Ksenoon

Ksenoon (keemiline sümbol Xe) on keemiline element aatomnumbriga 54. See on raske, värvitu ja lõhnatu väärisgaas, üks õhu (üliväikese kontsentratsiooniga) komponente.

Kuigi üldiselt ei ole ksenoon reaktiivne aine, võib see siiski osaleda teatud keemilistes reaktsioonides, näiteks moodustades ksenoonheksafluoroplatinaadi, mis on esimene kunstlikult sünteesitud väärisgaaside ühend.

Looduses esinev ksenoon koosneb kaheksast stabiilsest isotoobist (massiarvudega 124, 126, 128, 127, 130, 131, 132, 134 ja 136). Lisaks on sellel veel üle 40 mittestabiilse radioaktiivse isotoobi. Ksenooni stabiilsed isotoobid on üks olulisi abivahendeid Päikesesüsteemi varase ajaloo uurimisel. Radioaktiivne isotoop ksenoon-135 tekib tuumareaktsioonis isotoobist jood-135 ja see on üks olulisemaid neutronkiirguse neelajaid tuumareaktorites.

Ksenoon tahkub temperatuuril −111,75 °C ja kondenseerub temperatuuril −108,099 °C.

Ksenooni kasutatakse ksenoonvälklampides, ksenoonkaarlampides ja üldanesteesias. Esimeses eksimeerlaseris kasutati ksenooni dimeermolekuli (Xe2) töötava ainena ja paljudes varastes laserites täitsid pumpade ülesannet ksenoonvälklambid. Samuti kasutatakse ksenooni tumeaine uuringutes hüpoteetiliste nõrgalt vastastikmõjustuvate osakeste otsingutel ja kosmonautikas ioonmootorite kütusena.

Ajalugu

Ksenooni avastasid 12. juulil 1898 Inglismaal šoti keemik William Ramsay ja inglise keemik Morris Travers. Veidi varem olid samad mehed avastanud ka krüptooni ja neooni. Nad leidsid ksenooni veeldatud õhu aurustunud komponentide jääkidest. Ramsay pakkus uuele gaasile nimeks ksenoon kreekakeelse sõna ’’ξένον’’ (xénon) põhjal, mis oli ainsuse kesksoo vorm sõnast ’’ ξένος’’ (xénos). See tähendab ’võõrast’ või ’külalist’. 1902. aastal hindas Ramsay ksenooni osakaaluks Maa atmosfääris üks osa 20 miljonist. Kuigi ksenooni praegune sümbol on Xe, siis ajalooliselt on kasutatud selle sümbolina ka lihtsalt tähte X.

1930. aastatel hakkas Ameerika Ühendriikide insener Harold Edgerton tegema kiirfotograafia valdkonnas katseid stroboskoobiga. Selle käigus leiutas ta ksenoonvälklambi, kus valgust tekitab ksenoontoru läbiv elektrivool. 1934. aastal suutis Edgerton seda meetodit kasutades luua välke kestusega 1 mikrosekund.

1939. aastal hakkas ameerika arst Albert Behnke uurima süvasukeldujate joobelaadse seisundi põhjuseid. Ta lasi oma katsealustel sisse hingata erinevaid gaasisegusid ja leidis, et see tõi sukeldajatel kaasa muutused sügavuse tajumisel. Ta järeldas nende tulemuste põhjal, et ksenooni saab kasutada anesteetikuna. Kuigi vene toksikoloog Nikolai Lazarev uuris ksenooni kasutamist anesteesias juba 1941. aastal, avaldas esimese kirjutise selle rakendamisest 1946. aastal ameerika meditsiiniteadlane John H. Lawrence, kes oli teinud katseid hiirtega. Esimest korda kasutas ksenooni inimese opereerimisel 1951. aastal ameerika anestesioloog Stuart C. Cullen, kes opereeris edukalt kahte patsienti.

Ksenooni ja teisi väärisgaase peeti kaua aega keemiliselt täiesti inertseteks ning arvati, et need ei suuda moodustada keemilisi ühendeid. Briti Columbia Ülikooli õppejõud Neil Bartlett avastas, et gaasiline plaatinaheksafluoriid (PtF6) oli tugev oksüdeerija, millega hapniku (O2) oksüdeerimisel tekkis dioksügenüülheksafluoroplatinaat (O2+[PtF6]–). Kuna hapnikul ja ksenoonil on peaaegu samasugune ioniseerimisvõime, mõistis Bartlett, et plaatinaheksafluoriid võib oksüdeerida ka ksenooni. 23. märtsil 1962 segas ta mõlemad gaasid kokku ja sai tulemuseks esimese teadaoleva väärisgaasiühendi, ksenoonheksafluoroplatinaadi. Bartlett arvas, et selle koostis oli Xe+[PtF6]–, kuid hilisemad uuringud on näidanud, et tegemist oli ilmselt mitmesuguste ksenooni sisaldavate soolade seguga. Sellest ajast alates on avastatud mitmeid muid ksenooniühendeid, aga ka muid väärisgaase (argooni, krüptooni ja radooni) sisaldavaid keemilisi ühendeid. Aastaks 1971 oli teada üle 80 ksenooniühendi.

Novembris 1989 demonstreerisid IBMi teadlased tehnoloogiat, mis võimaldab manipuleerida individuaalseid aatomeid. Programmis "IBM in atoms" kasutati skaneerivat tunnelmikroskoopi, et moodustada 35 ksenooniaatomist jahutatud niklikristallist substraadil firma kolmetäheline akronüüm. See oli esimene kord, kui aatomeid suudeti sellise täpsusega tasasel pinnal positsioneerida.

Omadused

Ksenooni aatomnumber on 54, mis tähendab, et selle aatomituumas on 54 prootonit. Normaaltemperatuuri ja -rõhu juures on puhta ksenooni tihedus 5,761 kg/m3, mis on ligi 4,5 korda suurem Maa atmosfääri pinnatihedusest (1,217 kg/m3). Veeldatud ksenooni tihedus on kuni 3,100 g/mL, kusjuures maksimaalse tiheduse saavutab see kolmikpunktis. Samadel tingimustel on tahke ksenooni tihedus (3,640 g/cm3) kõrgem kui graniidi keskmine tihedus (2,75 g/cm3). Kui rakendada gigapaskaleid rõhku, on võimalik ksenooni üle viia metallilisse faasi.

Kristallograafiliselt läheb tahke ksenoon rõhu all kuubilisest süngooniast üle heksagonaalsesse süngooniasse ja hakkab metalliseeruma rõhul umbes 140 GPa. Rõhul 155 GPa on ksenoon täiesti metalliseerunud. Metallilises faasis näib ksenoon taevasinine, sest ta neelab punast valgust ja kiirgab teisi nähtavaid sagedusi. Selline käitumine on metallile ebatüüpiline ning selgitatav suhteliselt kitsaste elektronidevaheliste sidemetega metalliseerunud ksenoonis.

Ksenoon kuulub nullvalentsiga elementide hulka, mida nimetatakse väärisgaasideks, varasemas kirjanduses ka inertgaasideks. Ta on inertne enamiku keemiliste reaktsioonide suhtes, sest tema elektronkatte väliskihi orbitaalides on kaheksa elektroni. Selle tulemuseks on stabiilne, minimaalse energiaga konfiguratsioon, kus väliskihi elektronid on tihedalt seotud.

Gaasiga täidetud torus kiirgab ksenoon elektrilaenguga mõjutamisel sinist või lillakat valgust. Ksenoon kiirgab tegelikult spektrijooni, mis katavad kogu optilise spektri, kuid kõige intensiivsemad jooned on sinise valguse sagedusalas.

Leidumus ja tootmine

Ksenooni leidub Maa atmosfääris, kus teda on 87±1 miljardikosa (nL/L) ehk umbes 1 osa iga 11,5 miljoni osa kohta. Võib ka nii öelda, et normaaltingimustes sisaldab tuhat kuupmeetrit õhku kõigest umbes 87 kuupsentimeetrit ksenooni. Samuti leidub teda mõnedest mineraalveeallikatest eralduvates gaasides.

Ärilistel eesmärkidel saadakse ksenooni kaasproduktina õhu eraldamisel hapnikuks ja lämmastikuks. Pärast eraldamist, mis toimub tavaliselt fraktsioneeriva destillatsiooni meetodil kahe destillatsioonikolonniga seadmes, sisaldab selle tulemusel eraldatud vedel hapnik väikseid koguseid krüptooni ja ksenooni. Täiendava fraktsioneeriva destillatsiooni abil võib vedelat hapnikku rikastada tasemeni, kus see sisaldab 0,1–0,2% krüptooni ja ksenooni segu. See eraldatakse hapnikust kas adsorptsiooni teel silikageelile või destillatsiooni abil. Saadud krüptooni-ksenooni segus saab kaks gaasi teineteisest vajadusel eraldada destillatsiooni meetodil. 1998. aastal toodeti kogu maailmas hinnanguliselt 5000–7000 m3 ksenooni. Vähese leidumuse tõttu on ksenoon palju kallim kui temast kergemad väärisgaasid – 1999. aastal maksis Euroopas ksenoon 10 eurot, krüptoon 1 euro ja neoon 20 eurosenti liitri kohta, neist kõigist laiemalt levinud argooni hind jäi alla 1 eurosendi liitri kohta.

Päikesesüsteemis leidub ksenooni lisaks Maa atmosfäärile väga väikestes kogustes ka Päikese atmosfääris, asteroidides ja komeetides. Marsi atmosfääris leidub ksenooni Maa atmosfääriga võrreldes umbes samas kontsentratsioonis. Jupiteri atmosfääris leidub ksenooni ebaharilikult rohkelt – seda on seal 2,6 korda enam kui Päikese atmosfääris. Selle põhjuseid ei ole suudetud siiani selgitada. Üheks võimalikuks selgituseks on väikeste, eelplaneediliste kehade ehk niinimetatud planetesimaalide varane ja kiire teke veel enne kui Päikese udukogu kuumenema hakkas. (Muidu ei oleks ksenoon planetesimaalsesse jäässe kinni jäänud.) Ksenooni vähest leidumust Maal võib selgitada asjaolu, et kvartsis moodustab ksenoon kovalentse sideme hapnikuga ja see vähendas ksenooni eraldumist atmosfääri.

Erinevalt väiksema massiga väärisgaasidest ei teki ksenooni tähtede sees aset leidva tavapärase tähtede nukleosünteesi käigus. Elementidele, mille mass on suurem raua isotoobist massiarvuga 56, tähendab teke tuumasünteesi käigus energiakulu. Nii ei saaks täht ksenooni tootes sellest mingit lisaenergiat. Selle asemel tekib ksenooni supernoovade plahvatamisel oma tuumas leiduva vesiniku ära kulutanud ja asümptootilisse hiiu harusse jõudnud punahiidtähtede aeglaste neutronite püüdmise protsessi ehk niinimetatud s-protsessi käigus, noovade klassikalistes plahvatustes ja selliste radioaktiivsete elementide nagu joodi, uraani ja plutooniumi lagunemisel.

Isotoobid ja isotoopide uuringud

Looduses leiduv ksenoon koosneb kaheksast stabiilsest isotoobist. Rohkem stabiilseid isotoope on veel ainult tinal, millel on neid kokku kümme. Ksenoon ja tina on ainsad elemendid, millel on üle seitsme stabiilse isotoobi. Isotoopide 124Xe ja 134Xe puhul oletatakse, et nad teevad läbi topelt-beetalagunemise, kuid seda pole kunagi suudetud tõestada ja nii loetakse ka neid stabiilseteks isotoopideks.

Lisaks neile stabiilsetele vormidele on uuritud veel enam kui 40 ebastabiilset isotoopi. Kõige püsivam neist on 136Xe, mis teeb läbi topelt-beetalagunemise poolestusajaga . 129Xe saadakse 129I beetalagunemisel, mille poolestusaeg on 16 miljonit aastat. 131mXe, 133Xe, 133mXe ja 135Xe tekkivad isotoopidest 235U ja 239Pu tuumalõhustumisel ja neid kasutatakse seetõttu tuumaplahvatuste indikaatorina.

Kahe stabiilse ksenooni isotoobi 129Xe ja 131Xe tuumasid iseloomustavad nullist erineva väärtusega impulsimomendid (spinnid, mis sobivad tuumamagnetresonantsi tekitamiseks). Kasutades ringjalt polariseeritud valgust ja rubiidiumi auru on võimalik nende isotoopide tavapärast spinni polarisatsiooni taset muuta. Selle tulemusel võib ksenooni tuumade spinni polarisatsioon olla üle 50% suurem selle maksimaalsest võimalikust väärtusest, ületades oluliselt paramagneetilise statistika ette kirjutatud soojustasakaalu väärtust (tüüpiliselt on see 0,001% maksimaalsest väärtusest toatemperatuuril isegi kõige tugevamate magnetite puhul). Taoline tasakaalust välja viidud spinnide suund kujutab endast ajutist seisundit, mida nimetatakse hüperpolarisatsiooniks. Ksenooni hüperpolariseerimise protsessi nimetatakse optiliseks pumpamiseks (kuigi see protsess erineb laserites kasutatavast optilisest pumpamisest).

Kuna 129Xe tuuma spinni kvantarvu väärtus on  ja sellest tulenevalt on tema elektriline kvadrupool võrdne nulliga, ei teki 129Xe tuumal kokkupõrgete ajal teiste aatomitega kvadrupoolseid sidemeid. Nii on võimalik selle hüperpolarisatsiooni toatemperatuuri juures säilitada veel kaua pärast seda, kui laserkiir on välja lülitatud ja leelisaur kondensatsiooni teel eemaldatud. 129Xe spinni polarisatsioon võib püsida mitmeid sekundeid nendes ksenooni aatomites, mis on lahustatud veres, mitmeid tunde gaasilises olekus ksenooni aatomites ja mitmeid päevi sügavkülmutatud tahke ksenooni aatomites. Kontrastina sellele on isotoobi 131Xe spinni kvantarvu väärtus  ja elektriline kvadrupool nullist erinev ning selle hüperpolarisatsioon püsib seetõttu mõnest millisekundist mõne sekundini.

Ksenooni mõned radioaktiivsed isotoobid, näiteks 133Xe ja 135Xe tekivad tuumareaktoris lõhustuva aine neutronkiirguse toimel. 135Xe on olulise tähtsusega fissioonreaktorite töös. Sellel isotoobil on hiiglaslik neutronite ristlõige mõõdus 2,6 × 106 barni, mistõttu see toimib neutronite absorbeerijana ning võib teatud tööperioodi järel aidata ahelreaktsiooni pidurdada või aeglustada. See ksenoon-135 omadus tehti kindlaks esimestes Ameerika Ühendriikide tuumareaktorites, mis ehitati Manhattani projekti raames plutooniumi tootmiseks. Reaktori loojad olid näinud ette võimaluse reaktori reaktiivsuse (lõhustumises osalevate neutronite arvu, mis hakkavad lõhustama tuumakütuse teisi aatomeid) suurendamiseks. 135Xe kogunemine reaktorisse ("reaktorimürgitus") etendas olulist rolli Tšornobõli katastroofis. Kui reaktori vooluga varustamine väheneb või katkeb, võib see kaasa tuua 135Xe kogunemise reaktori tuumas ja reaktori võimsuse olulise vähenemise või isegi seiskumise.

Ksenooni radioaktiivsete isotoopide suures koguses eraldumine tuumareaktoritest annab tavaliselt märku kas sellest, et mõranenud kütusevarrastest on välja pääsenud lõhustumisproduktid, või siis sellest, et uraan on lõhustuma hakanud reaktori jahutusvees.

Ksenooni isotoopide sisaldus meteoriitides on väga oluline vahend Päikesesüsteemi tekkeloo uurimisel. Meteoriitide vanuse määramiseks kasutatakse joodi-ksenooni meetodit, mis võimaldab kindlaks teha, kui palju aega jääb nukleosünteesi ja Päikese udukogust tahke objekti eraldumise vahele. 1960. aastal avastas füüsik John Reynolds, et osasid meteoriite iseloomustas teatud isotoopide anomaalia, mis väljendus 129Xe ülekülluses. Ta tegi järelduse, et ksenoon-129 oli radioaktiivse isotoobi jood-129 laguprodukt. Seda joodi isotoopi tekib aeglaselt tuumalõhustumise ja kosmiliste kiirte mõjul tekkinud tuumapurunemise käigus, kuid suurtes kogustes ainult supernoova plahvatustes. Kuna 129I poolestusaeg on kosmoloogilisel ajateljel küllaltki lühike, kõigest 16 miljonit aastat, siis see näitab, et supernoova ning meteoriitide tahkumise vahele (tänu millele 129I sattus sinna lõksu) pidi jääma vähe aega. Järeldati, et need kaks sündmust (supernoova ja gaasipilve tahkumine) pidid aset leidma Päikesesüsteemi varases ajaloos, sest jood-129 isotoop tekkis tõenäoliselt veidi aega enne Päikesesüsteemi ja külvas Päikesest lähtunud gaasipilve isotoope, mis pärinesid teisest allikast. See teine allikas oli supernoova, mis põhjustas tõenäoliselt ka selle gaasipilve kokkuvarisemise.

Samamoodi on ksenooni isotoopide nagu 129Xe/130Xe ja 136Xe/130Xe suhtarvud väga olulised gravitatsioonilise diferentseerumise ja varase degaseerumise mõistmiseks. Näiteks Marsi atmosfääris on ksenooni samas suurusjärgus Maa atmosfääriga: 0,08 miljondikosa, kuid Marsil esineb Maast või Päikesest rohkem isotoopi ksenoon-129. Kuna see konkreetne isotoop tekib radioaktiivse lagunemise tulemusel, siis näib see leid osutavat, et Marss kaotas ühel hetkel suurema osa oma algsest atmosfäärist. Tõenäoliselt juhtus see esimese 100 miljoni aasta jooksul planeedi tekkimisest. Kui tuua siia kõrvale teine näide, siis New Mexico osariigis kaevust eraldunud süsihappegaasist leitud ülemäärane 129Xe arvatakse olevat tekkinud Maa vahevööst pärit gaaside lagunemisel peatselt pärast planeedi tekkimist.

Ühendid

Pärast Neil Bartletti 1962. aasta avastust, et ksenoon on võimeline moodustama keemilisi ühendeid, on leitud ja kirjeldatud mitmeid ksenooniühendeid. Peaaegu kõik avastatud ksenooniühendid sisaldavad fluori või hapniku elektronegatiivseid aatomeid.

Halogeniidid

Teada on kolm fluoriidi: ksenoondifluoriid (XeF2), ksenoontetrafluoriid (XeF4) ja ksenoonheksafluoriid (XeF6). Ksenoonmonofluoriid (XeF) on teooria kohaselt ebastabiilne ühend. Valdava osa muude ksenooniühendite sünteesil lähtutakse just nendest fluoriididest.

Tahke, kristalliline XeF2 saadakse gaasiliste fluori ja ksenooni segu valgustamisel ultraviolettkiirgusega. Selleks piisab isegi tavalisest päevavalgusest. Ksenoondifluoriidi pikaajaline kõrgel temperatuuril kuumutamine, kasutades katalüsaatorina NiF2, annab tulemuseks ksenoonheksafluoriidi. Ksenoonheksafluoriidi pürolüüs annab naatriumfluoriidi lisamisel tulemuseks kõrge puhtusastmega ksenoontetrafluoriidi.

Ksenoonfluoriidid võivad fluori aatomeid nii vastu võtta kui ka loovutada, moodustades soolasid, mis sisaldavad katioone nagu XeF+ ja Xe2F3+, ning anioone nagu XeF5-, XeF7- ja XeF82-. Roheline, paramagneetiline XeF2+ tekib ksenoondifluoriidi redutseerimisel gaasilise ksenooniga.

Ksenoondifluoriid suudab moodustada ka komplekse üleminekumetallide ioonidega. Kokku on sünteesitud ja kirjeldatud üle 30 taolise kompleksi.

Kui ksenoonfluoriide on põhjalikult kirjeldatud, siis teisi ksenooni sisaldavaid halogeniide eriti ei tunta. Ainsaks erandiks on ksenoondikloriid (XeCL2). Ksenoonidikloriid on endotermiline, värvitu, kristalliline ühend, mis laguneb algelementideks temperatuuril 80 °C. Seda saadakse ksenooni, fluori ja ränitetrakloriidi või süsiniktetrakloriidi kõrgsageduslikul kiiritamisel. Siiski on kaheldud, kas XeCL2 on üldse tõeline keemiline ühend või ainult van der Waalsi molekul, mis koosneb nõrgalt seotud Xe aatomitest ja Cl2 molekulidest. Teoreetiliste arvutuste kohaselt on lineaarne molekul XeCL2 vähem stabiilne kui van der Waalsi kompleks.

Oksiidid ja oksohalogeniidid

Teada on kolm ksenooni oksiidi: ksenoontrioksiid (XeO3) ja ksenoontetraoksiid (XeO4), millest mõlemad on plahvatusohtlikud ja väga tugevad oksüdeerijad, ning ksenoondioksiid (XeO2), mis sünteesiti esmakordselt 2011. aastal koordinatsiooniarvuga neli. XeO2 saadakse ksenoontetrafluoriidi valamisel jääle. Selle kristallstruktuur lubab seda kasutada räni aseainena silikaatmineraalides. XeOO+ katioon avastati infrapunaspektroskoopia abil tahkest argoonist.

Ksenoon ei reageeri hapnikuga vahetult; ksenoontrioksiid tekib XeF6 hüdrolüüsil:

XeF6 + 3 H2O → XeO3 + 6 HF

Ksenoontrioksiid on kergelt happeline ja lahustub leelistes, moodustades ebastabiilseid soolasid ksenaate, mis sisaldavad HxeO4- anioone. Need ebastabiilsed soolad disproportsioneeruvad hõlpsalt gaasiliseks ksenooniks ja perksenaatide nime all tuntud sooladeks, milles sisaldub XeO64- anioon.

Baariumperksenaat moodustab kontsentreeritud väävelhappega töötlemisel gaasilise ksenoontetraoksiidi:

 Ba2XeO6 + 2 H2SO4 → 2 BaSO4 + 2 H2O + XeO4

Lagunemise vältimiseks jahutatakse tekkinud ksenoontetraoksiid kiiresti ja sellest moodustub kahvatukollane tahkis. See plahvatab temperatuuril −35,9 °C ksenooniks ja hapnikuks.

Teada on mitmeid ksenoonoksüfluoriide nagu XeOF2, XeOF4 (ksenoonoksütetrafluoriid), XeO2F2 ja XeO3F2. XeOF2 tekib hapnikdifluoriidi (OF2) reageerimisel gaasilise ksenooniga madalatel temperatuuridel. Seda on võimalik valmistada ka XeF4 osalisel hüdrolüüsil. Temperatuuril −20 °C disproportsioneerub see XeF2 ja XeO3F2. XeOF4 tekib XeF6 osalisel hüdrolüüsil või XeF6 reageerimisel naatriumperksenaadiga (Na4XeO6). Viimase reaktsiooni käigus tekib ka väike kogus XeO3F2. XeOF4 reageerib tseesiumfluoriidiga (CsF), moodustades XeOF5- aniooni. XeOF3 reageerib leelismetallide fluoriididega – kaaliumfluoriidi (KF), rubiidiumfluoriidi (RbF) ja tseesiumfluoriidiga (CsF), moodustades XeOF4- aniooni.

Muud ühendid

Viimasel ajal on tekkinud huvi ksenooniühendite vastu, kus ksenoon oleks seotud mõne väiksema elektronegatiivsusega elemendiga kui fluor või hapnik, iseäranis just süsinikuga. Nende ühendite stabiliseerimiseks läheb vaja elektrofiilseid rühmi, näiteks selliseid, kus fluor on asendatud. Tänaseks on kirjeldatud palju selliseid ühendeid, teiste seas:

 C6F5–Xe+–N≡C–CH3, kus C6F5 on pentafluorofenüüli rühm.
 [C6F5]2Xe
 C6F5–Xe–X, kus X on CN, F või Cl.
 R–C≡C–Xe+, kus R on C2F5- või tert-butüülrühm
 C6F5–XeF2+
 (C6F5Xe)2Cl+

Teised ühendid, kus ksenoon on seotud väiksema elektronegatiivsusega elemendiga, on F–Xe–N(SO2F)2 ja F–Xe–BF2. Viimast sünteesitakse dioksügenüültetrafluoroboraadist (O2BF4) temperatuuril −100 °C.

Ebatavaline ksenooni sisaldav ioon on tetraksenonokuld(II) katioon (AuXe42+), mis sisaldab Xe–Au sidemeid. Seda iooni esineb ühendis AuXe4(Sb2F11)2. Märkimisväärne on see, et nimetatud ioonis esinevad otsesed keemilised sidemed kahe tavaliselt mittereaktiivse aatomi, ksenooni ja kulla vahel, kusjuures ksenoon toimib seal üleminekumetalli ligandina.

Ühend Xe2Sb2F11 sisaldab Xe–Xe sidet, mis on pikim teadaolev elementidevaheline side (308.71 pm = 3.0871 Å).

1995. aastal teatas Helsingi Ülikooli juures tegutsenud Markku Räsäneni uurimisrühm, et neil õnnestus valmistada ksenoondihüdriidi (HXeH) ning hiljem veel ksenoonhüdriidhüdroksiidi (HXeOH), hüdroksenoatsetüleeni (HXeCCH) ja teisi ksenoonisisaldusega molekule. 2008. aastal teatas Leonid Khriachtchev koos kolleegidega, et neil õnnestus krüogeenilises ksenoonimaatriksis vett fotolüüsides valmistada ühendit HXeOXeH. Samuti on õnnestunud valmistada deuteriseeritud molekule HXeOD ja DXeOH.

Klatraadid ja eksimeerid

Lisaks ühenditele, kus ksenoon moodustab keemilise sideme, võib ksenoon moodustada ka klatraate, aineid, kus ksenooni aatomid jäävad kinni teise ühendi Bravais' ruumvõresse. Üks näide on ksenoonhüdraat (Xe•5,75 H2O), kus ksenooni aatomid täidavad tühjad kohad vee molekulide ruumvõres. Selle klatraadi sulamispunkt on 24 °C. Sellest hüdraadist on toodetud ka deuteriseeritud versiooni. Sellised klatraathüdraadid võivad kõrge rõhu all tekkida looduslikult, näiteks nagu Vostoki järves Antarktika jääkihi all. Klatraatide tekkimise käigus saab fraktsioneerivalt destilleerida ksenooni, argooni ja krüptooni.

Ksenoon võib moodustada ka endohedraalfullereenühendeid, kus ksenooni aatom on sattunud fullereeni molekuli sisse. Fullereeni kinni jäänud ksenooni aatomit võib jälgida 129Xe tuumamagnetresonantsspektroskoopiat kasutades. Selle tehnika abil võib analüüsida fullereeni molekuli keemilisi reaktsioone, kasutades ära ksenooni aatomi keemilise nihke tundlikkust oma keskkonna suhtes. Samas on ksenooni aatomil fullereeni reaktiivsusele ka elektriline mõju.

Kui ksenooni aatomid on põhiolekus, siis nad tõukuvad teineteisest ega moodusta sidet. Kui ksenooni aatomid ergastuvad, võivad nad moodustada eksimeeri (ehk ergastatud dimeeri), mis püsib kuni elektronide naasmiseni põhiolekusse. See produkt moodustub seetõttu, et ksenooni aatomil on kalduvus täita oma väline elektronkiht ja ta võib lühiajaliselt selle saavutada teiselt ksenooni aatomilt elektroni laenates. Ksenooneksimeeri tavaline eluiga on 1–5 ns ja selle lagunemisel vallanduvad footonid lainepikkusega umbes 150–173 nm. Ksenoon võib moodustada eksimeere ka teiste elementidega, näiteks halogeenide broomi, kloori ja fluoriga.

Kasutamine

Valgustus ja optika

Gaaslahenduslambid

Ksenooni kasutatakse valgust kiirgavates seadmetes, mida nimetatakse ksenoonvälklampideks. Need leiavad rakendust fotograafias välklampides ja stroboskoopilistes lampides, laserites töötava aine ergastamiseks ja vahetevahel ka bakteritsiidsetes lampides. Esimeses, 1960. aastal leiutatud tahkislaseris kasutati optilise pumbana just ksenoonvälklampi ja ksenoonvälklambid toimivad optilise pumbana ka laserites, mida kasutatakse teatud tüüpi tuumasünteesireaktsioonide vallandamiseks.

Kõrgel rõhul töötavatel, lühikese kaarega ksenoonkaarlampidel on värvitemperatuur, mis on üsna lähedane keskpäevasele päikesevalgusele ja seetõttu kasutatakse neid kunstpäikesena. Pärast seda, kui need lambid esmakordselt 1940. aastatel kasutusele võeti, hakati neid kasutama filmiprojektorites lühema elueaga süsinikkaarlampide asemel. Neid kasutatakse kõige tüüpilisemates 33 mm filmiprojektorites, aga ka IMAX-projektorites ja uutes digitaalprojektorites. Samuti leiavad ksenoonkaarlambid rakendamist autotuledes, kallimates taktikalistes taskulampides ja muudes spetsiaalsetes kasutusvaldkondades. Need kaarlambid on lühikese lainepikkusega ultraviolettkiirguse suurepäraseks allikaks ja nende valguskiirgus läheneb intensiivsuselt infrapunavalgusele, mis võimaldab neid rakendada mõningates öövaatlussüsteemides.

Plasmateleri iga kambrike sisaldab ksenooni ja neooni segu, mis konverteeritakse elektroode kasutades plasmaks. Selle plasma vastasmõju elektroodidega tekitab ultravioletseid footoneid, mis siis omakorda ergastavad ekraani esipinda katvat fosforit.

Ksenooni kasutatakse ka "käivitava gaasina" kõrgrõhu-naatriumlampides. Kõigist mitteradioaktiivsetest väärisgaasidest on ksenoonil madalaim soojusjuhtivus ja ionisatsioonipotentsiaal. Väärisgaasina ei sekku ksenoon töötavas lambis aset leidvatesse keemilistesse reaktsioonidesse. Selle madal soojusjuhtivus vähendab lambis töö ajal tekkivat soojuskadu ja madal ionisatsioonipotentsiaal tagab külmas olekus gaasi madala dielektrilise läbilöögitugevuse, mis võimaldab lampi lihtsamalt ja kiiremini tööle panna.

Laserid

1962. aastal avastas ettevõtte Bell Laboratories uurimisrühm ksenooni lasertoime ja leidis hiljem, et seda oli võimalik parandada, lisades töötavale ainele heeliumi.
 Esimene eksimeerlaser kasutas ksenooni dimeeri (Xe2), mille elektronkiirega ergastamisel tekkis stimuleeritud kiirgus ultravioletse lainepikkusega 176 nm. Eksimeerlaserites (täpsemalt küll eksiplekslaserites) on kasutatud ka ksenoonkloriidi ja ksenoonfluoriidi. Ksenoonkloriidiga töötavat eksimeerlaserit on rakendatud näiteks dermatoloogias.

Meditsiin

Meditsiinis leiab ksenoon mitmekülgset kasutust, nii silmakirurgias (seadmetes) operatiivkirurgias ksenooni sisaldava inhalatsioonianesteetikumi komponendina kui ka radioloogias ksenooni-vahendatud kompuutertomograafias (Xe-CT) jm.

Käimas on mitmed uuringud ksenooni-narkoosigaasi kohta hapnikupuuduse käes kannatavate vastsündinute teraapias.

Katsed hiirtega, kellele manustati elektrišokiteraapia järgselt sobival hetkel ksenoon-narkoosigaasi näitavad, et gaas võib takistada värskete häirivate mälestuste talletumist.

Ksenoonanesteesia

1939. aastal testisid Albert R. Behnke jun. ja Yarbrough allveelaevaga sukeldujatel mitmeid gaasisegusid ja tuvastasid, et ksenoon ei ole kõlbulik nimetatud valdkonnas kasutamiseks, kuid järeldasid, et seda saaks kasutada anesteesias.

1941. olevat Lazarev Venemaal uurinud ksenoonanesteesiat.

Esimeseks hiirtel läbi viidud ksenoonanesteesia kohta avaldatud uurimuseks peetakse J. H. Lawrence'i 1945. aastal avaldatud raportit.

Esimese kirurgilise ksenoonanesteesia läbiviijaks 1951. aastal peetakse Stuart C. Cullenit.

Ksenoon narkoosigaasina

Ksenooni manustatakse (koos teiste komponentidega) ksenoonanesteesia ajal kirurgilistele patsientidele anestesioloogi järelevalve all, enne ja teatud kirurgiliste operatsioonide ajal vastava narkoosiaparaadiga.

Ksenooni kasutamine anesteesias kiideti heaks esmalt Venemaal (2000), siis Saksamaal (2005) ja 2007. aastal ülejäänud Euroopas.

Narkoosigaasi tootmine

Ksenooni tootmine ulatub hinnanguliselt 6 miljoni liitrini aastas, millest narkoosigaas moodustab ligi 12% ja leiab rakendust peamiselt Venemaal.

Ksenooni saadakse küll hapniku töötlemise kõrvalsaadusena, kuid see on üsna energiakulukas protsess.

Erinevalt dilämmastikoksiidist ei ole ksenoon kasvuhoonegaas ja nii peetakse seda üldiselt keskkonnasõbralikuks anesteetikuks.

Atmosfääri sattunud ksenoon pöördub tagasi oma algallikasse (ksenooni leidub atmosfääris), seega peetakse käesolevala ajal vähetõenäoliseks, et see avaldaks negatiivset keskkonnamõju.

Seotud kulud

Ksenooni peamiseks miinuseks on kõrge hind võrreldes muude anesteetiliste ainetega. 1999. aastal Jaapanis tehtuduuringu kohaselt maksis 70 kg kaaluva 40-aastase mehe neljatunnine üldanesteesia ksenooniga 356 USA dollarit, samal ajal kui selle tulemuse saavutamine dilämmastikoksiidi ja isofluraani kasutades läks maksma ainult 52 USA dollarit. Siiski on ksenooni langev hind laiendanud selle kasutamist ja 2000. aastate keskel hakati ksenooni sisaldavaid anesteetikuid kasutama ka Euroopas. Esimese ksenooni sisaldava anesteetiku LENOXe tõi Euroopas turule firma Air Liquide. Prantsusmaal viidi esimene ksenoonanesteesia läbi detsembris 2007 Nîmes'i Ülikooli haiglas.

Valmis narkoosigaasisegu 1 liiter maksab Euroopas 10–15 eurot.

Ksenooni kulu on operatsioonide lõikes varieeruv, pikemaid operatsioone selle meditsiinigaasiga peetakse tasuvamateks, nii võib ühe inimese koletsüstektoomia käigus olla ksenooni kulu 15,6 liitrit, märkimisväärse osa saab rasva sisaldavad koed.

Ksenooni ei manustata üksikainena kuna tema anesteetiline võimekus on liiga nõrk. Seda manustatakse koos opioididega nagu fentanüül ja sufentaniil.

Anesteetilise potentsiaali võimalik molekulaarne alus

Ksenooni täpseid molekulaartasandi toimeid on vähe uuritud ja neid ei tunta.

Uurijad on välja pakkunud kaks võimalikku mehhanismi.

1) Arvatakse, et osadel loomadel kutsub esile narkoosiseisundi selle anesteetikumi kuhjumine raku membraanstruktuurides, toime kesknärvisüsteemis paiknevatele retseptoritele (uuringute alusel: tõenäoliselt N-metüül-D-aspartaadi retseptor ehk NMDA retseptor

Ksenoon mõjutab mitmeid eri retseptoreid ja ioonikanaleid. Nii nagu paljude multimodaalsete sissehingavate anesteetikute puhul, on need ksenooni mõjud tõenäoliselt teineteist täiendavad. Ksenoon on NMDA retseptorite antagonist. Teistest meditsiinis kasutatavatest NMDA retseptorite anatagonistidest eristub ksenoon neurotoksilise mõju puudumisega, samuti suutlikkusega pidurdada ketamiini ja dilämmastikoksiidi neurotoksilist toimet.

Toetudes hüpoksia-isheemia loommudelitele arvatakse, et tänu ksenooni toimele nimetatud retseptoritele, toimib ksenoonanesteesia (ksenooni sissehingamine), võrreldes käibelolevate meditsiinigaasidega, südame- ja närvisüsteemi rakkudele säästvalt.

Erinevalt ketamiinist ja dilämmastikoksiidist ei stimuleeri ksenoon dopamiini eraldumist naalduvast tuumast. Sarnaselt dilämmastikoksiidi ja tsüklopropaaniga aktiveerib ksenoon kahe pooriga kaaliumi ioonkanali TREK-1. Seotud kanal TASK-3, mida sissehingatavad anesteetikud samuti mõjutavad, ksenooni mõjule ei reageeri. Ksenoon blokeerib nikotiin-atsetüülkoliini retseptorid α4β2, mis aitab kaasa epiduraalanalgeesia saavutamisele hiirtel.

2) Arvatakse, et ksenoon blokeerib efektiivselt ka rakumembraani Ca2+ ATPaasid. Selle mõju saavutab ksenoon sidudes ennast ensüümi hüdrofoobse pooriga ja takistades sellega ensüümil aktiivsete konformatsioonide moodustamise.

Ksenooni minimaalne alveolaarne kontsentratsioon on 40 aasta vanusel inimesel 72%, mis muudab selle anesteetikuna dilämmastikoksiidist 44% tugevamaks. Nii saab ksenooni kasutada koos hapnikuga sellistes kontsentratsioonides, mis vähendavad hüpoksia riski.

Soovimatud kõrvaltoimed

Paljude patsientide jaoks soodsatele omadustele lisaks evib ksenoon-narkoosigaas ka mõningaid soovimatuid kõrvaltoimeid:  
 võimalik toime ajuverevoolu mahtkiirusele (ingl CBF), 
 koljusisese rõhu tõus;
 hingamisteede toimimise takistuse tõus;
 südame parem vatsake ei saavuta südame süstoli (kontraktsioonifaasi) ajal vajalikku rõhku.

Jahutusteraapia

Suurbritannias Bristoli St. Michaeli haiglas lisati kevadel 2010 ksenooni õhusegule, mida manustati ajukahjustuse ohuga erakorralise keisrilõikega sündinud vastsündinule.

Ksenoonravi kasutamisel alandatakse samaaegselt lapse kehatemperatuur 33,5 °C.

Ksenooni lisamine oli edukas (ajukahjustust õnnestus vältida) ja selle tulemusel anti luba analoogsete juhtumite puhul kliiniliste katsete läbiviimiseks.

Radioloogia

Radioaktiivse isotoobi ksenoon-133 (133Xe) gammakiirgust võib kasutada kompuutertomograafias näiteks südame, kopsude ja aju uurimiseks. 133Xe on kasutatud ka verevoolu kiiruse mõõtmiseks.

Ksenoon, eriti selle hüperpolariseeritud isotoop 129Xe, on kontrastaineks magnetresonantstomograafias (MRT). Hüperpolarisatsioon muudab 129Xe magnetresonantstomograafias oluliselt nähtavamaks ning gaasilises olekus hüperpolariseeritud 129Xe kasutatakse kopsude ja muude kudede uurimiseks. Näiteks on selle abil jälgitud gaaside ringlemist kopsudes. Kuna ksenoon lahustub vees ja hüdrofoobsetes lahustites, saab seda kasutada ka mitmesuguste elusate pehmete kudede uurimiseks.

Kõrge aatommassi tõttu sobib ksenoon kontrastainena kasutamiseks ka röntgenfotograafias. Selleks lisatakse ksenoonile krüptooni. Samuti tuleb ksenooni kontsentratsioon olla alla 35%, vastasel juhul hakkab ta toimima narkootikumina.

Teadusuuringud

Katsetes kannuskonna (Xenophus) munaraku emarakkude ja inimese kloonitud 5-HT3A retseptoritega, blokeeris ksenoon ka 5-HT3 retseptorid (serotoniini). Kuigi sellel mõjul puudub nii anesteetiline kui ka antinotsiseptiivne toime, aitab see vähendada anesteesiast tingitud iiveldust ja oksendamist.

Sport

Spordis on kasutatud ksenooni dopingainena.

Ksenooni ja hapniku segu sissehingamine aktiveerib HIF-1-alpha transkriptsioonifaktori tootmise, mis omakorda viib erütropoetiini tootmise kasvuni. See hormoon suurendab omakorda punaste vereliblede arvu ja sportlaste sooritusvõimet. Venemaal on ksenooni sel eesmärgil sisse hingatud vähemalt alates 2004. aastast. 31. augustil 2014 lisas Maailma Antidopingu Agentuur (WADA) ksenooni ja argooni keelatud ainete ja meetodite nimestikku, kuigi ei ole veel olemas usaldusväärset testi, mille abil nende ainete kuritarvitamist kontrollida.

Spektroskoopia

Ksenooni aatomi suure ja paindliku välise elektronkihi tõttu muutub tuumamagnetresonantsi spekter vastavalt ümbritsevatele tingimustele, mistõttu saab seda kasutada keskkonna keemiliste tingimuste mõõtmiseks. Nii on tuumamagnetresonantsspektroskoopias näiteks võimalik eristada vees lahustunud ksenooni, hüdrofoobsetes lahustites lahustunud ksenooni ja teatud proteiinidega seotud ksenooni.

Hüperpolariseeritud ksenooni saavad kasutada pinnateadlased. Tavaliselt on pindu tuumamagnetresonantsspektroskoopia abil raske iseloomustada, sest näidise pinnalt lähtuvad signaalid jäävad aine enda märksa arvukamate aatomituumade signaalide varju. Tahkete pindade tuumaspinne on aga võimalik valikuliselt polariseerida, kandes neile üle spinnide polarisatsiooni hüperpolariseeritud gaasiliselt ksenoonilt. See muudab pinnasignaalid piisavalt tugevaks, et neid mõõta ja eristab neid aine seest lähtuvatest signaalidest.

Muud kasutusvaldkonnad

Tuumafüüsikas kasutatakse ksenooni mullikambrites, sondides ja muudes rakendustes, kus läheb vaja kõrge molekulmassiga inertset ainet. Tuumarelva testimisel eraldub kõrvalproduktina radioaktiivseid ioone ksenoon-133 ja ksenoon-135. Salajaste tuumakatsetuste kindlakstegemiseks mõõdetakse just nende isotoopide leidumust, näiteks on seda tehtud riikide nagu Põhja-Korea puhul.

Vedelat ksenooni kasutatakse kalorimeetrites gammakiirte mõõtmiseks, aga ka vahendina hüpoteetiliste nõrgalt vastastikmõjustuvate osakeste (WIMP) kindlakstegemiseks. Kui WIMP põrkab kokku ksenooni tuumaga, siis peaks sealt vabanema piisavalt energiat, et vallanduksid ionisatsioon ja stsintillatsioon. Vedel ksenoon sobib sellisteks katseteks oma suure tiheduse tõttu, mis muudab interaktsiooni tumeainega tõenäolisemaks.

Ksenoon on eelistatud kütus kosmosesõidukite ioonmootorites, kuna sellel on oma aatommassi kohta madal ionisatsioonipotentsiaal. Samuti on ksenoonil omadus säilitada kõrge rõhu all vedel olek toatemperatuurile lähedastel temperatuuridel, võimaldades samal ajal enda kiiret ja lihtsat tagasimuutmist gaasiks, et toita mootorit. Ksenooni inertsus tagab keskkonnasõbralikkuse ja põhjustab ioonmootorile vähem erosiooni kui teised kütused nagu elavhõbe või tseesium. Esimest korda kasutati ksenooni 1970. aastatel satelliitide ioonmootorites. Hiljem on ksenooni kasutatud NASA kosmosesondi Deep Space 1 ja Euroopa Kosmoseagentuuri satelliidi SMART-1 kütusena, samuti NASA kosmosesondi Dawn kolme ioonmootori kütusena.

Analüütilises keemias kasutatakse perksenaate oksüdeerijana. Ksenoondifluoriidi rakendatakse räni söövitamisel, iseäranis mikroelektromehaaniliste süsteemide (MEMS) tootmisel. Vähivastast preparaati 5-fluorouratsiili saab toota, pannes ksenoondifluoriidi reageerima uratsiiliga. Samuti kasutatakse ksenooni proteiinkristallograafias. Kui avaldada proteiini kristallile rõhku 0,5–5 megapaskalit (5–50 atmosfääri), kinnituvad ksenooni aatomid peamiselt hüdrofoobsetesse avaustesse, andes sageli tulemuseks kõrge kvaliteediga, isomorfse, raske aatomiga derivatiivi, mida saab kasutada faasiprobleemi lahendamiseks.

Ohtlikkus

Paljud hapnikku sisaldavad ksenooniühendid on oma tugevate oksüdeerivate omaduste tõttu mürgised. Samuti on nad plahvatusohtlikud, kuna neil on kalduvus laguneda elemendiliseks ksenooniks ja kaheaatomiliseks hapnikuks (O2), mille keemilised sidemed on palju tugevamad kui ksenooniühenditel.

Gaasilist ksenooni võib julgelt säilitada standardtemperatuuri ja -rõhu juures tavalistes tihedalt suletud klaas- või metallanumates. Siiski tuleb tähele panna, et ksenoon lahustub enamikus plastidest ja kummis ning taoliste materjalidega suletud anumatest imbub see järk-järgult välja. Ksenoon ise ei ole mürgine, kuigi ta lahustub veres ja kuulub nende väheste ainete hulka, mis suudavad läbida hematoentsefaalse barjääri. Seetõttu võib ta suurtes kogustes koos hapnikuga sisse hingatuna tekitada kerge või isegi täieliku anesteesia.

Helikiirus gaasilises ksenoonis on 169 m/s, mis on õhuga võrreldes aeglasem. See on tingitud raskete ksenooni aatomite väiksemast keskmisest kiirusest võrreldes lämmastiku ja hapniku molekulidega. Seetõttu alandab ksenoon väljahingamisel ka kõnetrakti võnkesagedust, tekitades madalama hääletämbri. See efekt on vastupidine heeliumi tekitatavale efektile, mis muudab hääle kõrgemaks. Nii nagu ka heelium ei suuda ksenoon rahuldada keha hapnikuvajadust. Ksenoon on samaaegselt lihtne lämmatava toimega gaas ja lämmastikoksiidist tugevam anesteetik; seepärast on paljud õppeasutused keelanud füüsika ja keemia demonstratsioonide raames ksenooniga hääletriki tegemise. Kuna ksenoon on kallis, siis kasutatakse selle hääletriki jaoks enamasti odavamat gaasilist väävelheksafluoriidi, mille molekulmass on ksenoonile lähedane (väävelheksafluoriidil 146, ksenoonil 131) ja millel puudub anesteetiline toime.

Tihedate gaaside nagu ksenooni ja väävelheksafluoriidi sissehingamine on võimalik, kui neid hingata sisse gaasiseguna, kus on vähemalt 20% hapnikku. Ksenooni ja hapniku 80:20 segu kutsub siiski kiiresti esile üldanesteesiale omase teadvusetuse seisundi. Hingamisel segunevad eri tihedusega gaasid kiiresti ja tõhusalt, tuues kaasa raskemate gaaside väljutamise koos hapnikuga ning vältides nende kogunemist kopsudesse. Suurte koguste raskete gaasidega kaasneb alati oht: see on ruumis nähtamatu ning kui inimene siseneb ruumi, mis on täidetud värvitu ja lõhnatu gaasiga, võib ta seda enese teadmata sisse hingata. Ksenooni kasutatakse harva nii suurtes kogustes, kuid kui ksenooni hoitakse ventileerimata ruumis, on see oht siiski olemas.

Viited

Välislingid

 "Ksenoon nõrgestab traumaatilisi mälestusi" ERR Novaator, 1. september 2014

Keemilised elemendid
Lihtained
Väärisgaasid