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Xenón

El xenón es un elemento químico ; tiene símbolo Xe y número atómico 54. Es un gas noble denso, incoloro e inodoro que se encuentra en la atmósfera terrestre en pequeñas cantidades. [14] 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. [15] [16] [17]

El xenón se utiliza en lámparas de destello [18] y lámparas de arco , [19] y como anestésico general . [20] El primer diseño de láser excimer utilizó una molécula de dímero de xenón (Xe 2 ) como medio láser , [21] y los primeros diseños de láser utilizaron lámparas de destello de xenón como bombas . [22] El xenón también se utiliza para buscar hipotéticas partículas masivas que interactúan débilmente [23] y como propulsor para propulsores de iones en naves espaciales. [24]

El xenón natural consta de siete isótopos estables y dos isótopos radiactivos de larga duración. Más de 40 isótopos de xenón inestables sufren desintegración radiactiva y las proporciones de isótopos del xenón son una herramienta importante para estudiar la historia temprana del Sistema Solar . [25] El xenón-135 radiactivo se produce por 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 . [26]

Historia

El xenón fue descubierto en Inglaterra por el químico escocés William Ramsay y el químico inglés Morris Travers en septiembre de 1898, [27] poco después de su descubrimiento de los elementos criptón y neón . Encontraron xenón en los residuos que quedaron de los componentes del aire líquido que se evaporan . [28] [29] 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'. [30] [31] En 1902, Ramsay estimó que la proporción de xenón en la atmósfera terrestre era una parte en 20 millones. [32]

Durante la década de 1930, el ingeniero estadounidense Harold Edgerton comenzó a explorar la tecnología de luz estroboscópica para 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 de tan solo un microsegundo con este método. [18] [33] [34]

En 1939, el médico estadounidense Albert R. Behnke Jr. comenzó a explorar las causas de la "embriaguez" en los buceadores de aguas profundas. Probó los efectos de variar las mezclas respiratorias 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 confirma la anestesia con xenón fue en 1946 por el investigador médico estadounidense John H. Lawrence, que 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. [35]

Un cubo acrílico especialmente preparado para recolectores de elementos que contienen xenón licuado.

Durante mucho tiempo se consideró que el xenón y otros 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 poderoso agente oxidante que podía oxidar el gas oxígeno (O 2 ) para formar hexafluoroplatinato de dioxigenilo ( O+
2[PTF
6]−
). [36] 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 . [37] [17]

Bartlett pensó que su composición era Xe + [PtF 6 ] − , pero trabajos posteriores revelaron que probablemente era una mezcla de varias sales que contenían xenón. [38] [39] [40] Desde entonces, se han descubierto muchos otros compuestos de xenón, [41] además de algunos compuestos de los gases nobles argón , criptón y radón , incluido el fluorohidruro de argón (HArF), [42] criptón. difluoruro (KrF 2 ), [43] [44] y fluoruro de radón . [45] En 1971, se conocían más de 80 compuestos de xenón. [46] [47]

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 disponer 35 átomos de xenón individuales sobre un sustrato de cristal de níquel enfriado para deletrear las iniciales de tres letras de la empresa. Era la primera vez que los átomos se colocaban con precisión sobre una superficie plana. [48]

Características

Una capa de xenón sólido flotando sobre xenón líquido dentro de un aparato de alto voltaje.
Nanopartículas de Xe líquidas (sin características) y sólidas cristalinas producidas mediante la implantación de 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 al nivel del mar, 1,217 kg/m 3 . [49] Como líquido, el xenón tiene una densidad de hasta 3.100 g/ml, y la densidad máxima se produce en el punto triple. [50] El xenón líquido tiene una alta polarizabilidad debido a su gran volumen atómico y, por tanto, es un excelente disolvente. Puede disolver hidrocarburos, moléculas biológicas e incluso agua. [51] 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 . [50] Bajo gigapascales de presión , el xenón forma una fase metálica. [52]

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 cambios de volumen perceptibles en la fase hcp. Es completamente metálico a 155 GPa. Cuando está metalizado, el xenón aparece de color azul cielo porque absorbe la luz roja y transmite otras frecuencias visibles. Este comportamiento es inusual para un metal y se explica por la anchura relativamente pequeña de las bandas de electrones en ese estado. [53] [54]

Flash de xenón
( versión animada )

Se pueden formar nanopartículas de xenón líquidas o sólidas 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. [55]

El xenón forma parte 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 y estable en la que los electrones externos están estrechamente unidos. [56]

En un tubo lleno de gas , el xenón emite un brillo azul o lavanda cuando se excita mediante una descarga eléctrica . El xenón emite una banda de líneas de emisión que abarcan todo el espectro visual, [57] pero las líneas más intensas se producen en la región de la luz azul, produciendo la coloración. [58]

Ocurrencia y producción

El xenón es un gas traza en la atmósfera terrestre y se encuentra en una fracción de volumen de87 ± 1 nL/L ( partes por mil millones ), o aproximadamente 1 parte por 11,5 millones. [59] 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 tomando la masa molar promedio 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 . [60] Después de esta separación, generalmente realizada por destilación fraccionada en una instalación 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 contener entre un 0,1% y un 0,2% de una mezcla de criptón/xenón, que se extrae mediante adsorción en gel de sílice o mediante destilación. Finalmente, la mezcla de criptón/xenón se puede separar mediante destilación adicional en criptón y xenón. [61] [62]

La producción mundial de xenón en 1998 se estimó en 5.000 a 7.000 metros cúbicos (180.000 a 250.000 pies cúbicos). [63] A una densidad de 5,894 gramos por litro (0,0002129 lb/cu in), 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 eran 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, [63] mientras que el mucho más abundante argón, que representa más del 1% del volumen de la atmósfera terrestre, cuesta menos de un centavo por litro.

Sistema solar

Dentro del Sistema Solar, la fracción de nucleones del xenón es1,56 × 10 −8 , para una abundancia de aproximadamente una parte en 630 mil de la masa total. [64] 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. [65] [a] Esta abundancia sigue sin explicación, pero puede haber sido causada por una acumulación temprana y rápida de planetesimales (pequeños cuerpos subplanetarios) antes del calentamiento del disco presolar . [66] — 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 desgasificación del xenón a la atmósfera. [67]

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 mediante fusión, y la síntesis de xenón no representa ninguna ganancia de energía para una estrella. [68] En cambio, el xenón se forma durante explosiones de supernova durante el proceso r , [69] mediante el lento proceso de captura de neutrones ( proceso s ) en estrellas gigantes rojas que han agotado su núcleo de hidrógeno y han entrado en la rama gigante asintótica , [ 70] y de la desintegración radiactiva, por ejemplo por la desintegración beta del yodo-129 extinto y la fisión espontánea del torio , uranio y plutonio . [71]

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 se paraliza 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 significativos al reiniciar un reactor después de una parada o aumentar la potencia después de que se haya reducido y fue uno de los varios factores que contribuyeron al accidente nuclear de Chernobyl . [72] [73]

En la fisión nuclear también se producen isótopos de xenón estables o de vida extremadamente larga en cantidades apreciables. El xenón-136 se produce cuando el xenón-135 se somete a 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 la historia energética de un reactor determinado y la ausencia de xenón-136 es una "huella digital" de explosiones nucleares, ya que el xenón-135 no lo es. se produce directamente sino como producto de sucesivas desintegraciones beta y, por tanto, no puede absorber neutrones en una explosión nuclear que se produce en fracciones de segundo. [74]

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 más alta en el combustible nuclear gastado (que es aproximadamente un 3% de productos de fisión) que en el aire. Sin embargo, hasta 2022 no existe ningún esfuerzo comercial para extraer xenón del combustible gastado durante el reprocesamiento nuclear . [75] [76]

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 sufrirán una doble desintegración beta , pero esto nunca se ha observado, por lo que se consideran estables. [77] Además, se han estudiado más de 40 isótopos inestables. El más longevo de estos isótopos es el primordial 124 Xe, que sufre una doble captura de electrones con una vida media de 1,8 × 10 22  años , [78] y 136 Xe, que sufre una doble desintegración beta con una vida media de 2,11 × 10 21 años . [79] El 129 Xe se produce por la desintegración beta del 129 I , que tiene una vida media de 16 millones de años. 131m Xe, 133 Xe, 133m Xe y 135 Xe son algunos de los productos de fisión de 235 U y 239 Pu , [71] y se utilizan para detectar y monitorear explosiones nucleares.

giro nuclear

Los núcleos de dos de los isótopos estables del xenón , 129 Xe y 131 Xe, 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 mediante luz polarizada circularmente y vapor de rubidio . [80] 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 0,001% del valor máximo a temperatura ambiente , incluso en los imanes más fuertes ). Esta alineación de espines sin equilibrio es una condición temporal y se denomina hiperpolarización . El proceso de hiperpolarizar el xenón se llama bombeo óptico (aunque el proceso es diferente al bombeo de un láser ). [81]

Debido a que un núcleo de 129 Xe tiene un espín de 1/2 y, por lo tanto, un momento cuadripolar eléctrico nulo , 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 engendran la luz y Se han eliminado los vapores. La polarización de espín del 129 Xe puede persistir desde varios segundos para los átomos de xenón disueltos en la sangre [82] hasta varias horas en la fase gaseosa [83] y varios días en el xenón sólido profundamente congelado. [84] Por el contrario, 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 . [85]

De la fisión

Algunos isótopos radiactivos del xenón (por ejemplo, 133 Xe y 135 Xe) se producen mediante la irradiación de neutrones de material fisionable dentro de los reactores nucleares . [15] El 135 Xe tiene una importancia considerable en el funcionamiento de los reactores de fisión nuclear . 135 Xe tiene una enorme sección transversal para neutrones térmicos , 2,6×10 6  graneros , [26] 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 se descubrió en los primeros reactores nucleares construidos por el Proyecto Manhattan estadounidense para la producción de plutonio . Sin embargo, los diseñadores habían tomado disposiciones en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (el número de neutrones por fisión que luego fisionan otros átomos de combustible nuclear ). [86] El envenenamiento del reactor 135 Xe fue un factor importante en el desastre de Chernobyl . [87] Una parada o disminución de la potencia de un reactor puede provocar una acumulación de 135 Xe, con lo que el funcionamiento del reactor entra en una condición conocida como pozo de yodo . En condiciones adversas, concentraciones relativamente altas de isótopos radiactivos de xenón pueden emanar de barras de combustible agrietadas [88] o de la fisión de uranio en agua de refrigeración . [89]

Las proporciones isotópicas del xenón producido en los reactores de fisión nuclear naturales de Oklo , Gabón, revelan las propiedades del reactor durante una reacción en cadena que tuvo lugar hace unos 2 mil millones de años. [90]

Procesos cósmicos

Debido a que el xenón es un trazador de dos isótopos originales, las proporciones de isótopos de xenón en los meteoritos son una poderosa herramienta para estudiar la formación del Sistema Solar . El método de datación 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 un exceso de xenón-129. Dedujo que se trataba de un producto de la desintegración del yodo-129 radiactivo . Este isótopo se produce lentamente por espalación de rayos cósmicos y fisión nuclear , pero se produce en cantidad sólo en explosiones de supernovas. [91] [92]

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 había pasado sólo un corto tiempo entre la supernova y el momento en que los meteoritos se solidificaron y atraparon el 129 I. 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 provocado el colapso de la nube de gas solar. [91] [92]

De manera similar, las proporciones isotópicas de xenón como 129 Xe/ 130 Xe y 136 Xe/ 130 Xe son una poderosa herramienta para comprender la diferenciación planetaria y la desgasificación temprana. [25] Por ejemplo, la atmósfera de Marte muestra una abundancia de xenón similar a la de la Tierra (0,08 partes por millón [93] ), 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 que se formó el planeta. [94] [95] En otro ejemplo, se cree que el exceso de 129 Xe encontrado en los gases de los pozos de dióxido de carbono de Nuevo México se debe a la desintegración de los gases derivados del manto poco después de la formación de la Tierra. [71] [96]

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. [97]

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.
XeF 4 cristales, 1962

Se conocen tres fluoruros : XeF2, Xef4y XeF6. Se teoriza que XeF es inestable. [98] 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. [99] El componente ultravioleta de la luz diurna ordinaria es suficiente. [100] Calentamiento prolongado de XeF
2a altas temperaturas bajo un NiF
2el catalizador produce XeF
6. [101] Pirólisis de XeF
6en presencia de NaF se obtiene XeF de alta pureza
4. [102]

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−
7y XeF2-8
_. El Xe verde y paramagnético+
2se forma por la reducción de XeF
2por gas xenón. [97]

Xef
2También forma complejos de coordinación con iones de metales de transición. Se han sintetizado y caracterizado más de 30 complejos de este tipo. [101]

Mientras que los fluoruros de xenón están bien caracterizados, los otros haluros no. 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 , [103] es un compuesto cristalino, incoloro y endotérmico que se descompone en 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. [104] Los cálculos teóricos indican que la molécula lineal XeCl
2Es menos estable que el complejo de van der Waals. [105] El tetracloruro de xenón y el dibromuro de xenón son más inestables y no pueden sintetizarse mediante reacciones químicas. Fueron creados por desintegración radiactiva de129
ICl−
4y129
IBr−
2, respectivamente. [106] [107]

Óxidos y oxohaluros

Se conocen tres óxidos de xenón: trióxido de xenón ( XeO
3) y tetróxido de xenón ( XeO
4), ambos peligrosos explosivos y potentes agentes oxidantes, y el dióxido de xenón (XeO 2 ), del que se informó en 2011 con un número de coordinación de cuatro. [108] XeO 2 se forma cuando se vierte tetrafluoruro de xenón sobre hielo. Su estructura cristalina puede permitirle reemplazar el silicio en los minerales de silicato. [109] El catión XeOO + ha sido identificado mediante espectroscopia infrarroja en argón sólido . [110]

El xenón no reacciona directamente con el oxígeno; el trióxido se forma por la hidrólisis de XeF
6: [111]

Xef
6+ 3H
2O → XeO
3+ 6 frecuencias altas

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 XeO4-6
_anión. [112]

El perxenato de bario, cuando se trata con ácido sulfúrico concentrado , produce tetróxido de xenón gaseoso: [103]

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

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

Se conocen varios oxifluoruros de xenón, incluido XeOF
2, XeOF
4, Xeo
2F
2y Xeo
3F
2. XeOF
2se forma al reaccionar OF2con gas xenón a bajas temperaturas. También se puede obtener por hidrólisis parcial de XeF .
4. Se desproporciona a −20 °C en XeF
2y Xeo
2F
2. [113] XeOF
4se forma por la hidrólisis parcial de XeF
6... [114]

Xef
6+ H
2O → XeOF
4+ 2 AF

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

xeo
2F
2también se forma por hidrólisis parcial de XeF
6. [115]

Xef
6+ 2H
2O → XeO
2F
2+ 4 frecuencias altas

XeOF
4reacciona con CsF para formar XeOF−
5anión, [113] [116] mientras que XeOF 3 reacciona con los fluoruros de metales alcalinos KF , RbF y CsF para formar XeOF−
4anión. [117]

Otros compuestos

El xenón se puede unir directamente a un elemento menos electronegativo que el flúor o el oxígeno, particularmente el carbono . [118] Los grupos aceptores de electrones, como los grupos con sustitución de flúor, son necesarios para estabilizar estos compuestos. [112] Se han caracterizado numerosos compuestos de este tipo, entre ellos: [113] [119]

Otros compuestos que contienen xenón unido a un elemento menos electronegativo incluyen F – Xe – N (SO
2F)
2y F – Xe – BF
2. Este último se sintetiza a partir de tetrafluoroborato de dioxigenilo , O
2novio
4, a -100 °C. [113] [120]

Un ion inusual que contiene xenón es el catión tetraxenonooro (II) , AuXe.2+
4, que contiene enlaces Xe-Au. [121] Este ion se encuentra en el compuesto AuXe
4(Sb
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 ligando de un 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 – ]). [122]

El compuesto Xe
2sb
2F
11contiene un enlace Xe-Xe, el enlace elemento-elemento más largo conocido (308,71 pm = 3,0871  Å ). [123]

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), hidroxienoacetileno (HXeCCH) y otros compuestos que contienen Xe. moléculas. [124] En 2008, Khriachtchev et al. informaron la preparación de HXeOXeH mediante la fotólisis de agua dentro de una matriz criogénica de xenón. [125] También se han producido moléculas deuteradas , HXeOD y DXeOH. [126]

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 por 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 espacios vacantes en una red de moléculas de agua. [127] Este clatrato tiene un punto de fusión de 24 °C. [128] También se ha producidola versión deuterada de este hidrato. [129] Otro ejemplo es el hidruro de xenón (Xe(H 2 ) 8 ), en el que los pares de xenón ( dímeros ) quedan atrapados dentro del hidrógeno sólido . [130] Estos 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 . [131] La formación de clatrato se puede utilizar para destilar fraccionadamente xenón, argón y criptón. [132]

El xenón también puede formar compuestos endoédricos de fullereno , 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 espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de 129 Xe . Mediante el sensible desplazamiento químico del átomo de xenón a su entorno se pueden analizar reacciones químicas en la molécula de fullereno. Sin embargo, estas observaciones no están exentas de reservas, ya que el átomo de xenón tiene una influencia electrónica sobre la reactividad del fullereno. [133]

Cuando los átomos de xenón están en el estado de energía fundamental , se repelen entre sí y no forman ningún 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 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 . [134] [135] El xenón también puede formar excímeros con otros elementos, como los halógenos bromo , cloro y flúor . [136]

Aplicaciones

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

Iluminación y óptica.

Lámparas de descarga de gas

El xenón se utiliza en dispositivos emisores de luz llamados lámparas de flash de xenón, utilizados en flashes fotográficos y lámparas estroboscópicas; [18] para excitar el medio activo en láseres que luego generan luz coherente ; [137] y, ocasionalmente, en lámparas bactericidas . [138] El primer láser de estado sólido , inventado en 1960, fue bombeado por una lámpara de destellos de xenón, [22] y los láseres utilizados para alimentar la fusión por confinamiento inercial también son bombeados por lámparas de destellos de xenón. [139]

Esfera de vidrio alargada con dos electrodos de varilla metálica en su interior, uno frente al otro. Un electrodo está desafilado y el otro está afilado.
Lámpara de xenón de arco corto
El transbordador espacial Atlantis bañado por luces de xenón
Tubo de descarga de gas 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 la de un radiador de cuerpo negro calentado a la temperatura del Sol. Introducidas por primera vez en la década de 1940, estas lámparas reemplazaron las lámparas de arco de carbón de vida más corta en los proyectores de películas. [19] 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 alta gama .

Las celdas individuales de una pantalla de plasma contienen una mezcla de xenón y neón ionizados 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. [140] [141]

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 funcionamiento. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara mientras está 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. [142]

Láseres

En 1962, un grupo de investigadores de los Laboratorios Bell descubrió la acción del láser en el xenón [143] y más tarde descubrió que la ganancia del láser mejoraba añadiendo helio al medio láser. [144] [145] El primer láser excimer utilizó un dímero de xenón (Xe 2 ) energizado por un haz de electrones para producir una emisión estimulada a una longitud de onda ultravioleta de 176 nm . [21] El cloruro de xenón y el fluoruro de xenón también se han utilizado en láseres excimer (o, más exactamente, exciplex). [146]

Médico

Anestesia

El xenón se ha utilizado como anestésico general , pero es más caro que los anestésicos convencionales. [147]

El xenón interactúa con muchos receptores y canales iónicos diferentes y, como muchos anestésicos por inhalación teóricamente multimodales, estas interacciones probablemente sean complementarias. "El xenón es un antagonista del receptor NMDA del sitio de glicina de alta afinidad ". [148] Sin embargo, el xenón se diferencia de otros antagonistas del receptor NMDA en que no es neurotóxico e inhibe la neurotoxicidad de la ketamina y el óxido nitroso (N 2 O), al tiempo que produce efectos neuroprotectores . [149] [150] A diferencia de la ketamina y el óxido nitroso, el xenón no estimula la salida de dopamina en el núcleo accumbens . [151]

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. [152] El xenón inhibe los receptores nicotínicos de acetilcolina α4β2 que contribuyen a la analgesia mediada por la columna. [153] [154] El xenón es un inhibidor eficaz de la Ca 2+ ATPasa de la membrana plasmática . El xenón inhibe la Ca 2+ ATPasa uniéndose a un poro hidrófobo dentro de la enzima y evitando que la enzima asuma conformaciones activas. [155]

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 provocados por la anestesia. [156]

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. [157] Por lo tanto, se puede utilizar con oxígeno en concentraciones que tengan 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 . [158] Aunque se recicla en los sistemas modernos, el xenón liberado a la atmósfera solo regresa a su fuente original, sin impacto ambiental.

neuroprotector

El xenón induce una sólida cardioprotección y neuroprotección a través de una variedad de mecanismos. A través de su influencia sobre el antagonismo de Ca 2+ , K + , KATP \HIF y NMDA, el xenón es neuroprotector cuando se administra antes, durante y después de las agresiones isquémicas . [159] [160] El xenón es un antagonista de alta afinidad en el sitio de glicina del receptor NMDA. [148] El xenón es cardioprotector en condiciones de isquemia-reperfusión al inducir un precondicionamiento farmacológico no isquémico. El xenón es cardioprotector al activar PKC-épsilon y p38-MAPK aguas abajo. [161] El xenón imita el precondicionamiento isquémico neuronal activando los canales de potasio sensibles al ATP. [162] El xenón reduce alostéricamente la inhibición de la activación del canal mediada por ATP independientemente de la subunidad del receptor 1 de sulfonilurea, aumentando el tiempo y la frecuencia del canal abierto de KATP. [163]

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, en Rusia se utiliza el dopaje con inhalaciones de xenón desde 2004 y quizás antes. [164] El 31 de agosto de 2014, la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) añadió el xenón (y el argón ) a la lista de sustancias y métodos prohibidos, aunque todavía no se han desarrollado pruebas de dopaje fiables para estos gases. [165] Además, hasta el momento no se han demostrado los efectos del xenón sobre la producción de eritropoyetina en humanos. [166]

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 . 133 Xe también se ha utilizado para medir el flujo sanguíneo . [167] [168] [169]

El xenón, particularmente el 129 Xe hiperpolarizado , es un agente de contraste útil para la resonancia magnética (MRI). En la fase gaseosa, puede visualizar cavidades en una muestra porosa, alvéolos en los pulmones o el flujo de gases dentro de los pulmones. [170] [171] Debido a que el xenón es soluble tanto en agua como en solventes hidrofóbicos, puede obtener imágenes de varios tejidos vivos blandos. [172] [173] [174]

El xenón-129 se utiliza actualmente como agente de visualización en 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 sin efectos adversos. [175]

Cirugía

El láser excimer de cloruro de xenón tiene ciertos usos dermatológicos. [176]

espectroscopia de RMN

Debido a la capa electrónica exterior grande y flexible del átomo de xenón, el espectro de RMN cambia en respuesta a las condiciones circundantes y puede usarse para monitorear las circunstancias químicas circundantes. Por ejemplo, el xenón disuelto en agua, el xenón disuelto en un disolvente hidrófobo y el xenón asociado con determinadas proteínas se pueden distinguir mediante RMN. [177] [178]

Los químicos de superficies pueden utilizar el xenón hiperpolarizado . Normalmente, es difícil caracterizar superficies con RMN porque las señales de una superficie se ven abrumadas 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 superficie sean lo suficientemente fuertes como para medirlas y distinguirlas de las señales masivas. [179] [180]

Otro

En los estudios de energía nuclear , el xenón se utiliza en cámaras de burbujas , [181] sondas y en otras áreas donde es deseable 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 son monitoreados para garantizar el cumplimiento de los tratados de prohibición de ensayos nucleares , [182] y para confirmar los ensayos nucleares realizados por estados como Corea del Norte . [183]

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

El xenón líquido se utiliza en calorímetros [184] para medir rayos gamma y como detector de hipotéticas partículas masivas que interactúan débilmente , o WIMP. Cuando un WIMP choca con un núcleo de xenón, la teoría predice que impartirá suficiente energía para provocar ionización y centelleo . El xenón líquido es útil para estos experimentos porque su densidad hace que la interacción de la materia oscura sea más probable y permite un detector silencioso gracias al 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 en forma líquida casi a temperatura 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 de iones que otros combustibles como el mercurio o el cesio . El xenón se utilizó por primera vez en los motores de iones de satélite durante la década de 1970. [185] Más tarde se empleó como propulsor para la sonda Deep Space 1 del JPL, la nave espacial europea SMART-1 [24] y para los tres motores de propulsión iónica de la nave espacial Dawn de la NASA . [186]

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). [187] El fármaco anticancerígeno 5-fluorouracilo se puede producir haciendo reaccionar difluoruro de xenón con uracilo . [188] El xenón también se utiliza en 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 , creando a menudo un derivado de átomo pesado isomorfo de alta calidad que puede usarse para resolver el problema de fase . [189] [190]

Precauciones

El gas xenón se puede conservar de forma segura en recipientes normales de vidrio o metal sellados a temperatura y presión estándar . Sin embargo, se disuelve fácilmente en la mayoría de los plásticos y caucho, y gradualmente escapará de un recipiente sellado con dichos materiales. [192] 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 leve o total cuando se inhala en altas concentraciones con oxígeno. [193]

La velocidad del sonido en el gas xenón (169 m/s) es menor que la del aire [194] porque 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 de baja frecuencia realzados, 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 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 potenciadas, resultando en 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 la voz como demostración de química general. [ cita necesaria ] 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 manifestaciones. [195]

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 a 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 manera muy eficaz y rápida para que los gases más pesados ​​se purguen junto con el oxígeno y no se acumulen en el fondo de los pulmones. [196] Sin embargo, existe un peligro asociado con cualquier gas pesado en grandes cantidades: puede permanecer invisible en un contenedor, y una persona que ingresa a un área llena de un gas inodoro e incoloro puede asfixiarse sin previo aviso. El xenón rara vez se utiliza en cantidades suficientemente grandes como para que esto sea motivo de preocupación, aunque existe la posibilidad de peligro cada vez que un tanque o contenedor de xenón se mantiene en un espacio sin ventilación. [197]

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 xenato inyectado por vía intravenosa se reduce a xenón elemental en aproximadamente un minuto. [193]

Ver 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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