Xenon

Xenon
Imagem ilustrativa do artigo Xenon
Xenônio liquefeito em uma lâmpada.
Iodo ← Xenon → Césio
Kr
  Estrutura de cristal cúbico
 
54		 Xe
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
↑
Xe
↓
Rn
Mesa completa • Mesa estendida
Posição na tabela periódica
Símbolo Xe
Último nome Xenon
Número atômico 54
Grupo 18
Período 5 th período
Quadra Bloco p
Família de elementos gás nobre
Configuração eletronica [ Kr ] 5 s 2 4 d 10 5 p 6
Elétrons por nível de energia 2, 8, 18, 18, 8
Propriedades atômicas do elemento
Massa atômica 131,293  ± 0,006  u
Raio atômico (calc) ( 108  pm )
Raio covalente 140  ±  21h
Raio de Van der Waals 216  pm
Estado de oxidação 0 , 1, 2 , 4, 6, 8
Eletronegatividade ( Pauling ) 2,6
Óxido ácido (XeO 3 e XeO 4 )
Energias de ionização
1 re  : 12.12984  eV 2 e  : 20,9750  eV
3 E  : 32,1230  eV
Isótopos mais estáveis
Iso ANO Período MD Ed PD
MeV
124 Xe 0,1  % 1,8 × 10 22  a 2ε 0,0643 124 Te
126 Xe 0,09  % estável com 72 nêutrons
127 10º {syn.} 36,4  d ε 0,662 127 I
128 Xe 1,91  % estável com 74 nêutrons
129 Xe 26,4  % estável com 75 nêutrons
130 Xe 4,1  % estável com 76 nêutrons
131 Xe 21,29  % estável com 77 nêutrons
132 Xe 26,9  % estável com 78 nêutrons
133 Xe {syn.} 5,243  d β - 0,427 133 Cs
134 Xe 10,4  % estável com 80 nêutrons
136 Xe 8,9  % 2,36 × 10 21 a β - ? 136 Ba
Propriedades físicas simples do corpo
Estado normal Gás
Massa volumica 5,887  ± 0,009  g · L -1 (gás),

2,95  g · cm -3 (líquido, -109  ° C )
Sistema de cristal Cúbico centrado no rosto
Cor algum
Ponto de fusão -111,74  ° C
Ponto de ebulição -108,09  ° C
Energia de fusão 2.297  kJ · mol -1
Energia de vaporização 12,57  kJ · mol -1 ( 1  atm , -108,09  ° C )
Temperatura critica 16,58  ° C
Volume molar 22,414 × 10 -3  m 3 · mol -1 a 0 ° C e 1 atm
Velocidade do som 1090  m · s -1 a 20  ° C
Calor maciço 158  J · kg -1 · K -1
Condutividade térmica 5,69 × 10 -3  W · m -1 · K -1
Vários
N o  CAS 7440-63-3
N o  ECHA 100.028.338
N o  EC 231-172-7
Precauções
SGH
SGH04: Gases sob pressão
Aviso H280 e P403 H280  : Contém gás sob pressão; pode explodir se aquecido
P403  : Armazenar em local bem ventilado.
WHMIS
A: Gás comprimido
PARA, A  :
Temperatura crítica do gás comprimido = 16,58  ° C

Divulgação a 1,0% de acordo com os critérios de classificação
Transporte
20
   2036   
Código Kemler:
20  : gás asfixiante ou gás que não apresenta risco subsidiário
Número ONU  :
2036  : XENON COMPRIMIDO
Classe:
2.2
Etiqueta: 2.2  : Gases não inflamáveis ​​e não tóxicos (corresponde aos grupos designados por um A ou uma maiúscula O); Embalagem: -
Pictograma ADR 2.2



22
   2591   
Código Kemler:
22  : gás liquefeito refrigerado, asfixiante
Número ONU  :
2591  : XENON, LÍQUIDO REFRIGERADO
Classe:
2.2
Rótulo: 2.2  : Gases não inflamáveis, não tóxicos (corresponde aos grupos designados por A ou O maiúsculo); Embalagem: -
Pictograma ADR 2.2
Unidades de SI e STP, salvo indicação em contrário.

O Xenon é o elemento químico do número atômico 54, símbolo Xe. É um gás nobre , inodoro e incolor. Em uma lâmpada de descarga , ele emite uma luz azul.

O xenônio é o mais raro e caro dos gases nobres, com exceção do rádon , todos os isótopos radioativos.

Etimologicamente, o nome "xenon" deriva da palavra grega ξένος ( xenos ), que significa "estrangeiro". Este nome vem do fato de que xenon foi descoberto como "gás desconhecido no exterior" na krypton durante sucessivas identificações gases nobres ( argônio , criptônio, xenônio) no final do XIX °  século .

O xenônio foi descoberto em 1898 por William Ramsay e Morris William Travers por análise espectral de "rejeitos" no ar do qual o oxigênio e o nitrogênio foram removidos .

O xenônio é extraído por destilação de ar. Para destilar o ar, ele deve ser líquido ao comprimi-lo (aquece enquanto permanece gasoso, mas ao mantê-lo comprimido e resfriá-lo, ele se liquefaz ). O xenônio pode então ser extraído por destilação fracionada do ar que se tornou líquido.

História

Xenon foi descoberto pelos químicos britânicos William Ramsay e Morris Travers em12 de julho de 1898, logo após a descoberta do criptônio e do néon . Eles o encontraram em um resíduo resultante da evaporação seletiva dos vários elementos que compõem o ar líquido . Foi Ramsay quem propôs batizar esse novo gás xenônio , do grego ξένον [ xenon ], a forma singular neutra de ξένος [ xenos ], que significa "estrangeiro" ou "hóspede". Em 1902, Ramsay estimou que a atmosfera da Terra deve conter 1 parte para cada 20 milhões de xenônio.

Durante a década de 1930 , o engenheiro Harold Edgerton começou a se interessar por luz estroboscópica para aplicações em fotografia de alta velocidade. Este estudo o levou à invenção de um estroboscópio de xenônio, no qual a luz era gerada por uma descarga de corrente muito breve em um tubo cheio de xenônio. Em 1934, Edgerton foi capaz de gerar flashes com duração de microssegundos usando esta técnica.

Em 1939, Albert R. Behnke Jr. estudou as causas da narcose em mergulhadores em águas profundas, trazidas para respirar um ar mais denso e com maior pressão que o ar ambiente. Ao testar o efeito da mudança das composições do ar nas garrafas, ele percebeu que o organismo humano reagia de forma diferente dependendo da composição química do gás inspirado em alta pressão. Ele conclui que o xenônio pode ser usado em anestesia . Embora pareça que o russo Lazharev estudou o uso do xenônio em anestesia em 1941, o primeiro trabalho publicado confirmando o efeito do xenônio data de 1946 e diz respeito aos experimentos de JH Lawrence em camundongos. O primeiro uso do xenônio como anestésico em cirurgia data de 1951, com a operação de dois pacientes por Stuart C. Cullen.

Em 1960, o físico John H. Reynolds  (em) descobriu que certos meteoritos continham níveis anormalmente altos do isótopo 129 xenônio. Ele supôs que o excesso desse isótopo provinha do produto da decomposição do iodo 129 . Este isótopo é produzido lentamente no meio interestelar por reações de fragmentação devido a raios cósmicos e reações de fissão nuclear , mas só é produzido em quantidades significativas na explosão de supernovas . A meia-vida do iodo-129 sendo relativamente curta em uma escala cosmológica (apenas 16 milhões de anos), isso demonstrou que pouco tempo se passou entre a supernova e o momento em que o meteorito se solidificou para aprisionar o iodo 129 . Acredita-se que esses dois eventos (supernova e solidificação da nuvem de gás) ocorreram durante os primeiros dias da história do sistema solar , com o iodo-129 provavelmente sendo gerado antes - embora pouco antes - da formação do sistema solar.

O xenônio e outros gases nobres há muito são considerados completamente inertes quimicamente e não estão envolvidos na formação de compostos químicos . No entanto, enquanto lecionava na Universidade de British Columbia , Neil Bartlett descobriu que o hexafluoreto de platina (PtF 6 ) é um agente oxidante muito poderoso, capaz de oxidar oxigênio (O 2 ) para formar hexafluoroplatinato de dioxigenila (O 2 + [PtF 6 ] - ) . Como o dioxigênio e o xenônio têm energias de primeira ionização quase idênticas, Bartlett percebeu que o hexafluoreto de platina também poderia oxidar o xenônio. a23 de março de 1962, ele misturou esses dois gases e produziu o primeiro composto químico contendo um gás nobre, o hexafluoroplatinato de xenônio . Bartlett pensou que sua composição fosse Xe + [PtF 6 ] - , mas trabalhos posteriores mostraram que ele provavelmente fez uma mistura de vários sais de xenônio. Desde então, muitos outros compostos de xenônio foram descobertos, e alguns compostos contendo outros gases nobres ( argônio , criptônio e radônio ) foram identificados, incluindo em particular hidrofluoreto de argônio , difluoreto de criptônio ou fluoreto de radônio .

Abundância na Terra e no Universo

O xenônio existe em pequenas quantidades na atmosfera terrestre com uma concentração de 0,087 ± 0,001  ppm .

O xenônio é relativamente raro no Sol , na Terra , em asteróides ou cometas .

A atmosfera de Marte tem uma abundância de xenônio semelhante à da Terra, ou 0,08  ppm . Em contraste, a proporção de xenônio 129 (em relação ao xenônio total) em Marte é maior do que a observada na Terra ou no sol. Como esse isótopo é produzido pela decomposição de elementos radioativos, isso indica que Marte pode ter perdido a maior parte de sua atmosfera inicial, talvez nos primeiros 100 milhões de anos após sua formação.

Por outro lado, a atmosfera de Júpiter tem uma concentração excepcionalmente alta de xenônio, cerca de 2,6 vezes a do sol. Essa alta concentração permanece inexplicada e pode estar ligada à formação rápida e precoce de planetesimais antes que o disco protoplanetário comece a aquecer (caso contrário, o xenônio não teria ficado preso no gelo dos planetesimais). No sistema solar como um todo, a parcela do xenônio (levando em consideração todos os seus isótopos) é 1,56 × 10 -8 , ou uma concentração de massa de 1 em 64 milhões.

A baixa concentração de xenônio na Terra poderia ser explicada pela possibilidade de ligações covalentes xenônio-oxigênio no quartzo (especialmente em alta pressão), o que tenderia a reduzir a presença do gás xenônio na atmosfera. Dois pesquisadores, Svyatoslav Shcheka e Hans Keppler, ofereceram outra explicação em 2012: conforme ele resfriava e cristalizava, o magma prendia os gases raros mais leves. A maioria dos grandes átomos de xenônio permaneceu na atmosfera. Sob o efeito do calor, da forte radiação ultravioleta do jovem Sol e do bombardeio da Terra por meteoritos, a atmosfera escapou parcialmente para o espaço, levando consigo o xenônio. Os outros pesquisadores “explicam que o xenônio está lá, mas está escondido em algum lugar. Dizemos que ele não está lá porque, muito cedo na história da Terra, ele não tinha onde se esconder. "

Ao contrário de outros gases nobres de massa inferior, o xenônio e o criptônio não são formados pela nucleossíntese estelar dentro das estrelas . Na verdade, o custo de energia para produzir elementos mais pesados ​​do que o níquel 56 por fusão é muito alto. Como resultado, um grande número de isótopos de xenônio é formado durante as explosões de supernova .

Produção industrial

Industrialmente, o xenônio é um subproduto da separação do ar em oxigênio e nitrogênio . Como resultado dessa separação, normalmente realizada por destilação fracionada com coluna dupla , o oxigênio líquido obtido contém uma pequena quantidade de xenônio e criptônio. Ao realizar etapas adicionais de destilação fracionada, pode ser enriquecido para conter uma concentração cumulativa de 0,1 a 0,2% de criptônio e xenônio, uma mistura de gases nobres extraídos por adsorção em sílica gel ou por destilação. Esta mistura é então separada em xenônio e criptônio por destilação. Extrair um litro de xenônio da atmosfera requer 220 watts-hora de energia . Em 1998, a produção mundial de xenônio era de 5.000 a 7.000  m 3 ( ) . Devido à sua baixa concentração no ar, o xenônio é muito mais caro do que outros gases nobres mais leves. Em 1999, o preço de compra para pequenas quantidades rondava os 10  € / l , contra 1  € / l para o criptônio e 0,20  € / l para o néon. Esses preços permanecem muito modestos em comparação com o preço do hélio 3 .

Propriedades

Um átomo de xenônio é um átomo com núcleo de 54  prótons .

Em condições normais de temperatura e pressão , é um gás de densidade 5,761  kg · m -3 ( ) . No estado líquido, sua densidade pode chegar a 3.100  g · cm -3 , sendo o máximo atingido no ponto triplo .

Nas mesmas condições, sua densidade no estado sólido é de 3,640  g · cm -3 ( ) .

Sob vários gigapascais de pressão , o xenônio exibe um estado metálico .

Xenon faz parte da família dos gases nobres. Sua camada de valência estando completamente cheia, é inerte em relação à maioria das reações químicas .

No entanto, pode ser oxidado por oxidantes muito fortes e muitos compostos de xenônio podem ser sintetizados.

Quando o xenônio colocado em um tubo é excitado por choques elétricos, ele emite um brilho azul ou lilás. Suas linhas de emissão cobrem a faixa do visível , mas as linhas mais intensas estão no azul, o que explica essa coloração.

O xenônio líquido ou sólido pode ser produzido em temperatura ambiente implantando íons Xe + em uma matriz sólida. Muitos sólidos têm uma rede consistentemente menor do que o sólido Xe. Portanto, o xenônio implantado é comprimido a pressões que podem ser suficientes para se liquefazer ou solidificar.

Na natureza, pode-se encontrar 7  isótopos estáveis ​​(ou quase estáveis) de xenônio. Apenas o estanho possui um maior número de isótopos estáveis ​​(10), sendo o estanho e o xenônio os únicos dois elementos com mais de 7 isótopos estáveis. Os isótopos 124 Xe e 134 Xe deveriam teoricamente sofrer um decaimento β duplo, mas isso nunca foi observado. Um decaimento β duplo com emissão de dois antineutrinos (ββ2ν) foi observado para o isótopo 136 Xe pelo experimento EXO-200, que mediu uma meia-vida de 2,11 × 10 21  anos (mais de cem bilhões de vezes a idade do universo ) . Um decaimento de captura dupla de elétrons foi observado para o isótopo 124 Xe pelo experimento XENON com meia-vida de 1,8 × 10 22  anos.

Além desses 7 isótopos, mais de 40 isótopos instáveis ​​e isômeros nucleares foram estudados.

Um deles apresenta desafios específicos para a gestão de certos reatores nucleares (por exemplo, PWRs ). Nos reatores em questão, o xenônio 135 é produzido como filho do iodo 135, que se degrada após algumas horas para o xenônio 135 , que - neste contexto - é então rapidamente degradado pela absorção de nêutrons de fissão. Em tempos normais, a produção e a degradação são, portanto, equilibradas. Quando a potência do reator cai, ocorre uma queda na produção de nêutrons que, então, não são mais suficientes para a degradação do 135 Xe, que portanto continua a se acumular, produto da fissão das horas anteriores. Devido à sua enorme seção transversal de absorção térmica (da ordem de 3 milhões de celeiros ), amplifica a queda na energia nuclear. Dizemos então que há "  envenenamento por xenônio  " do reator.

Além disso, o xenônio pode penetrar em outros materiais, como o nitreto de titânio (um dos materiais usados ​​como matriz inerte para envolver o combustível no tipo de reatores Gas advanced reactor (ou GFR para gás refrigerado reator rápido )).

O estudo, modelagem e controle do "envenenamento" de um reator de xenônio e seus efeitos na distribuição dos fluxos de energia e potência constituem, portanto, uma questão importante para a indústria nuclear e gestão de acidentes.

Xenon como marcador de explosões ou acidentes nucleares

Exemplo: o caso de Fukushima (março de 2011)

Depois do sismo e mesmo antes da primeira despressurização voluntária do 1 r  do reactor, uma emissão de xon foi detectada o que indicou danos estruturais provável na parte nuclear das instalações.

Então, nos dias seguintes ao início do desastre de Fukushima , um aumento "recorde" no nível de xenônio 133 ( 133 Xe) no ar foi registrado no Japão e até a América do Norte (por cientistas americanos estudando a radioatividade no ar em os Estados Unidos como parte da rede para a detecção de possíveis testes nucleares). Esta foi a primeira indicação forte de uma perda de contenção do reator ou de criticidade em um reservatório de combustível irradiado .

Uma modelagem inversa das emissões de xenônio e césio (publicado emmarço de 2012) foi feito por uma equipe internacional. As suas bases de cálculo foram as quantidades (conhecidas) de combustíveis presentes nos núcleos do reator e na piscina em causa. Esses dados foram cruzados com dados meteorológicos e leituras de análise de xenônio feitas em várias dezenas de estações no Japão, América do Norte e outras regiões (a "nuvem" enriquecida com xenônio radioativo "alcançou a América do Norte em15 de março e na Europa 22 de Março " Então, um mês após o acidente (em meados de abril, este 133 Xe foi encontrado " bastante uniformemente distribuído nas latitudes médias do hemisfério norte e, mesmo pela primeira vez, também medido no hemisfério sul por uma estação Darwin na Austrália " ).

De acordo com essa modelagem, apoiada por medições de campo, as quantidades de xenônio radioativo liberadas no ar de 11 a 15 de março de 2011pela usina nuclear de Fukushima Daiichi eram muito altos: 15,3 (margem de incerteza: 12,2-18,3) EBq de acordo com Stohl & al, ou 16,7  ± 1,9  EBq ou 14,2  ± 0,8  EBq (de acordo com uma estimativa média) ou até mais ( 19,0  ± 3.4  EBq ) de acordo com outro método de cálculo). Isto é mais de duas vezes as descargas totais de xénon da Chernobil, enquanto que pelo contrário os césio 137 emissões provenientes dos reactores 4 danificadas em Fukushima correspondem apenas em quantidade para 43% daqueles estima pelo reactor n o  4 Chernobil. É também provavelmente a maior liberação de gás radioativo raro de toda a história. Isto é muito mais do que todo o xon contido e emitida pelas 4 reactores em dificuldade, em seguida, em fusão, o que é explicado pela produção de xénon por decaimento de iodo 133 em xénon 133 , especialmente parece. Na piscina reactor n o  4, uma vez que essas emissões imediatamente caíram várias ordens de magnitude quando a aspersão desse reservatório começou.

Uma grande parte do xenônio emitido foi para o Pacífico e os Estados Unidos, mas o Japão também foi afetado, e sua radioatividade deve ser adicionada à do iodo e do césio produzidos no Japão em abril deMaio de 2011sujeito a uma primeira avaliação retrospectiva oficial. Este xenônio foi capaz de contribuir para uma primeira exposição interna e externa dos japoneses.

Compostos

Apesar da estabilidade de seu invólucro eletrônico, foram preparados compostos de xenônio, todos com graus de oxidação II , IV , VI e até VIII .

Descoberta e abordagem teórica

Desde sua descoberta em 1898, a principal qualidade do xenônio tem sido sua inatividade química. No entanto, já em 1933 Linus Pauling propôs que KrF 6e XeF 6poderia ficar isolado, apesar de não ter conseguido. Mais tarde, DM Yost e AL Lake também tentaram sem sucesso, mas desta vez submetendo uma mistura de xenônio e difluor a choques elétricos.

O fato de o xenônio poder ter reatividade e existir entre algumas dezenas de compostos químicos por meio de ligações covalentes reais, o que não é o caso com outros gases nobres, é atribuído à polarizabilidade de sua procissão eletrônica. É 4,01  Å 3 (= 4,01 × 10 −24  cm 3 ); contra 2,46 para criptônio (que também tem alguns compostos covalentes); 0,62 para argônio; 0,39 para néon e 0,201 para hélio. A polarizabilidade expressa de certa forma o poder da procissão eletrônica de se deformar, uma propriedade essencial para entrar em combinação com outros átomos.

Fluoretos, óxidos e oxifluoretos de xenônio

A primeira molécula sintetizada foi o hexafluoroplatinato de xenônio preparado por Neil Bartlett em 1962 , como resultado do qual muitos outros compostos puderam ser preparados, como difluoreto de xenônio XeF 2 , tetrafluoreto de xenônio XeF 4 , hexafluoreto de xenônio XeF 6 , perxenato de sódio Na 4 XeO 6 * 8H 2 O, um oxidante forte, trióxido de xenônio XeO 3 , explosivo, bem como tetraóxido de xenônio XeO 4 . A maioria dos mais de 80 compostos de xenônio conhecidos em 2007 contém flúor ou oxigênio , como xenônio oxitetrafluoreto XeOF 4 ou xenônio dioxidifluoreto XeO 2 F 2 . Quando outros átomos estão ligados ao xenônio (especialmente hidrogênio ou carbono ), eles geralmente fazem parte de uma molécula contendo flúor ou oxigênio. Alguns compostos de xenônio são coloridos, mas a maioria é incolor.

Ligação carbono-xenônio

Os compostos de organoxenon podem conter Xe ( II ) ou Xe ( IV ).

Compostos iônicos de xenônio

Esses compostos podem se ionizar, removendo ou fixando um íon de flúor, o que dá acesso a uma química iônica do xenônio. Os seguintes íons são conhecidos: XeF + , derivado de XeF 2 mencionado acima; o íon linear FXeFXeF + , que pode ser considerado como a complexação de um íon fluoreto por dois íons XeF +  ; XeF 3+  ; XeF 5+ e XeF 82- nomear apenas as estruturas mais simples.

Finalmente, devemos notar a existência do cátion tetraxenon-ouro ( II ) AuXe 4 2+ caracterizado no complexo [AuXe 4 2+ ] (Sb 2 F 11 - ) 2 ( ) .

Compostos não fluorados

Em 1995, um grupo de pesquisadores da Universidade de Helsinque anunciou a síntese do xenônio diidrido (XeH 2 ) e, posteriormente, do xenônio hidroxidrido (HXeOH), hidroxenoacetileno (HXeCCH) e outras moléculas orgânicas contendo xenônio . Outros compostos também foram sintetizados, incluindo HXeOXeH, bem como moléculas deuteradas .

Clatratos de xenônio

Além de compostos nos quais o xenônio participa de ligações químicas, ele pode formar clatratos nos quais os átomos de xenônio ficam presos em uma estrutura cristalina formada por um composto químico como a água, por exemplo. Este é o caso, por exemplo, no hidrato de xenônio de fórmula Xe * 5.75H 2 O, em que os átomos de xenônio são aprisionados na rede cristalina formada por moléculas de água, bem como seu análogo deuterado Xe * 5, 75D 2 O ( ) . Esses clatratos podem se formar naturalmente sob alta pressão, como no Lago Vostok sob o gelo da Antártica . A formação de clatratos pode ser usada para separar o xenônio, o argônio e o criptônio por destilação fracionada . O átomo de xenônio também pode ficar preso dentro dos fulerenos . O átomo preso pode ser observado por NMR do 129 Xe. Essa técnica possibilita, então, o estudo das reações químicas envolvendo o fulereno, devido à grande sensibilidade do deslocamento químico do xenônio ao seu ambiente. No entanto, o próprio átomo de xenônio influencia a reatividade do fulereno.

Compostos transitórios

Quando os átomos de xenônio estão em seu estado de energia fundamental , eles se repelem e não podem formar ligações. No entanto, com uma entrada de energia, eles podem formar transitoriamente um dímero em um estado excitado ( excímero ) até que os elétrons se desexcitem e retornem ao estado fundamental. O dímero pode se formar porque os átomos de xenônio procuram preencher sua camada periférica de elétrons e podem fazer isso transitoriamente, "capturando" um dos elétrons do átomo de xenônio vizinho. A vida útil típica de um excímero de xenônio é de 1 a 5  nanossegundos , e a excitação é feita pela emissão de fótons de comprimentos de onda adjacentes a 150 e 173  nanômetros . Uma terceira questão, que é mais problemática quanto à sua origem, é o terceiro continuum. Parece que sua origem é um íon molecular Xe 2 + ( ) .

O xenônio também pode formar transitoriamente compostos diatômicos binários com outros elementos, incluindo bromo , cloro e flúor . Isso ocorre porque o xenônio excitado tem uma estrutura eletrônica semelhante à dos metais alcalinos . Portanto, faz sentido que ele reaja com os halogênios . Essas moléculas têm aplicações no campo dos lasers: citemos XeCl , KrF …

Usos

Embora o xenônio seja escasso e relativamente caro de extrair da atmosfera terrestre, ele é usado em muitas aplicações.

Ótico

Lâmpadas de descarga

O xenônio é usado em dispositivos emissores de luz na forma de um flash de luz, usado em flashes fotográficos ou estroboscópicos . Também é usado em lasers para excitar o meio amplificador que então gera o feixe coerente. O primeiro laser sólido feito em 1960 foi bombeado por uma lâmpada de xenônio, e assim são os lasers usados ​​para fusão nuclear .

As lâmpadas de descarga Xenon têm uma temperatura de cor próxima à do sol ao meio-dia e são utilizadas para simular em espreguiçadeiras (a cor dessas lâmpadas é semelhante à de um corpo negro a uma temperatura próxima à do Sol). Após sua introdução na década de 1940 , essas lâmpadas começaram a substituir as lâmpadas de arco de carbono de curta duração em projetores de cinema. Eles são normalmente empregados em sistemas de projeção de 35  mm e IMAX, bem como em outras aplicações especializadas. Essas lâmpadas de arco de xenônio são uma excelente fonte de radiação ultravioleta de comprimento de onda curto e também exibem alta intensidade de emissão no infravermelho próximo, que é usado em alguns equipamentos de visão noturna .

Lâmpadas de xenônio de alta pressão têm sido usadas desde a virada do milênio para faróis de automóveis . São lâmpadas de descarga que proporcionam uma iluminação potente com uma luz muito branca, ligeiramente azulada. Este tipo de farol permanece caro, pois requer uma fonte de alimentação de alta tensão e um sistema de servo em azimute para evitar que os motoristas brilhem na direção oposta.

As células em monitores de plasma usam uma mistura de xenônio e neon , ionizado como plasma por eletrodos. A interação desse plasma e dos eletrodos gera radiação ultravioleta, que por sua vez excita o revestimento contendo fósforo que forma o lado visível do sistema de exibição.

O xenônio é usado como um "gás inicial" em lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão . Na verdade, de todos os gases não radioativos raros, é o que tem a menor condutividade térmica e o primeiro potencial de ionização . Por ser inerte, não interfere nas reações químicas que ocorrem durante o funcionamento da lâmpada. A sua baixa condutividade térmica permite minimizar as perdas térmicas durante o funcionamento e o seu baixo potencial de ionização possibilita uma tensão de ruptura relativamente baixa para o gás frio, o que facilita a colocação da lâmpada em funcionamento.

Lasers

Em 1962, um grupo de pesquisadores da Bell Laboratories descobriu um efeito do laser no xenônio e, posteriormente, descobriu que o ganho de amplificação do laser aumentava com a adição de hélio ao meio ativo. O primeiro excimer laser usava um dímero (Xe 2 ) excitado por um feixe de elétrons e produzia uma emissão estimulada no ultravioleta em um comprimento de onda de 176  nm ( ) . O cloreto de xenônio e o fluoreto de xenônio também têm sido usados ​​em lasers excimer (ou mais precisamente exciplex ). O laser excimer de cloreto de xenônio tem sido usado, por exemplo, para aplicações em dermatologia . O fluoreto de xenônio permite a emissão a 354  nm , o cloreto de xenônio a 308  nm e o brometo de xenônio a 282  nm , enquanto o laser de fluoreto de criptônio emite a 248  nm no ultravioleta próximo.

Remédio

No campo da medicina, o xenônio pode ser usado em anestesia , mas também está envolvido em dispositivos de imagens médicas .

Anestesia

Apesar de seu preço, o xenônio pode ser usado em anestesia geral . No início de 2008, apenas 2 hospitais estavam equipados na França ( Nîmes e Bordeaux University Hospital ) para uso em anestesia geral por inalação . Atualmente, dois outros CHUs na França também estão em julgamento (CHU de Clermont-Ferrand e Poitiers). No entanto, não parece utilizável para pacientes frágeis no nível respiratório, pois só tem propriedades anestésicas em altas concentrações (maiores que 60%), o que limita o suprimento de oxigênio a 40% (insuficiente para alguns pacientes). É um método de anestesia com poucos efeitos colaterais (sem queda da pressão arterial , despertar mais rápido e retomar a consciência), mas esse gás é muito caro, o que limita seu uso por enquanto.

Dois mecanismos foram propostos para explicar seu efeito. O primeiro envolve a inibição da Ca 2+ ATPase na membrana plasmática sináptica (esta proteína torna possível o transporte de cálcio ). Acredita-se que essa inibição seja devida a uma mudança conformacional quando o xenônio se liga a locais não polares dentro da proteína. O segundo mecanismo possível envolve interações não específicas entre o anestésico e a camada lipídica .

O xenônio tem concentração alveolar mínima (CAM) de 71%, o que o torna um anestésico 50% mais poderoso que o óxido nitroso . Portanto, pode ser usado com oxigênio para limitar o risco de hipóxia . Ao contrário do óxido nitroso, o xenônio não é um gás de efeito estufa e não é considerado perigoso para o meio ambiente. No entanto, devido ao alto custo do xenônio, as aplicações exigirão um sistema fechado para que o xenônio possa ser reciclado e reutilizado após a filtração e purificação.

Imagens médicas

Duas técnicas muito diferentes envolvendo o xenônio são usadas em imagens médicas: o uso do radioisótopo 133 e o do xenônio hiperpolarizado.

Xenônio radioativo 133 Xe

A emissão gama do radioisótopo xenônio 133 pode ser usada em imagens do coração , pulmões ou cérebro , por meio de tomografia por emissão de fóton único . Este mesmo isótopo também foi usado para medir o fluxo sanguíneo.

Xenon hiperpolarizado

Os núcleos de dois dos isótopos estáveis ​​do xenônio, 129 Xe e 131 Xe, têm momento angular diferente de zero ( spin nuclear ). Quando eles são misturados com vapores de elementos alcalinos ou nitrogênio, e submetidos a um fluxo de laser circularmente polarizado de comprimento de onda correspondente a uma das linhas de absorção do álcali, seus spins nucleares podem ser alinhados por um processo de troca em que os elétrons de valência alcalinos são polarizados pelo fluxo do laser e transferem sua polarização para os núcleos de xenônio por acoplamento magnético hiperfino . Vapores alcalinos são tipicamente produzidas por aquecimento de rubídio de metal acima de 100  ° C . A polarização de spin dos núcleos de xenônio pode exceder 50% de seu valor máximo possível, que é muito maior do que o valor de equilíbrio previsto por uma distribuição de Boltzmann (normalmente 0,001% do valor máximo em temperatura ambiente). Esse estado temporário de desequilíbrio é chamado de hiperpolarização .

O núcleo 129 Xe tem um spin nuclear I = 1/2 e, portanto, não tem um momento quadrupolo elétrico. Portanto, não sofre interação quadrupolar durante as colisões com outros átomos, o que permite que a hiperpolarização seja retida por muito tempo, mesmo após o laser ter sido desligado e os vapores do álcali removidos. Removido por condensação em uma superfície à temperatura ambiente. O tempo necessário para uma distribuição de spin retornar à sua polarização de equilíbrio (definida pela estatística de Boltzmann) é o tempo de relaxação T 1 . No caso de xénon 129 , T 1 varia de poucos segundos para átomos de xenon dissolvidos no sangue, para algumas horas para xon gasoso, e mesmo para alguns dias para xénon sólido. A hiperpolarização do xenônio 129 torna sua detecção por ressonância magnética incrivelmente mais sensível. Assim, tornou-se possível fazer imagens de pulmões, o que não é fácil com outras técnicas, e outros tecidos. Tem sido usado, por exemplo, para visualizar fluxos de gás nos pulmões. Para poder observar seletivamente certas partes do corpo ou certas células, foram realizados estudos para o aprisionamento do xenônio em um ambiente específico para o alvo pretendido. Por exemplo, a gaiola pode ser uma emulsão lipídica para estudos neurológicos . Para servir como um bioreceptor, encaging com um cryptophane foi estudado.

Por outro lado, 131 Xe tem um spin nuclear I = 3/2 e um momento quadrupolo diferente de zero. Seu tempo de relaxamento varia de alguns milissegundos a alguns segundos.

Outros usos

O xenônio é usado em câmaras de bolhas , detectores e em campos onde seu alto peso molecular e inércia o tornam atraente.

O xenônio é usado na forma líquida como meio de detecção para WIMPs ( partículas massivas de interação fraca ). Quando tal partícula colide com um átomo de xenônio, ela deveria, em teoria, arrancar um elétron dele e causar cintilação . O uso do xenônio deve permitir distinguir essa interação de outros eventos semelhantes causados ​​por partículas, como os raios cósmicos . No entanto, a experiência Xenon realizada no laboratório nacional de Gran Sasso, na Itália, ainda não permitiu confirmar a existência de um WIMP. Mesmo que nenhum WIMP seja detectado, este experimento deve ajudar a avançar no conhecimento da matéria escura , bem como de outros modelos de física. O detector atualmente usado para este experimento é cinco vezes mais sensível do que qualquer outro instrumento no mundo, e sua sensibilidade ainda não foi melhorada em uma ordem de magnitude durante 2008 ( ) .

O xenônio é o combustível mais comumente usado para propulsão iônica em espaçonaves devido à sua baixa energia de ionização por unidade de massa atômica e a capacidade de armazená-lo na forma líquida em temperaturas próximas à temperatura ambiente (sob alta pressão) e facilmente devolvê-lo ao estado gasoso estado para alimentar o motor. A natureza inerte do xenônio o torna menos poluente e menos corrosivo para os motores iônicos do que outros combustíveis, como o mercúrio ou o césio . O xenônio foi usado pela primeira vez para motores de íons em satélites na década de 1970 ( ) . Foi então usado como propelente para o veículo espacial europeu Smart 1 e como combustível para os três motores iônicos da sonda americana Dawn .

Em química analítica , os perxenatos são usados ​​como oxidantes. O difluoreto de xenônio é utilizado para decapagem do silício , principalmente na produção de MEMS ( sistema microeletromecânico ). O fluorouracil , medicamento contra o câncer , pode ser obtido pela reação do difluoreto de xenônio com o uracil . O xenônio também é usado na difração para resolver a estrutura das proteínas . Sob uma pressão de 0,5 a 5  MPa , o xenônio liga-se preferencialmente às cavidades hidrofóbicas das proteínas e pode ser usado para recuperar a fase por um método de derivatização de átomos pesados.

Precauções, segurança

O xenônio não radioativo é popular como anestésico, e o 133 Xe radioativo tornou-se um agente valioso por alguns médicos e biólogos para estudos da função pulmonar e para fazer certos diagnósticos. Em ambos os casos, é importante que o paciente receba a dose prescrita pelo protocolo.

No entanto, o xenônio se dissolve rapidamente na maioria dos plásticos e borrachas . Pode, portanto, vazar gradualmente se as tampas dos recipientes forem feitas desses materiais. O xenônio pode, no entanto, ser armazenado com segurança sob condições normais de temperatura e pressão se estiver em recipientes de vidro ou metal lacrados.

Cuidado especial deve ser tomado com o armazenamento do 133 Xe, pois além de caro, é radioativo (meia-vida: 5,245 dias).

Produzido com urânio 235, do qual é um dos produtos da fissão , é fornecido em frascos de 2  ml contendo 370 ou 740  megabecquerels (10 ou 20  milicuries ) de xenônio 133 .

No momento da calibração, o gás preparado não continha mais do que 0,3% de xenônio 133m  ; não mais do que 1,5% xenon 131m  ; não mais de 0,06% de criptônio 85 e não mais de 0,01% de iodo 131 com não menos de 99,9% da radioatividade proveniente do radioxenônio conhecido por se comportar no corpo como xenônio não radioativo. Esta composição mudará com o tempo ( cf. decaimento radioativo e então possíveis vazamentos, após despejar no recipiente experimental).

Por exemplo, os frascos de “injeção múltipla” 133 Xe usados ​​nos anos 1960 e no início dos anos 1970 perderam 5 a 6% de seu xenônio por dia (mesmo quando armazenados fechados). Este tipo de vazamento pode ser reduzido em 70 a 80% pelo frio. Da mesma forma, uma seringa de plástico contendo uma solução de xenônio perde espontaneamente ½ a 1% de seu conteúdo por hora. Também foi demonstrado que o xenônio, que é relativamente moderadamente solúvel em soluções salinas, pode ser liberado de uma solução e se infiltrar na vedação de borracha do êmbolo desta seringa. Uma seringa de 2,5  cm 3 contendo 0,5  ml de uma solução de xenônio pode perder até 50% de seu xenônio em 2 horas.

O sistema de fornecimento de inalação de gás xenônio 133 (como respiradores ou espirômetros ) e os conjuntos de tubos associados devem ser selados para evitar a liberação de radioatividade no ambiente (que deve ser protegido por um sistema de ventilação). / Filtração adequada).

Ao contrário de outros gases nobres, o xenônio não é inerte.

Embora não seja considerado realmente tóxico em seu estado puro, ele se dissolve facilmente no sangue e é uma das substâncias que podem atravessar a barreira hematoencefálica . A partir de uma certa dose, causa anestesia parcial (ou total se inalada em uma dose maior). Além de uma certa dose, é asfixiante.

Por outro lado, os compostos de xenônio são tóxicos e, em muitos casos, explosivos devido ao seu acentuado poder oxidante e à tendência de separar o dióxido do xenônio.

Notas e referências

Notas

  1. (in) Esta seção é parcialmente resultado do artigo em inglês intitulado "  Xenon  " ( ver lista de autores ).

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Veja também

Bibliografia

links externos


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