] En 2008, Khriachtchev et al. informaron la preparación de HXeOXeH por fotólisis de agua dentro de una matriz criogénica de xenón. [128] También se han producido moléculas deuteradas , HXeOD y DXeOH. [129]

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. [130] Este clatrato tiene un punto de fusión de 24 °C. [131] También se ha producidola versión deuterada de este hidrato. [132] Otro ejemplo es el hidruro de xenón (Xe(H 2 ) 8 ), en el que los pares de xenón ( dímeros ) están atrapados dentro del hidrógeno sólido . [133] Estos hidratos de clatrato pueden producirse de forma natural en condiciones de alta presión, como en el lago Vostok debajo de la capa de hielo de la Antártida . [134] La formación de clatrato se puede utilizar para destilar fraccionadamente xenón, argón y criptón. [135]

El xenón también puede formar compuestos de fulerenos endoédricos , en los que un átomo de xenón queda atrapado dentro de una molécula de fulereno . El átomo de xenón atrapado en el fulereno se puede observar mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de 129 Xe . A través del sensible desplazamiento químico del átomo de xenón hacia su entorno, se pueden analizar las reacciones químicas en la molécula de fulereno. Sin embargo, estas observaciones no están exentas de salvedades, ya que el átomo de xenón tiene una influencia electrónica en la reactividad del fulereno. [136]

Cuando los átomos de xenón están en el estado de energía fundamental , se repelen entre sí y no formarán un enlace. Sin embargo, cuando los átomos de xenón se energizan, pueden formar un excímero (dímero excitado) hasta que los electrones regresen al estado fundamental . Esta entidad se forma porque el átomo de xenón tiende a completar la capa electrónica más externa agregando 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 desintegración libera fotones con longitudes de onda de aproximadamente 150 y 173  nm . [137] [138] El xenón también puede formar excímeros con otros elementos, como los halógenos bromo , cloro y flúor . [139]

Aplicaciones

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

Iluminación y óptica

Lámparas de descarga de gas

Esfera de vidrio alargada con dos electrodos de varilla de metal en su interior, enfrentados entre sí. Un electrodo es romo y el otro afilado.
Lámpara de xenón de arco corto
El transbordador espacial Atlantis bañado por luces de xenón
Tubo de descarga de gas xenón

El xenón se utiliza en dispositivos emisores de luz llamados lámparas de destello de xenón, que se utilizan en flashes fotográficos y lámparas estroboscópicas; [20] para excitar el medio activo en láseres que luego generan luz coherente ; [140] y, ocasionalmente, en lámparas bactericidas . [141] El primer láser de estado sólido , inventado en 1960, fue bombeado por una lámpara de destello de xenón, [24] y los láseres utilizados para alimentar la fusión por confinamiento inercial también son bombeados por lámparas de destello de xenón. [142]

Las lámparas de arco de xenón de alta presión, de arco corto y 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. Introducidas por primera vez en la década de 1940, estas lámparas reemplazaron a las lámparas de arco de carbono de vida más corta en los proyectores de películas. [21] También se emplean en sistemas típicos de proyección de películas de 35 mm , IMAX y digitales . Son una excelente fuente de radiación ultravioleta de longitud de onda corta y tienen emisiones intensas en el infrarrojo cercano que se utiliza en algunos sistemas de visión nocturna . El xenón se utiliza como gas de arranque en lámparas de haluro metálico para faros HID de automóviles y linternas "tácticas" de alta gama .

Las celdas individuales de 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. [143] [144]

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 en funcionamiento. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara mientras está en estado de funcionamiento, y el bajo potencial de ionización hace que el voltaje de ruptura del gas sea relativamente bajo en el estado frío, lo que permite que la lámpara se encienda más fácilmente. [145]

Láseres

En 1962, un grupo de investigadores de los Laboratorios Bell descubrió la acción del láser en el xenón, [146] y más tarde descubrió que la ganancia del láser se mejoraba añadiendo helio al medio láser. [147] [148] El primer láser excimer utilizó un dímero de xenón (Xe 2 ) energizado por un haz de electrones para producir emisión estimulada a una longitud de onda ultravioleta de 176 nm . [23] El cloruro de xenón y el fluoruro de xenón también se han utilizado en láseres excimer (o, más exactamente, exciplex). [149]

Médico

Anestesia

El xenón se ha utilizado como anestésico general , pero es más caro que los anestésicos convencionales. [150]

El xenón interactúa con muchos receptores y canales iónicos diferentes y, como muchos anestésicos de inhalación teóricamente multimodales, es probable que estas interacciones sean complementarias. El xenón es un antagonista del receptor NMDA del sitio de glicina de alta afinidad . [151] Sin embargo, el xenón es diferente de ciertos otros antagonistas del receptor 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 . [152] [153] A diferencia de la ketamina y el óxido nitroso, el xenón no estimula un eflujo de dopamina en el núcleo accumbens . [154]

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. [155] El xenón inhibe los receptores nicotínicos de acetilcolina α4β2 que contribuyen a la analgesia mediada por la médula espinal. [156] [157] El xenón es un inhibidor eficaz de la Ca 2+ ATPasa de la membrana plasmática . El xenón inhibe la Ca 2+ ATPasa al unirse a un poro hidrofóbico dentro de la enzima y evitar que la enzima asuma conformaciones activas. [158]

El xenón es un inhibidor competitivo del receptor de serotonina 5-HT 3 . Si bien no es anestésico ni antinociceptivo, reduce las náuseas y los vómitos que aparecen durante la anestesia. [159]

El xenón tiene una concentración alveolar mínima (CAM) del 72 % a los 40 años, lo que lo hace un 44 % más potente que el N 2 O como anestésico. [160] 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 respetuoso con el medio ambiente . [161] Aunque se recicla en los sistemas modernos, el xenón que se libera a la atmósfera solo regresa a su fuente original, sin impacto ambiental.

Neuroprotector

El xenón induce cardioprotección y neuroprotección robustas a través de una variedad de mecanismos. A través de su influencia en el antagonismo de Ca 2+ , K + , KATP \HIF y NMDA, el xenón es neuroprotector cuando se administra antes, durante y después de los ataques isquémicos . [162] [163] El xenón es un antagonista de alta afinidad en el sitio de glicina del receptor NMDA. [151] El xenón es cardioprotector en condiciones de isquemia-reperfusión al inducir un preacondicionamiento no isquémico farmacológico . El xenón es cardioprotector al activar PKC-epsilon y p38-MAPK corriente abajo. [164] El xenón imita el preacondicionamiento isquémico neuronal al activar los canales de potasio sensibles a ATP. [165] El xenón reduce alostéricamente la inhibición de la activación del canal mediada por ATP independientemente de la subunidad 1 del receptor de sulfonilurea, lo que aumenta el tiempo y la frecuencia del canal abierto de KATP. [166]

Dopaje deportivo

La inhalación de una mezcla de xenón y oxígeno activa la producción del factor de transcripción HIF-1-alfa , que puede aumentar la producción de eritropoyetina . Se sabe que esta última hormona aumenta la producción de glóbulos rojos y el rendimiento atlético. Según se informa, el dopaje con inhalación de xenón se ha utilizado en Rusia desde 2004 y quizás antes. [167] 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. [168] Además, hasta el momento no se han demostrado los efectos del xenón en la producción de eritropoyetina en humanos. [169]

Imágenes

La emisión gamma del radioisótopo 133 Xe del xenón se puede utilizar para obtener imágenes del corazón, los pulmones y el cerebro, por ejemplo, mediante tomografía computarizada por emisión de fotón único . El 133 Xe también se ha utilizado para medir el flujo sanguíneo . [170] [171] [172]

El xenón, en particular el 129 Xe hiperpolarizado, es un agente de contraste útil para la resonancia magnética . En la fase gaseosa, puede generar imágenes de cavidades en una muestra porosa, alvéolos en los pulmones o el flujo de gases dentro de los pulmones. [173] [174] Debido a que el xenón es soluble tanto en agua como en solventes hidrófobos, puede generar imágenes de diversos tejidos blandos vivos. [175] [176] [177]

El xenón-129 se utiliza actualmente como agente de visualización en las exploraciones por resonancia magnética. Cuando un paciente inhala xenón-129 hiperpolarizado, se pueden obtener imágenes y cuantificar la ventilación y el intercambio de gases en los pulmones. A diferencia del xenón-133, el xenón-129 no es ionizante y su inhalación es segura y no produce efectos adversos. [178]

Cirugía

El láser excimer de cloruro de xenón tiene ciertos usos dermatológicos. [179]

Espectroscopia de RMN

Debido a la gran flexibilidad de la capa externa de electrones del átomo de xenón, el espectro de RMN cambia en respuesta a las condiciones ambientales y se puede utilizar para monitorear las circunstancias químicas circundantes. Por ejemplo, el xenón disuelto en agua, el xenón disuelto en un solvente hidrófobo y el xenón asociado con ciertas proteínas se pueden distinguir mediante RMN. [180] [181]

Los químicos de superficies pueden utilizar xenón hiperpolarizado . Normalmente, es difícil caracterizar 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 la superficie. Sin embargo, los espines nucleares en superficies sólidas se pueden polarizar selectivamente transfiriéndoles la polarización del espín desde el gas xenón hiperpolarizado. Esto hace que las señales de la superficie sean lo suficientemente fuertes como para medirlas y distinguirlas de las señales en masa. [182] [183]

Otro

Un cilindro de metal con electrodos adheridos a un costado. Del tubo sale una luz difusa de color azul.
Un prototipo de motor de iones de xenón se prueba en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA

En los estudios de energía nuclear , el xenón se utiliza en cámaras de burbujas , [184] sondas y en otras áreas donde es deseable un peso molecular alto 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 controlan para garantizar el cumplimiento de los tratados de prohibición de pruebas nucleares , [185] y para confirmar las pruebas nucleares de estados como Corea del Norte . [186]

El xenón líquido se utiliza en calorímetros [187] para medir rayos gamma y como detector de hipotéticas partículas masivas de interacción débil o WIMP. Cuando una WIMP colisiona 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 del 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 se puede almacenar como un líquido a temperatura cercana a la ambiente (bajo alta presión), pero se evapora fácilmente para alimentar el motor. El xenón es inerte, respetuoso con el medio ambiente y menos corrosivo para un motor iónico que otros combustibles como el mercurio o el cesio . El xenón se utilizó por primera vez para motores iónicos de satélites durante la década de 1970. [188] Más tarde se empleó como propulsor para la sonda Deep Space 1 del JPL, la nave espacial europea SMART-1 [26] y para los tres motores de propulsión iónica de la nave espacial Dawn de la NASA . [189]

Químicamente, los compuestos de perxenato se utilizan como agentes oxidantes en química analítica . El difluoruro de xenón se utiliza como agente de grabado para silicio , particularmente en la producción de sistemas microelectromecánicos (MEMS). [190] El fármaco anticancerígeno 5-fluorouracilo se puede producir haciendo reaccionar difluoruro de xenón con uracilo . [191] El xenón también se utiliza en cristalografía de proteínas . Aplicado 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 átomos pesados, isomorfo y de alta calidad que se puede utilizar para resolver el problema de fase . [192] [193]

Precauciones

El gas xenón se puede conservar de forma 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. [195] El xenón no es tóxico , aunque se disuelve en la sangre y pertenece a un grupo selecto de sustancias que penetran la barrera hematoencefálica , causando una anestesia quirúrgica de leve a completa cuando se inhala en altas concentraciones con oxígeno. [196]

La velocidad del sonido en el gas xenón (169 m/s) es menor que en el aire [197] porque la velocidad media de los átomos pesados ​​de xenón es menor que la de las moléculas de nitrógeno y oxígeno en el aire. Por tanto, el xenón vibra más lentamente en las cuerdas vocales cuando se exhala y produce tonos de voz más bajos (sonidos realzados de baja frecuencia, pero la frecuencia fundamental o tono no cambia), un efecto opuesto a la voz de tono alto producida en helio . En concreto, cuando el tracto vocal se llena de gas xenón, su frecuencia de resonancia natural se vuelve más baja que cuando se llena de aire. Así, las bajas frecuencias de la onda sonora producida por la misma vibración directa de las cuerdas vocales se verían realzadas, lo que daría lugar a 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 potente que el óxido nitroso; En consecuencia, y debido a que el xenón es caro, muchas universidades han prohibido el truco de voz como demostración de química general. [198] El hexafluoruro de azufre gaseoso es similar al xenón en peso molecular (146 frente a 131), menos costoso y, aunque es asfixiante, no es tóxico ni anestésico; a menudo se lo sustituye en estas demostraciones. [199]

Los gases densos como el xenón y el hexafluoruro de azufre se pueden respirar sin peligro si se mezclan con al menos un 20% de oxígeno. El xenón en una concentración del 80% junto con un 20% de oxígeno produce rápidamente la inconsciencia de la anestesia general. La respiración mezcla gases de diferentes densidades de forma muy eficaz y rápida, de modo que los gases más pesados ​​se purgan junto con el oxígeno y no se acumulan en el fondo de los pulmones. [200] Sin embargo, existe un peligro asociado con cualquier gas pesado en grandes cantidades: puede permanecer invisible en un recipiente, y una persona que entre en un área llena de un gas inodoro e incoloro puede asfixiarse sin previo aviso. El xenón rara vez se utiliza en cantidades lo suficientemente grandes como para que esto sea un problema, aunque el peligro potencial existe siempre que un tanque o recipiente de xenón se mantenga en un espacio sin ventilación. [201]

Los compuestos de xenón solubles en agua, como el xenato monosódico , son moderadamente tóxicos, pero tienen una vida media en el cuerpo muy corta: el xenato inyectado por vía intravenosa se reduce a xenón elemental en aproximadamente un minuto. [196]

Véase también

Notas

  1. ^ Fracción de masa calculada a partir de la masa promedio de un átomo en el Sistema Solar de aproximadamente 1,29 unidades de masa atómica.

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