Xenón - Xenon
 Un tubo de descarga lleno de xenón brillando en azul claro
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| Xenón | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Pronunciación | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Apariencia | gas incoloro, que exhibe un brillo azul cuando se coloca en un campo eléctrico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Peso atómico estándar A r, std (Xe) | 131.293 (6) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Xenón en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Número atómico ( Z ) | 54 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo | grupo 18 (gases nobles) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Período | período 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Cuadra | bloque p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuración electronica | [ Kr ] 4d 10 5s 2 5p 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electrones por capa | 2, 8, 18, 18, 8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fase en STP | gas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de fusion | 161,40 K (−111,75 ° C, −169,15 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de ebullición | 165.051 K (−108.099 ° C, −162.578 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Densidad (en STP) | 5.894 g / L | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| cuando líquido (en bp ) | 2,942 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Triple punto | 161,405 K, 81,77 kPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto crítico | 289,733 K, 5,842 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de fusión | 2,27 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de vaporización | 12,64 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidad calorífica molar | 21,01 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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| Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación | 0 , +2, +4, +6, +8 (rara vez más de 0; unóxidodébilmenteácido ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | Escala de Pauling: 2.6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energías de ionización | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | 140 ± 9 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio de Van der Waals | 216 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | cúbico centrado en la cara (fcc) |
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| Velocidad del sonido | gas: 178 m · s −1 líquido: 1090 m / s |
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| Conductividad térmica | 5,65 × 10 −3 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Orden magnético | diamagnético | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Susceptibilidad magnética molar | −43,9 × 10 −6 cm 3 / mol (298 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Número CAS | 7440-63-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Descubrimiento y primer aislamiento | William Ramsay y Morris Travers (1898) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isótopos principales del xenón | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El xenón es un elemento químico con el símbolo Xe y el número atómico 54. Es un gas noble incoloro, denso e inodoro que se encuentra en la atmósfera de la Tierra en pequeñas cantidades. Aunque generalmente no es reactivo, el xenón puede sufrir algunas reacciones químicas , como la formación de hexafluoroplatinato de xenón , el primer compuesto de gas noble que se sintetiza.
El xenón se utiliza en lámparas de destellos y de arco , y como anestésico general . El primer diseño de láser excimer utilizó una molécula de dímero de xenón (Xe 2 ) como medio láser , y los primeros diseños de láser utilizaron lámparas de destello de xenón como bombas . El xenón se utiliza para buscar partículas masivas hipotéticas que interactúan débilmente y como propulsor de propulsores de iones en naves espaciales.
El xenón natural consta de siete isótopos estables y dos isótopos radiactivos de larga duración. Más de 40 isótopos de xenón inestables sufren desintegración radiactiva , y las proporciones de isótopos de xenón son una herramienta importante para estudiar la historia temprana del Sistema Solar . El xenón-135 radiactivo se produce por desintegración beta del yodo-135 (un producto de la fisión nuclear ) y es el absorbente de neutrones más importante (y no deseado) en los reactores nucleares .
Historia
El xenón fue descubierto en Inglaterra por el químico escocés William Ramsay y el químico inglés Morris Travers en septiembre de 1898, poco después de su descubrimiento de los elementos criptón y neón . Encontraron xenón en el residuo sobrante de la evaporación de componentes del aire líquido . Ramsay sugirió el nombre de xenón para este gas del griego palabra ξένον xénon , neutro forma singular de ξένος Xenos , que significa 'extranjero (er)', 'extraño (r)', o 'invitado'. En 1902, Ramsay estimó que la proporción de xenón en la atmósfera terrestre era de una parte en 20 millones.
Durante la década de 1930, el ingeniero estadounidense Harold Edgerton comenzó a explorar la tecnología de luz estroboscópica para 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.
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, quien experimentó con ratones. El xenón se utilizó por primera vez como anestésico quirúrgico en 1951 por el anestesiólogo estadounidense Stuart C. Cullen, quien lo utilizó con éxito en dos pacientes.
Durante mucho tiempo, se consideró que el xenón y los demás gases nobles eran completamente inertes químicamente y no podían formar compuestos . Sin embargo, mientras enseñaba en la Universidad de British Columbia , Neil Bartlett descubrió que el gas hexafluoruro de platino (PtF 6 ) era un poderoso agente oxidante que podía oxidar el oxígeno gaseoso (O 2 ) para formar dioxigenil hexafluoroplatinato ( O+
2[PtF
6]-
). Dado que el O 2 (1165 kJ / mol) y el xenón (1170 kJ / mol) tienen casi el mismo potencial de primera ionización , Bartlett se dio cuenta de que el hexafluoruro de platino también podría oxidar el xenón. El 23 de marzo de 1962, mezcló los dos gases y produjo el primer compuesto conocido de un gas noble, el hexafluoroplatinato de xenón .
Bartlett pensó que su composición era Xe + [PtF 6 ] - , pero un trabajo posterior reveló que probablemente era una mezcla de varias sales que contienen xenón. Desde entonces, se han descubierto muchos otros compuestos de xenón, además de algunos compuestos de los gases nobles argón , criptón y radón , incluidos el fluorohidruro de argón (HArF), el difluoruro de criptón (KrF 2 ) y el fluoruro de radón . En 1971, se conocían más de 80 compuestos de xenón.
En noviembre de 1989, los científicos de IBM demostraron una tecnología capaz de manipular átomos individuales . El programa, llamado IBM en átomos , utilizó un microscopio de túnel de barrido para colocar 35 átomos de xenón individuales en un sustrato de cristal frío de níquel para deletrear el inicialismo de la compañía de tres letras. Fue la primera vez que los átomos se colocaron con precisión sobre una superficie plana.
Caracteristicas
El xenón tiene un 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 . Como líquido, el xenón tiene una densidad de hasta 3.100 g / mL, y la densidad máxima se produce en el punto triple. El xenón líquido tiene una alta polarización debido a su gran volumen atómico y, por lo tanto, es un excelente disolvente. Puede disolver hidrocarburos, moléculas biológicas e incluso agua. En las mismas condiciones, la densidad del xenón sólido, 3.640 g / cm 3 , es mayor que la densidad promedio del granito , 2.75 g / cm 3 . Bajo gigapascales de presión , el xenón forma una fase metálica.
El xenón sólido cambia de una fase cristalina cúbica centrada en la cara (fcc) a una fase cristalina hexagonal compacta (hcp) bajo presión y comienza a volverse metálico a aproximadamente 140 GPa, sin cambios de volumen perceptibles en la fase hcp. Es completamente metálico a 155 GPa. 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.
Las nanopartículas de xenón líquidas o sólidas se pueden formar a temperatura ambiente mediante la implantación de iones Xe + en una matriz sólida. Muchos sólidos tienen constantes de celosía más pequeñas que el sólido Xe. Esto da como resultado la compresión del Xe implantado a presiones que pueden ser suficientes para su licuefacción o solidificación.
El xenón es un miembro de los elementos de valencia cero que se denominan gases nobles o inertes . Es inerte a las reacciones químicas más comunes (como la combustión, por ejemplo) porque la capa de valencia exterior contiene ocho electrones. Esto produce una configuración de energía mínima estable en la que los electrones externos están estrechamente unidos.
En un tubo lleno de gas , el xenón emite un brillo azul o lavanda cuando se excita con una descarga eléctrica . El xenón emite una banda de líneas de emisión que abarcan el espectro visual, pero las líneas más intensas ocurren en la región de la luz azul, produciendo la coloración.
Ocurrencia y producción
El xenón es un gas traza en la atmósfera de la Tierra , que se produce en87 ± 1 nL / L ( partes por mil millones ), o aproximadamente 1 parte por 11,5 millones. También se encuentra como componente de los gases emitidos por algunos manantiales minerales .
El xenón se obtiene comercialmente como un subproducto de la separación del aire en oxígeno y nitrógeno . Después de esta separación, generalmente realizada por destilación fraccionada en una planta de doble columna, el oxígeno líquido producido contendrá pequeñas cantidades de criptón y xenón. Mediante destilación fraccionada adicional, el oxígeno líquido puede enriquecerse para contener entre un 0,1 y un 0,2% de una mezcla de criptón / xenón, que se extrae por absorción en gel de sílice o por destilación. Finalmente, la mezcla de criptón / xenón se puede separar en criptón y xenón mediante destilación adicional.
La producción mundial de xenón en 1998 se estimó en 5.000–7.000 m 3 . 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 de 10 € / L para el xenón, 1 € / L para el criptón y 0,20 € / L para el neón. , mientras que el argón, mucho más abundante, cuesta menos de un centavo por litro. Los costos equivalentes por kilogramo de xenón se calculan multiplicando el costo por litro por 174.
Dentro del Sistema Solar, la fracción de nucleón del xenón es 1.56 × 10 −8 , para una abundancia de aproximadamente una parte en 630 mil de la masa total. El xenón es relativamente raro en la atmósfera del Sol , en la Tierra y en asteroides y cometas . La abundancia de xenón en la atmósfera del planeta Júpiter es inusualmente alta, alrededor de 2,6 veces la del Sol. Esta abundancia permanece sin explicación, pero puede haber sido causada por una acumulación temprana y rápida de planetesimales —pequeños cuerpos subplanetarios— antes del calentamiento del disco presolar . (De lo contrario, el xenón no habría quedado atrapado en los hielos planetesimales.) El problema del bajo nivel de xenón terrestre puede explicarse por la unión covalente del xenón al oxígeno dentro del cuarzo , lo que reduce la desgasificación del xenón a la atmósfera.
A diferencia de los gases nobles de menor masa, el proceso normal de nucleosíntesis estelar dentro de una estrella no forma xenón. Los elementos más masivos que el hierro-56 consumen energía a través de la fusión, y la síntesis de xenón no representa una ganancia de energía para una estrella. En cambio, el xenón se forma durante las explosiones de supernovas , en las clásicas explosiones de novas , 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 , y por desintegración radiactiva, por ejemplo. por desintegración beta del yodo-129 extinto y fisión espontánea de torio , uranio y plutonio .
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 desintegración beta doble , pero esto nunca se ha observado, por lo que se consideran estables. Además, se han estudiado más de 40 isótopos inestables. El más longevo de estos isótopos es el 124 Xe primordial , que sufre una captura de electrones doble con una vida media de 1,8 × 10 22 años , y el 136 Xe, que sufre una desintegración beta doble con una vida media de 2,11 × 10 21 años . El 129 Xe es producido 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 , y se utilizan para detectar y monitorear explosiones nucleares.
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 resonancia magnética nuclear ). Los espines nucleares se pueden alinear más allá de los niveles de polarización ordinarios por medio de luz polarizada circularmente y vapor de rubidio . La polarización de espín resultante de los núcleos de xenón puede superar el 50% de su valor máximo posible, superando en gran medida 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 ). Tal alineación de espines fuera de equilibrio es una condición temporal y se llama hiperpolarización . El proceso de hiperpolarización del xenón se denomina bombeo óptico (aunque el proceso es diferente al bombeo de un láser ).
Debido a que un núcleo 129 Xe tiene un espín de 1/2 y, por lo tanto, un momento cuadrupolo eléctrico cero , el núcleo 129 Xe no experimenta ninguna interacción cuadrupolar durante las colisiones con otros átomos, y la hiperpolarización persiste durante largos períodos incluso después de que la luz engendra y Se han eliminado los vapores. La polarización de espín de 129 Xe puede persistir desde varios segundos para los átomos de xenón disueltos en la sangre hasta varias horas en la fase gaseosa y varios días en el xenón sólido profundamente congelado. Por el contrario, 131 Xe tiene un valor de espín nuclear de 3 ⁄ 2 y un momento de cuadrupolo distinto de cero , y tiene tiempos de relajación t 1 en los rangos de milisegundos y segundos .
Algunos isótopos radiactivos del xenón (por ejemplo, 133 Xe y 135 Xe) se producen por irradiación con neutrones de material fisionable dentro de los reactores nucleares . 135 Xe tiene una importancia considerable en el funcionamiento de los reactores de fisión nuclear . 135 Xe tiene una sección transversal enorme para neutrones térmicos , 2,6 × 10 6 graneros , 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 fue descubierto 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 pasan a la fisión de otros átomos del combustible nuclear ). El envenenamiento del reactor 135 Xe fue un factor importante en el desastre de Chernobyl . Una parada o disminución de la potencia de un reactor puede resultar en la acumulación de 135 Xe, con la operación del reactor entrando en una condición conocida como pozo de yodo .
En condiciones adversas, concentraciones relativamente altas de isótopos de xenón radiactivo pueden emanar de barras de combustible agrietadas o de la fisión del uranio en el agua de refrigeración .
Debido a que el xenón es un trazador de dos isótopos progenitores, las proporciones de isótopos de xenón en los meteoritos son una herramienta poderosa 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 sobreabundancia de xenón-129. Infirió 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.
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 pasado un corto tiempo entre la supernova y el momento en que los meteoritos se solidificaron y atraparon al 129 I. Estos dos eventos (supernova y solidificación de la nube de gas) se infirió que sucedió 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.
De manera similar, las relaciones 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. Por ejemplo, la atmósfera de Marte muestra una abundancia de xenón similar a la de la Tierra (0,08 partes por millón) pero Marte muestra una abundancia de 129 Xe mayor que la Tierra o el Sol. Dado que este isótopo se genera por desintegración radiactiva, el resultado puede indicar que Marte perdió la mayor parte de su atmósfera primordial, posiblemente dentro de los primeros 100 millones de años después de la formación del planeta. En otro ejemplo, se cree que el exceso de 129 Xe que se encuentra en los gases de pozo 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.
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 flúor u oxígeno. La química del xenón en cada estado de oxidación es análoga a la del elemento vecino yodo en el estado de oxidación inmediatamente inferior.
Haluros
Se conocen tres fluoruros : XeF
2, XeF
4y XeF
6. Se teoriza que XeF es inestable. Estos son los puntos de partida para la síntesis de casi todos los compuestos de xenón.
El difluoruro cristalino sólido XeF
2se forma cuando una mezcla de flúor y gases de xenón se expone a la luz ultravioleta. El componente ultravioleta de la luz del día normal es suficiente. Calentamiento prolongado de XeF
2a altas temperaturas bajo NiF
2catalizador produce XeF
6. Pirólisis de XeF
6en presencia de NaF produce alta pureza XeF
4.
Los fluoruros de xenón se comportan como aceptores y donantes de fluoruro, formando sales que contienen cationes como XeF.+
y Xe
2F+
3y aniones como XeF-
5, XeF-
7y XeF2−
8. El verde, paramagnético Xe+
2está formado por la reducción de XeF
2 por gas xenón.
XeF
2también forma complejos de coordinación con iones de metales de transición. Se han sintetizado y caracterizado más de 30 de estos complejos.
Mientras que los fluoruros de xenón están bien caracterizados, con la excepción del dicloruro XeCl 2 y XeCl 4 , los otros haluros no se conocen. Se informa que el dicloruro de xenón, formado por la irradiación de alta frecuencia de una mezcla de xenón, flúor y silicio o tetracloruro de carbono , es un compuesto cristalino, incoloro y endotérmico que se descompone en los elementos a 80 ° C. Sin embargo, XeCl
2puede ser simplemente una molécula de van der Waals de átomos Xe débilmente unidos y Cl
2moléculas y no un compuesto real. Los cálculos teóricos indican que la molécula lineal XeCl
2es menos estable que el complejo de van der Waals. El tetracloruro de xenón es más inestable que no puede sintetizarse por reacción química. Fue creado por radioactivo 129
ICl-
4 decaer.
Óxidos y oxohaluros
Se conocen tres óxidos de xenón: trióxido de xenón ( XeO
3) y tetróxido de xenón ( XeO
4), ambos peligrosamente explosivos y poderosos agentes oxidantes, y el dióxido de xenón (XeO 2 ), que se informó en 2011 con un número de coordinación de cuatro. El XeO 2 se forma cuando se vierte tetrafluoruro de xenón sobre hielo. Su estructura cristalina puede permitirle reemplazar el silicio en minerales de silicato. El catión XeOO + ha sido identificado por espectroscopia infrarroja en argón sólido .
El xenón no reacciona directamente con el oxígeno; el trióxido se forma por hidrólisis de XeF
6:
-
XeF
6+ 3 H
2O → XeO
3 + 6 HF
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.
El perxenato de bario, cuando se trata con ácido sulfúrico concentrado , produce tetróxido de xenón gaseoso:
-
Licenciado en Letras
2XeO
6+ 2 H
2ASI QUE
4→ 2 BaSO
4+ 2 H
2O + XeO
4
Para evitar la descomposición, el tetróxido de xenón así formado se enfría rápidamente a un sólido de color amarillo pálido. Explota por encima de -35,9 ° C en xenón y gas 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 OF
2con 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. XeOF
4está formado por la hidrólisis parcial de XeF
6, o la reacción de XeF
6con perxenato de sodio, Na
4XeO
6. La última reacción también produce una pequeña cantidad de XeO
3F
2. XeOF
4reacciona con CsF para formar el XeOF-
5anión, mientras que XeOF 3 reacciona con los fluoruros de metales alcalinos KF , RbF y CsF para formar el XeOF-
4 anión.
Otros compuestos
El xenón se puede unir directamente a un elemento menos electronegativo que el flúor o el oxígeno, particularmente el carbono . Los grupos sustractores de electrones, como los grupos con sustitución de flúor, son necesarios para estabilizar estos compuestos. Se han caracterizado numerosos compuestos de este tipo, que incluyen:
-
C
6F
5–Xe+
–N≡C – CH
3, donde C 6 F 5 es el grupo pentafluorofenilo. - [C
6F
5]
2Xe - C
6F
5–Xe – C≡N - C
6F
5–Xe – F - C
6F
5–Xe – Cl - C
2F
5–C≡C – Xe+ - [CH
3]
3C – C≡C – Xe+ - C
6F
5–XeF+
2 - (C
6F
5Xe)
2Cl+
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
2BF
4, a -100 ° C.
Un ion inusual que contiene xenón es el catión tetraxenonogold (II) , AuXe2+
4, que contiene enlaces Xe-Au. 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 un ligando de metal de transición.
El compuesto Xe
2Sb
2F
11contiene un enlace Xe – Xe, el enlace elemento-elemento más largo conocido (308,71 pm = 3,0871 Å ).
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 hidróxido de hidruro de xenón (HXeOH), hidroxenoacetileno (HXeCCH) y otros compuestos que contienen Xe. moléculas. En 2008, Khriachtchev et al. informaron de la preparación de HXeOXeH por fotólisis de agua dentro de una matriz de xenón criogénica . También se han producido moléculas deuteradas , HXeOD y DXeOH.
Clatratos y excímeros
Además de los compuestos en los que el xenón forma un enlace químico , el xenón puede formar clatratos, sustancias en las que los átomos o pares de xenón quedan atrapados en la red cristalina de otro compuesto. Un ejemplo es el hidrato de xenón (Xe · 5+3 ⁄ 4 H 2 O), donde los átomos de xenón ocupan vacantes en una red de moléculas de agua. Este clatrato tiene un punto de fusión de 24 ° C. El deuterado versión de este hidrato también se ha producido. 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 . Dichos hidratos de clatrato pueden producirse de forma natural en condiciones de alta presión, como en el lago Vostok, debajo de la capa de hielo dela Antártida . La formación de clatrato se puede utilizar para destilar fraccionadamente xenón, argón y criptón.
El xenón también puede formar compuestos de fullereno endoédrico , donde un átomo de xenón queda atrapado dentro de una molécula de fullereno . El átomo de xenón atrapado en el fullereno se puede observar mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) de 129 Xe . Mediante el sensible desplazamiento químico del átomo de xenón a su entorno, se pueden analizar las reacciones químicas en la molécula de fullereno. Sin embargo, estas observaciones no están exentas de salvedad, porque el átomo de xenón tiene una influencia electrónica sobre la reactividad del fullereno.
Cuando los átomos de xenón están en el estado de energía fundamental , se repelen entre sí y no formarán un enlace. Sin embargo, cuando los átomos de xenón se energizan, pueden formar un excímero (dímero excitado) hasta que los electrones regresan al estado fundamental . Esta entidad se forma porque el átomo de xenón tiende a completar la capa electrónica más externa 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 . El xenón también puede formar excímeros con otros elementos, como los halógenos , bromo , cloro y flúor .
Aplicaciones
Aunque el xenón es raro y relativamente caro de extraer de la atmósfera terrestre , tiene varias aplicaciones.
Iluminación y óptica
Lámparas de descarga de gas
El xenón se utiliza en dispositivos emisores de luz llamados lámparas de flash de xenón, que se utilizan en flashes fotográficos y lámparas estroboscópicas; para excitar el medio activo en láseres que luego generan luz coherente ; y, ocasionalmente, en lámparas bactericidas . El primer láser de estado sólido , inventado en 1960, fue bombeado por una lámpara de destello de xenón, y los láseres utilizados para alimentar la fusión por confinamiento inercial también son bombeados por lámparas de destello de xenón.
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 solar 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 menor duración en los proyectores de películas. También se emplean en sistemas típicos de proyección de películas digitales , IMAX y de 35 mm . Son una excelente fuente de radiación ultravioleta de longitud de onda corta y tienen 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 halogenuros metálicos para faros de automóviles y linternas "tácticas" de alta gama .
Las celdas individuales en una pantalla de plasma contienen una mezcla de xenón y neón ionizado con electrodos . La interacción de este plasma con los electrodos genera fotones ultravioleta , que luego excitan la capa de fósforo en la parte frontal de la pantalla.
El xenón se utiliza como "gas de arranque" en lámparas de sodio de alta presión . Tiene la conductividad térmica más baja y el potencial de ionización más bajo de todos los gases nobles no radiactivos. Como gas noble, no interfiere con las reacciones químicas que ocurren en la lámpara operativa. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara mientras está en el estado operativo, 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.
Láseres
En 1962, un grupo de investigadores de Bell Laboratories descubrió la acción del láser en el xenón y más tarde descubrió que la ganancia del láser mejoraba al agregar helio al medio láser. El primer láser excímero 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 . El cloruro de xenón y el fluoruro de xenón también se han utilizado en láseres excímeros (o, más exactamente, exciplex).
Médico
Anestesia
El xenón se ha utilizado como anestésico general , pero es más caro que los anestésicos convencionales.
El xenón interactúa con muchos receptores y canales iónicos diferentes y, como muchos anestésicos de inhalación teóricamente multimodales, estas interacciones son probablemente complementarias. El xenón es un antagonista del receptor de NMDA de sitio de glicina de alta afinidad . 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), mientras que en realidad produce efectos neuroprotectores . A diferencia de la ketamina y el óxido nitroso, el xenón no estimula la salida de dopamina en el núcleo accumbens .
Al igual que el óxido nitroso y el ciclopropano , el xenón activa el canal de potasio del dominio de dos poros TREK-1 . Un canal relacionado TASK-3 también implicado en las acciones de los anestésicos por inhalación es insensible al xenón. El xenón inhibe los receptores nicotínicos de acetilcolina α4β2 que contribuyen a la analgesia mediada por la columna vertebral. 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 hidrófobo dentro de la enzima y evitar que la enzima adopte conformaciones activas.
El xenón es un inhibidor competitivo de la serotonina 5-HT 3 receptor . Si bien no es anestésico ni antinociceptivo, reduce las náuseas y los vómitos emergentes de la anestesia.
El xenón tiene una concentración alveolar mínima (MAC) del 72% a los 40 años, lo que lo hace un 44% más potente que el N 2 O como anestésico. Por 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 . Aunque se recicla en los sistemas modernos, el xenón que se ventila a la atmósfera solo regresa a su fuente original, sin impacto ambiental.
Neuroprotector
El xenón induce una cardioprotección y una neuroprotección sólidas 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 . El xenón es un antagonista de alta afinidad en el sitio de glicina del receptor de NMDA. El xenón es cardioprotector en condiciones de isquemia-reperfusión al inducir un preacondicionamiento farmacológico no isquémico. El xenón es cardioprotector al activar PKC-epsilon y p38-MAPK en sentido descendente. El xenón imita el preacondicionamiento isquémico neuronal activando los canales de potasio sensibles al ATP. El xenón reduce alostéricamente la inhibición de la activación del canal mediada por ATP independientemente de la subunidad del receptor 1 de sulfonilurea, lo que aumenta el tiempo y la frecuencia del canal abierto de KATP.
Dopaje deportivo
La inhalación de una mezcla de xenón / oxígeno activa la producción del factor de transcripción HIF-1-alfa , que puede conducir a una mayor producción de eritropoyetina . Se sabe que esta última hormona aumenta la producción de glóbulos rojos y el rendimiento deportivo. Según se informa, el dopaje con inhalación de xenón se ha utilizado en Rusia desde 2004 y quizás antes. El 31 de agosto de 2014, la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) agregó el xenón (y el argón ) a la lista de sustancias y métodos prohibidos, aunque aún no se han desarrollado pruebas de dopaje confiables para estos gases. Además, hasta ahora no se han demostrado los efectos del xenón sobre la producción de eritropoyetina en humanos.
Imagen
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 .
El xenón, en particular el 129 Xe hiperpolarizado , es un agente de contraste útil para la formación de imágenes por resonancia magnética (IRM). En la fase gaseosa, puede obtener imágenes de cavidades en una muestra porosa, alvéolos en los pulmones o el flujo de gases dentro de los pulmones. Debido a que el xenón es soluble tanto en agua como en solventes hidrófobos, puede formar imágenes de varios tejidos vivos blandos.
Actualmente, el xenón-129 se utiliza como agente de visualización en exploraciones de 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 es seguro inhalarlo sin efectos adversos.
Cirugía
El láser excimer de cloruro de xenón tiene ciertos usos dermatológicos.
Espectroscopia de RMN
Debido a la capa de electrones externa 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 pueden distinguirse por RMN.
Los químicos de superficies pueden utilizar xenón hiperpolarizado . Normalmente, es difícil caracterizar superficies con RMN porque las señales de una superficie son 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 pueden polarizarse selectivamente transfiriéndoles la polarización de espín desde el gas xenón hiperpolarizado. Esto hace que las señales de la superficie sean lo suficientemente fuertes como para medir y distinguir de las señales masivas.
Otro
En los estudios de energía nuclear , el xenón se utiliza en cámaras de burbujas , 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 se controlan para garantizar el cumplimiento de los tratados de prohibición de ensayos nucleares y para confirmar ensayos nucleares por parte de estados como Corea del Norte .
El xenón líquido se utiliza en calorímetros para medir rayos gamma y como detector de partículas masivas hipotéticas que interactúan débilmente , o WIMP. Cuando un WIMP choca con un núcleo de xenón, la teoría predice que impartirá suficiente energía para causar ionización y centelleo . El xenón líquido es útil para estos experimentos porque su densidad hace que la interacción con la materia oscura sea más probable y permite un detector silencioso a través del auto-blindaje.
El xenón es el propulsor preferido para la propulsión iónica de naves espaciales porque tiene un bajo potencial de ionización por peso atómico y puede almacenarse como líquido casi a temperatura ambiente (a 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 para motores de iones satelitales durante la década de 1970. Más tarde se empleó como propulsor para la sonda Deep Space 1 del JPL , la nave espacial SMART-1 de Europa y para los tres motores de propulsión de iones de la nave espacial Dawn de la NASA .
Químicamente, los compuestos de perxenato se utilizan como agentes oxidantes en química analítica . El difluoruro de xenón se utiliza como grabador de silicio , particularmente en la producción de sistemas microelectromecánicos (MEMS). El fármaco contra el cáncer 5-fluorouracilo se puede producir haciendo reaccionar difluoruro de xenón con uracilo . 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 átomos pesados isomorfo de alta calidad que puede usarse para resolver el problema de fase .
Precauciones
| Riesgos | |
|---|---|
| NFPA 704 (diamante de fuego) | |
Debido a que son fuertemente oxidantes , muchos compuestos de oxígeno- xenón son tóxicos; también son explosivos (altamente exotérmicos ) y se descomponen en xenón elemental y oxígeno diatómico (O 2 ) con enlaces químicos mucho más fuertes que los compuestos de xenón.
El gas xenón se puede mantener 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 caucho, y escapará gradualmente de un recipiente sellado con dichos materiales. El xenón no es tóxico , aunque se disuelve en la sangre y pertenece a un grupo selecto de sustancias que penetran la barrera hematoencefálica , provocando una anestesia quirúrgica de leve a total cuando se inhala en altas concentraciones con oxígeno.
La velocidad del sonido en el gas xenón (169 m / s) es menor que en el aire 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 mejorados de baja frecuencia, pero la frecuencia fundamental o el tono no cambia), un efecto opuesto a la voz de tonos altos producida en helio . Específicamente, cuando el tracto vocal está lleno de gas xenón, su frecuencia de resonancia natural se vuelve más baja que cuando está lleno de aire. Así, se potenciarían las bajas frecuencias de la onda sonora producida por la misma vibración directa de las cuerdas vocales , dando como resultado un cambio del timbre del sonido amplificado por el tracto vocal. Como el helio, el xenón no satisface la necesidad de oxígeno del cuerpo y es a la vez un simple asfixiante y un anestésico más poderoso que el óxido nitroso; en consecuencia, y debido a que el xenón es caro, muchas universidades han prohibido el truco de la voz como demostración de química general. El hexafluoruro de azufre gaseoso es similar al xenón en peso molecular (146 frente a 131), menos costoso y, aunque asfixiante, no es tóxico ni anestésico; a menudo se sustituye en estas demostraciones.
Los gases densos como el xenón y el hexafluoruro de azufre se pueden respirar de forma segura cuando se mezclan con al menos un 20% de oxígeno. El xenón a una concentración del 80% junto con el 20% de oxígeno produce rápidamente la inconsciencia de la anestesia general (y se ha utilizado para esto, como se discutió anteriormente). La respiración mezcla gases de diferentes densidades de manera muy 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. 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 usa en cantidades lo suficientemente grandes como para que esto sea una preocupación, aunque existe la posibilidad de peligro cada vez que un tanque o contenedor de xenón se mantiene en un espacio sin ventilación.