Ksenon

Ksenon, Xe sembolü ile gösterilen 54 atom numaralı kimyasal elementtir. Renksiz, ağır, kokusuz bir soy gaz olan ksenon Dünya atmosferinde eser miktarda bulunur. Genellikle reaktif olmayan element, sentezlenen ilk soy gaz bileşiği olan ksenon heksafloroplatinatın oluşumu gibi birkaç kimyasal reaksiyona maruz kalabilir.

Ksenonun tabiattaki varoluşu dokuz kararlı izotoptan ibarettir. Ayrıca kırkın üzerinde radyoaktif bozunuma uğrayan kararsız izotop bulunur. Ksenonun izotop oranları Güneş Sistemi'nin ilk tarihinin araştırılmasında önemli bir araçtır. Ksenon-135 nükleer fisyonun sonucu olarak açığa çıkar ve nükleer reaktörlerde nötron soğurucu görevini yapar.

Ksenon flaş lambalarında ve ark lambalarında kullanılır, ve tıpta genel anestezik olarak kullanılır. İlk excimer lazer modelin lazer aktif ortamında ksenon dimer molekülü (Xe2) ve ilk lazer modellerinde de pompa olarak ksenon flaş lamba kullanıldı. Ksenon ayrıca kuramsal zayıf etkileşimli ağır parçacıkların (WIMP) araştırılmasında ve uzay gemilerindeki iyon iticilerde kullanılır.

Ksenon 12 Temmuz 1898'de William Ramsay ve Morris Travers tarafından yine kendi keşifleri olan kripton ve neon'un ardından keşfedildi. Ramsay ve Travers elementi sıvı havanın buharlaşan bileşenlerinden arta kalan kalıntılarda buldular. Ramsey bu gaz için Yunancada 'yabancı' veya 'ziyaretçi' anlamlarına gelen ξένον [xenon] sözcüğünün geçişsiz tekil formu ξένος [xenos] adını önerdi. 1902'de Ramsay ksenonun Dünya atmosferindeki oranını 20 milyonda bir olarak tahmin etti.

1930'larda mühendis Harold Edgerton yüksek hızlı fotoğrafçılık için çakar lamba (strobe light) teknolojisini araştırmaya başladı. Bu araştırma onu, ışığın ksenon ile dolu bir tüpte kısa elektrik akımının gönderilmesiyle elde edildiği ksenon flaş lambasının keşfine götürdü. 1934'te Edgerton bu yöntemle bir mikrosaniye kadar kısa flaşlar üretebildi.

1939'da Albert R. Behnke Jr. derin su dalgıçlarında meydana gelen sarhoşluğu araştırmaya başladı. Behnke çalışmasında çeşitli solunum karışımlarının etkilerini test etti ve bunun dalgıçların derinlikteki değişimi algılamalarına sebep olduğunu keşfetti. Bu sonuçlardan sonra ksenon gazının anestetik olarak kullanılabileceği görüşüne vardı. 1941'de Rusya'da Lazharev'in görünüşte ksenon anestezisi üzerine çalışmış olmasına rağmen 1946'da ksenon anestezisini teyit eden yayımlanmış ilk raporu yazan kişi deneylerini fareler üzerinde yapan J. H. Lawrence'dır. Ksenon ilk kez 1951'de, iki hastasını başarılı bir şekilde ameliyat eden Stuart C. Cullen tarafından cerrahi anestezik olarak kullanıldı.

1960'ta fizikçi John H. Reynolds, aşırı ksenon-129 bolluğunda belli başlı göktaşlarının izotopik anormallik içerdiğini keşfetti. Reynolds bunun radyoaktif iyot-129'un bir bozunum ürünü olduğu sonucuna vardı. Bu izotop cosmic ray spallation ve nükleer fisyon ile yavaşça üretilir ancak sadece süpernova patlamalarında nicel olarak üretilir. 129I izotopunun yarı ömrü kozmolojik zaman skalasında nispeten kısadır (16 milyon yıl). Bu da süpernovalar ile göktaşlarının 129I izotopunu katılaştırıp tuzakladığı zaman arasında çok kısa bir süre geçtiğinin ispatıdır. Bu iki olay (süpernova ve gaz bulutunun katılaşması) Güneş Sistemi'nin ilkel tarihi esnasında neler olduğunu göstermektedir. 129I izotopu büyük ihtimalle Güneş Sistemi oluşmadan önce üretildi (ancak uzun süre önce değil) ve ikinci bir kaynaktan gelen izotoplar ile güneş gazı bulutunu tohumladı. Bu süpernova kaynağı aynı zamanda güneş gazı bulutunun çöküş sebebi de olabilir.

Uzun bir süre boyunca ksenon ve diğer soy gazların tamamen kimyasal süreduran oldukları ve herhangi bir bileşik oluşturamayacakları düşünülüyordu. Ancak British Columbia Üniversitesi'nden Neil Bartlett araştırmaları esnasında platinyum heksaflorid (PtF6) gazının, dioxygenyl hexafluoroplatinate (O2+[PtF6]-) oluşturulması için oksijen gazını (O2) okside edebilen güçlü bir aracı yükseltici olduğunu keşfetti. O2 ve ksenonun birinci iyonizasyon potansiyeli neredeyse aynı olduğundan, Bartlett platinyum heksafloridin de ksenonu oksitleyebileceğini fark etti. 23 Mart 1962'de o iki gazı birleştirdi ve bilinen ilk soy gaz bileşiği ksenon heksafloroplatinatı elde etti. Bartlett bileşiğinin Xe+[PtF6]- olduğunu düşündü ancak daha sonraki çalışmaları bunun muhtemelen ksenon içeren çeşitli tuzların karışımı olduğunu gösterdi. Bunun sonrasında başka birçok soy gaz bileşiği daha keşfedildi ve argon florohidrür (HArF), kripton diflorid (KrF2) ve radon florid gibi bazı argon, kripton ve radon bileşikleri de tanımlandı.

Ksenon Dünya atmosferindeki eser gazlardandır 0.087±0.001 ppm (μL/L) veya bir başka ifadeyle yaklaşık 11.5 milyonda bir parça şeklinde bulunur. ve ayrıca bazı mineral kaynaklarından çıkarılan gazlarda da bulunur. Ksenonun 133Xe ve 135Xe gibi bazı radyoaktif türleri, nükleer reaktörlerdeki bölünebilir malzemelerin nötron ışınlaması ile üretilir.

Ksenon havanın oksijen ve azota ayrılması işleminde yan ürün olarak elde edilir. Genellikle çift aşamalı tesiste ayrımsal damıtma ile yapılan bu işlemden sonra sıvı oksijen küçük miktarda kripton ve ksenon içerir.

İlave damıtma aşamaları ile sıvı oksijen %0,1–0,2 kripton/ksenon karışımı içerecek şekilde zenginleştirilebilir. Bu karışım silika jel üzerine adsorpsiyon veya damıtma yoluyla çıkarılır. Son olarak kripton/ksenon karışımı damıtma yöntemi ile ksenon ve kriptona ayrılabilir. Bir litre ksenonun atmosferden eldesi 220 kilowatt saat enerji gerektirir. 1998 yılı içinde Dünya çapında 5,000–7,000 m³ ksenon üretildi. Ksenon nadir bulunuşu sebebi ile diğer hafif soy gazlardan çok daha pahalıdır. 1999 yılı itibarı ile küçük miktarlar için bu gazların Avrupa piyasasındaki değerleri; ksenon için 10 €/L, kripton için 1 €/L ve neon için 0.20 €/L şeklindedir.

Ksenon Güneş atmosferinde, Dünya'da ve asteroidlerde ve kuyrukluyıldızlarda göreli olarak seyrek bulunur. Mars atmosferinde ksenonun bulunuşu Dünya'dakine benzerdir: yaklaşık olarak milyonda 0.08 parça. Yine de 129Xe'nin Mars'taki oranı Dünya ve Güneş'tekinden daha yüksektir. Bu izotopun radyoaktif bozunma ile oluştuğu düşünülürse, bu sonuç muhtemelen Mars'ın, gezegen formuna geldiği ilk 100 milyon yıl içinde, ilkel atmosferini yitirdiğinin belirtisi olabilir. Bunların aksine Jüpiter gezegeni atmosferinde olağandışı derecede ksenon bulunur; yaklaşık olarak Güneş'tekinden 2.6 kat daha fazladır. Bu yüksek bolluk güneş bulutsusu ısınmaya başlamadan önce, küçük gezegenlerin (planetesimal) erken ve ani artışından kaynaklanıyor olabilir (aksi durumda ksenon, planetesimal buzullarda tuzaklanamazdı), ancak bu durumun sebebi hâlen açıklanamamış durumdadır. Güneş Sistemi içinde bütün ksenon izotopları için nükleon fraksiyonu 1.56 × 10−8 veya toplam kütle içinde 64 milyonda bir parçadır.

Bir ksenon atomunun çekirdeğinde 54 proton bulunur. Standart sıcaklık ve basınçta saf ksenon gazının yoğunluğu, (Dünya atmosferinin yüzey yoğunluğu 1.217 kg/m³'ten yaklaşık 3 kat fazla) 5.761 kg/m³'tür. Sıva haldeki ksenonun yoğunluğu 3.100 g/mL'ye kadar çıkabilir (maksimum yoğunluk üçlü noktada olur). Aynı koşullar altında katı ksenonun yoğunluğu 3.640 g/cm³'tür (2.75 g/cm³ olan granitin yoğunluğundan büyüktür). Gigapaskal seviyesinde basınç uygulandığında ksenon metalik faza geçiş yapar.

Ksenon soy gaz veya asal gaz olarak isimlendirilen sıfır valanslı elementlerdendir. Element (örneğin yanma gibi) birçok kimyasal reaksiyona karşı süredurandır, çünkü en dış valans kabuğunda sekiz elektron bulunur. Bu durum sıkıca bağlı olan en dıştaki elektronların kararlı ve minimum enerji konfigürasyonunda olmasını sağlar. Yine de ksenon güçlü oksitleyiciler ile oksitlenebilir ve birçok ksenon bileşiği sentezlenebilir.

Doğal ksenon dokuz kararlı izotoptan oluşur. On kararlı izotopu bulunan kalay dışındaki tüm elementler içinde en fazla kararlı izotopa sahip elementtir. Elementler içinde sadece ksenon ve kalay yediden fazla izotopa sahiptir. 124Xe, 134Xe ve 136Xe izotoplarının çift beta çözünmesine uğrayacakları öngörülür, ancak bu hiçbir zaman gözlenmediği için, bu izotopların da kararlı oldukları kabul edilir. Bu kararlı formların yanında, kırkın üzerinde kararsız izotop da incelenmiştir. Yarı ömrü 16 milyon yıl olan 129Xe, 129I'nin beta çözünmesi sonucunda üretilir. 131mXe, 133Xe, 133mXe ve 135Xe, 235U ve 239Pu'nun fisyon ürünlerinden bazılarıdır. Bu yüzden bu izotoplar nükleer patlamalarda indikatör olarak kullanılır. Çeşitli ksenon izotopları, süpernova patlamalarında, çekirdeklerindeki hidrojeni tükenen ve AGB yıldız haline gelen kırmızı dev yıldızlarında, klasik nova patlamalarında ve iyot, uranyum ve plütonyum gibi elementlerin bozunumu sonucunda oluşur.

Yapay 135Xe izotopu nükleer fisyon reaktörlerindeki işlemlerde dikkate değer bir öneme sahiptir. 135Xe izotopunu termal nötronlar için büyük bir tesir kesitine sahiptir (2.6×106 barn), bu özelliği ile izotop nötron soğurucu olarak veya işlemden bir süre sonra, zincir reaksiyonu yavaşlatabilen ve durdurabilen "zehir" olarak kullanılır. Bu olay, ABD'de Manhattan Projesi çerçevesinde inşa edilen ilk nükleer reaktörlerde, plütonyum üretimi için keşfedildi.

Ksenon elementi, iki ana izotopun izleyicisi olduğu için, göktaşlarındaki ksenon izotopu oranı Güneş Sistemi'nin oluşumunun araştırılmasında önemli bir araçtır. Radyometrik tarihlemedeki iyot-ksenon yöntemi, nükleosentez ve güneş bulutsusundaki katı maddenin yoğunlaşması arasında geçen süreyi verir. Ksenonun 129Xe/130Xe ve 136Xe/130Xe gibi izotop oranları da, dünyasal başkalaşımın ve ilkel gaz çıkışının anlaşılmasında önemli bir araçtır.

Ksenonun ilk bileşiği 1962'de sentezlenen ksenon heksafloroplatinattır. Bundan sonra birçok ksenon bileşiği daha keşfedildi. Bunlar arasında ksenon diflorür (XeF2), ksenon tetraflorür (XeF4), ksenon heksaflorür (XeF6), ksenon tetroksit (XeO4) ve sodyum perksenat (Na4XeO6) gibi bileşikler yer alır. Ayrıca yüksek derecede patlayıcı bileşik ksenon trioksit de (XeO3) elde edildi. Bu zamana kadar bulunan seksenden fazla ksenon bileşiği elektronegatif flor veya oksijen içerir. Diğer atomlar bağlı iken (hidrojen ve karbon gibi), onlar çoğunlukla flor veya oksijen içeren bir molekülün parçası olarak bulunurlar. Bazı ksenon bileşikleri renklidir ancak elementin çoğu bileşiği renksiz halde bulunur.

1905'te, Finlandiya'daki Helsinki Üniversitesi'ndeki bir grup bilim insanı (M. Räsänen ve ortak çalışanlar) ksenon dihidrit (HXeH) ve sonrasında ksenon hidroksit (HXeOH), hidroksenoasetilen (HXeCCH) ve diğer Xe içeren moleküllerin anıklanmasını duyurdular. Ek olarak 2008'de Khriachtchev ve diğerleri, kriyojenik ksenon matriksi dahilinde suyun ışılkesimi (fotoliz) ile HXeOXeH bileşiğinin anıklandığını bildirdiler. Ayrıca HXeOD ve DXeOH gibi döteryumlanmış ksenon molekülleri de üretilmiştir.

Ksenonun kimyasal bağ oluşturduğu bileşiklere ek olarak, ksenon atomlarının başka bir bileşiğin kristalimsi kafesi ile tuzaklandığı klatrat yapılar da oluşturabilir. Bunun bir örneği, ksenon atomlarının su moleküllerinin kafesindeki boşlukları doldurduğu, ksenon hidrattır (Xe·5.75 H2O). Ayrıca hidratın döteryumlanmış örnekleri de üretilmiştir. Böyle gaz hidratlar, doğal olarak, Vostok Gölü ve Antarktik buz örtüsünün altı gibi yerlerde yüksek basınç şartları altında ortaya çıkabilir. Klatrat oluşumu, kısmi olarak ksenon, argon ve kripton damıtımında kullanıldı.

Ksenon, atomunun bir fulleren içinde hapsolduğu endohedral fulleren bileşikler de oluşturabilir. Fulleren içinde hapsolmuş ksenon atomu, 129Xe nükleer manyetik rezonans spektroskopisi yoluyla gözlenebilir.

Bu tekniğin kullanılmasıyla, ksenon atomunun çevresine göre kimyasal duyarlılığına bağlı olarak, fulleren molekülü üzerindeki kimyasal reaksiyonlar analiz edilebilir. Ancak, ksenon atomu da fullerenin reaktifliği üzerinde, elektronik bir etkiye sahiptir.

Ksenon atomları temel durumlarındayken, birbirlerini iterler ve bağ oluşturmazlar. Ksenon atomları enerji kazandıklarında, elektronlar tekrar temel duruma dönünceye kadar uyarılmış dimer (exited dimer - eximer) oluşturabilirler. Bu mahiyet oluşur çünkü ksenon atomu en dış elektron kabuğunu dolu tutma eğilimindedir ve bunu kamşu ksenon atomundan bir elektron alarak yapabilirler. Bir ksenon excimer için tipik yaşam süresi 1–5 ns'dir ve bozunum sonucunda yaklaşık 150 ve 173 nm dalgaboyunda fotonlar salıverilir. Ksenon ayrıca, brom, klor ve flor gibi halojenlerin de dahil olduğu diğer elementlerle de dimer oluşturabilir.

Ksenon, ksenon flaş lambası olarak bilinen ışık yayan aletlerde kullanılır. Ksenon flaş lamba fotoğrafik flaşlarda ve stroboskopik lambalarda ve nadiren bakterisidal lambalarda kullanılır. Ksenon lazerlerde aktif lazer ortamını uyararak koherent ışık elde edilmesini sağlar.. 1960'ta keşfedilen ilk katı hal lazer ksenon flaş lambası ile pompalandı, ve atalet kısıtlamalı nükleer füzyonda kullanılan lazerler de ksenon flaş lambaları ile pompalandı.

Sürekli, kısa, yüksek basınçlı ksenon yay lambaları gün ortası güneş ışığına yakından benzeyen bir renk sıcaklığına sahiptir ve bunlar güneş benzeticilerde kullanılır. Bu lambaların kromatikliği, Güneş'ten gözlenen ısıya yakın bir ısıdaki ısıtılmış kara cisim radyatörünü andırır. Bu lambalar 1940'larda ilk olarak tanıtıldıklarında, film projektörlerinde kullanılan kısa ömürlü karbon ark lambalarının yerini almaya başladılar. Lambalar tipik 35mm'lerde ve IMAX film projeksiyon sistemlerinde, otomotivde HID farlarında ve diğer özel alanlarda kullanıma sokuldu. Bu arklar muhteşem bir kısa dalga boylu morötesi ışınım kaynağıdırlar ve kızılötesi yakınlarında yoğun yayıma sahiptirler arkın bu özelliği bazı gece görüş sistemlerinde kullanılır.

Plazma ekrandaki tekil hücreler elektrod kullanımıyla plazmaya dönüştürülen bir ksenon ve neon karışımı kullanır. Bu plazma ile elektrodların etkileşimi, ekranın önünü örten fosforu uyaran morötesi fotonlar üretir.

Ksenon yüksek basınçlı sodyum lambalarında "starter gaz" olarak kullanılır. Ksenon bütün radyoaktif olmayan soy gazlar içerisinde en düşük ısıl iletkenliğe ve en düşük iyonizasyon potansiyeline sahip olan elementtir. Bir soy gaz olarak ksenon işlem lambalarında meydana gelen kimyasal reaksiyonlara karışmaz. Düşük ısıl iletkenlik ısı kayıplarının minimize eder ve düşük iyonizasyon potansiyeli gazın çöküm geriliminin, soğuk durumda göreli olarak düşük olmasına sebep olur, bu da lambanın çok daha kolay bir şekilde çalışmasına olanak sağlar.

1962'de Bell Laboratuvarları'ndaki bir grup araştırmacı ksenonun lazer etkisini keşfettiler, ve sonrasında helyum eklendiğinde lazer aktif ortamının geliştiğini buldular. Ksenon dimer (Xe2) kullanılan ilk eximer lazerde bir demet elektron ile enerji sağlanarak, 176 nm dalga boyunda (morötesi) uyarılmış emisyon üretildi. Ksenon klorür ve ksenon florür de eximer (ya da daha doğru bir ifadeyle exiplex) lazerlerde kullanılır. Ksenon klorür eximer lazer dermatolojide kullanım alanına sahiptir.

Ksenon pahalı olmasına rağmen genel anestezik olarak kullanılır. Ksenon anestezisi için iki tane yöntem bulunmaktadır. Birincisi, sinapsların hücre zarındaki kalsiyum-ATPaz pompasının inhibisyonunu kapsar. Bu durum, ksenon protein içindeki nonpolar bölgelere bağlandığında meydana gelen, bir konoluşumsal değişimden (üç boyutlu yapı değişikliği) kaynaklanmaktadır. İkinci yöntem anestezik ile lipid membranı arasındaki özgül olmayan etkileşmeye odaklanır.

Ksenon %71 minimum alveoler konsantrasyona (MAC) sahiptir. Bu haliyle bir anestezik olarak N2O'dan %50 daha etkilidir. Bu nedenle ksenon, daha az hipoksi riskine sahip oksijenle yapılan konsantrasyonlar şeklinde kullanılabilir. Azot oksitten (N2O) farklı olarak ksenon bir sera gazı değildir bu yüzden de element çevre dostu olarak nitelendirilir.

Bir WIMP, ksenon çekirdeği ile çarpışınca teorik olarak, bir elektronu koparması ve bir sintilasyon yaratması gerekir. Ksenon kullanılmasıyla bu enerji patlaması, kolayca, kozmik ışınlar gibi parçacıkların sebep olduğu benzer olaylardan ayırt edilebilir. Yine de İtalya'da Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı'ndaki (Gran Sasso National Laboratory) XENON deneyinde, o zamana kadar doğrulanmış herhangi bir WIMP bulunmasında başarısız oldu. Deneyde hiç WIMP tespiti yapılamamış olsa da, deney karanlık madde ve bazı fizik modellerinin araştırılmasına hizmet edecek. Tesiste bulunan şimdiki dedektör, Dünya'daki diğer cihazlardan beş kat daha hassastır.

Ksenon, sahip olduğu atom ağırlığı başına düşük iyonizasyon potansiyeli ve (yüksek basınç altında) oda sıcaklığında sıvı olarak saklanabilmesi ile uzay araçlarının iyon itki motoru için tercih edilen bir yakıttır. Ksenonun süreduran doğası onu çevre dostu yapar ve yine bu özelliği ile ksenon iyon motorlarında, cıva veya sezyuma oranla daha az kimyasal aşındırıcılık gösterir. Ksenon uydu iyon motorlarında ilk kez 1970'lerde kullanıldı. Element daha sonra Avrupa'nın SMART-1 adlı uzay gemisinde ve NASA'nın Dawn Spacecraft adlı uzay gemisinde üç iyon itki motoru için yakıt olarak kullanıldı.

Analitik kimyada perksenat bileşikleri yükseltgen madde olarak kullanılır. Ksenon diflorür, özellikle mikro elektro mekanik sistemlerin (MEMS) üretiminde, silikon için etchant olarak kullanılır. Antikanser ilacı 5-fluorouracil, ksenon diflorürün urasil ile reaksiyona girmesi sonucu üretilebilir. Ksenon ayrıca protein kristalografisinde de kullanılır.

Ksenon gazı, standart sıcaklık ve basınçta, yalıtılmış cam veya metal konteynerde güvenli bir şekilde saklanabilir. Ancak ksenon, plastik ve kauçuk gibi materyallerle yalıtılmış konteynerlerde kademeli olarak sızıntı yapar. Ksenon toksik değildir. Gaz kanda çözünebilir ve kan beyin bariyerine nüfuz eden seçilmiş maddeler grubuna aittir ve oksijenle birlikte yüksek konsantarasyonda solunduğunda anestezik özellik gösterir. (bkz. anestezi alt başlığı). Birçok ksenon bileşiği, oksidatif özelliklerine bağlı olarak, patlayıcı ve toksiktir.

Havada 344 m/s olan ses hızı ksenon ortamında 169.44 m/s'dir. (bunun sebebi, ağır ksenon atomlarının, azot ve oksijen molekülleri ile karşılaştırıldığında daha yavaş ortalama hıza sahip olmalarıdır). Bu sayede ksenon atomu solunduğunda ses yolunun rezonans frekansını düşürür. Bu da solunduğunda yüksek perde sese sebep olan helyumun aksine, karakteristik alçak perdeden ses üretilmesini sağlar. Helyum gibi ksenon da vücudun oksijen ihtiyacını karşılamaz ve basit asfiksanttır. Bu nedenle artık çoğu üniversitedeki genel kimya gösterilerinde, ses gösterisi yapılmasına izin verilmez. Ksenonun pahalı olması sebebiyle bu tür gösterilerde, molekül ağırlığı (146 versus 131) ksenonunkine yakın olan sülfür heksaflorür (bu da aynı şekilde asfiksanttır) kullanılır.

Ksenon veya sülfür heksaflorür gibi ağır gazların, %20 oksijen karışımı içerdiklerinde güvenli bir şekilde solunması mümkündür (yine de bu konsantrasyondaki ksenon genel anestezideki bilinçsizliğe sebep olur). Akciğerler bu gazları çok etkili ve çabuk bir şekilde karıştırır böylece ağır gazlar oksijenle birlikte tahliye edilir ve akciğerin arkasında birikmezler. Yine de büyük miktardaki herhangi bir ağır gaz için tehlike durumu da vardır. Bu şekilde kokusuz, görünmez ve renksiz bir gazla dolu bir konteynere giren biri bilmeden gazı soluyabilir.