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El xenón es un gas noble relativamente denso. Es inodoro e incoloro. Se encuentra en estado de trazas en la atmósfera terrestre. Este elemento posee una órbita de valencia completamente llena. Esto explica su estabilidad y el hecho de que no participe en otras reacciones. A pesar de su rareza y su alto costo, se utiliza en numerosos campos. Aquí está lo que debe saber sobre el xenón.
Este elemento tiene el número atómico 54. Su símbolo es “Xe”. Es el gas noble más raro si no contamos el radón; todos sus isótopos son estables. Por consiguiente, también es el más caro de su categoría. Emite una luz azulada en una lámpara bajo descarga eléctrica.
William Ramsay y Morris William Travers son los primeros en haber descubierto este elemento. Realizaron un análisis espectral de residuos del aire después de eliminar el oxígeno y el nitrógeno. Esto llevó al descubrimiento del xenón. Así, este elemento se extrae por destilación del aire. Para ello, hay que hacer que el aire se vuelva líquido comprimiéndolo. En efecto, permanece gaseoso si se calienta, pero bajo compresión y enfriándolo, se licua. Gracias a esto, es posible extraer el xenón mediante destilación fraccionada del aire que se ha vuelto líquido.
Los químicos británicos William Ramsay y Morris William Travers aislaron este elemento el 12 de julio de 1898, poco tiempo después de su descubrimiento del kriptón y del neón. Estos científicos encontraron el xenón en un residuo resultado de la evaporación selectiva de los diferentes elementos que componen el aire líquido.
Ramsay bautizó entonces el gas “xenón”, del griego “ξένον” o “xénôn” derivado de “ξένος” o “xénos” que significa “extranjero”. Siempre según Ramsay en 1902, la atmósfera terrestre contiene una parte por 20 millones de xenón.
En los años treinta, el ingeniero Harold Edgerton comenzó a interesarse en la luz estroboscópica para aplicarla a la fotografía de alta velocidad. El estudio llevó a la invención de un estroboscopio de xenón. Una breve descarga de corriente produce luz dentro de un tubo lleno de xenón. En 1934, el ingeniero generó flashes de una microsegunda de duración.
En 1939, Albert R. Behnke Jr analizó las causas de la embriaguez de las profundidades en los buceadores de aguas profundas. Estos últimos tienen que respirar un aire más denso con una presión relativamente más alta que el aire ambiente. Probó el efecto del cambio de composición en las botellas. Constató entonces que el organismo humano reacciona de manera diferente a las diversas composiciones químicas del gas inhalado a alta presión. Concluyó que el xenón podría servir como anestésico.
El ruso Lazharev estudió entonces el uso del xenón en anestesia en 1941. Sin embargo, los primeros trabajos publicados sobre el efecto del gas datan de 1946. Relatan experimentos de J. H. Lawrence en ratones. Stuart C. Cullen utilizó el xenón para anestesiar a dos pacientes por primera vez en 1951.
En 1960, el físico John H. Reynolds descubrió una tasa singularmente elevada del isótopo 129 del xenón en ciertos meteoritos. Emitió la hipótesis según la cual la desintegración del yodo 129 es el fenómeno que provoca esta abundancia. El isótopo proviene así de reacciones de espalación lentas debidas a los rayos cósmicos en el medio interestelar, así como de reacciones de fisión nuclear. Sin embargo, sólo la explosión de supernovas lo produce en cantidad importante.
La vida media del 129I es bastante corta a escala cósmica, es solamente de 16 millones de años. Esto indica que poco tiempo transcurrió entre la supernova y el momento en que el meteorito se solidificó atrapando el yodo 129. Se supone que estos dos eventos ocurrieron durante los primeros tiempos de la historia del sistema solar. El yodo 129 pudo generarse probablemente poco tiempo antes de la formación del sistema estelar.
Durante mucho tiempo, se consideró que el xenón y los otros gases nobles eran totalmente inertes químicamente. Por otra parte, se creía que no intervenían en la formación de compuestos químicos.
Neil Bartlett, profesor en la Universidad de Columbia Británica, descubrió entonces que el hexafluoruro de platino (PtF6) constituye un agente oxidante muy potente. Este es capaz de oxidar el dioxígeno (O2) y formar el hexafluoroplatinato de dioxigenilo (O2+[PtF6]–). Las energías de primera ionización del dioxígeno y del xenón son, por otra parte, muy similares. Bartlett se dio cuenta de que el hexafluoruro de platino podría también oxidar el xenón. El 23 de marzo de 1962, mezcló estos dos gases y obtuvo el primer compuesto químico que contiene un gas noble. Se trata del hexafluoroplatinato de xenón.
El científico formuló primero la composición del producto como Xe+(PtF6)–. Más tarde, otras investigaciones establecieron que probablemente había fabricado una mezcla de varias sales de xenón. Desde entonces, los investigadores han descubierto varios otros compuestos que contienen gases nobles (radón, kriptón y argón). Se citan entre otros el hidrofluoruro de argón, el difluoruro de kriptón o el fluoruro de radón.
Hay trazas de este elemento presentes en la atmósfera terrestre. Su concentración es de 0,087 ± 0,001 ppm. El xenón es relativamente raro en el planeta Tierra, así como en los cometas, los asteroides y en el Sol.
La atmósfera de Marte presenta una mayor cantidad de xenón en comparación con la Tierra (0,08 ppm). Además, la proporción de 129Xe en Marte es más elevada comparada con la del planeta azul o en el Sol. El isótopo se obtiene por desintegración de elementos radiactivos. Así, Marte podría haber perdido la mayoría de su atmósfera primitiva en los primeros 100 millones de años siguientes a su formación.
La atmósfera de Júpiter, en cambio, presenta una concentración particularmente elevada de xenón. Es, en particular, 2,6 veces más elevada que la del sol, lo que sigue sin explicación. Según los científicos, la razón sería una formación rápida y precoz de planetesimales. Este fenómeno se habría producido antes de que el disco protoplanetario comenzara a calentar. En el conjunto del sistema solar, la parte del xenón es de 1,56×10-8, teniendo en cuenta todos sus isótopos. Así, la concentración másica es de 1 por 64 millones.
La posibilidad de enlaces covalentes xenón-oxígeno en el cuarzo tal vez explique la pequeña cantidad del elemento en el planeta. Esto reduce la presencia del xenón en estado gaseoso en la atmósfera.
Los investigadores Hans Keppler y Svyatoslav Shcheka dan otra explicación en 2012. En particular, el magma ha aprisionado los gases raros más ligeros al enfriarse y cristalizarse. Sólo los grandes átomos del xenón quedaron entonces en la atmósfera. Además, esta última se escapó parcialmente al espacio llevándose el xenón con ella. Las razones son el bombardeo de la Tierra por meteoritos, el calor y la fuerte radiación ultravioleta del Sol joven.
Los otros investigadores dicen, por el contrario, que este elemento está ahí, pero que se esconde en algún lugar. Fue declarado ausente ya que no existía ningún lugar donde pudiera esconderse muy temprano en la historia de la Tierra.
El xenón y el kriptón no se forman por nucleosíntesis estelar, en las estrellas a diferencia de los otros gases nobles de masa más pequeña. Evidentemente, la producción de elementos más pesados que el níquel 56 por fusión cuesta demasiada energía. Así, una parte importante de los isótopos del xenón se forma durante las explosiones de supernovas.
Industrialmente, este elemento es un subproducto de la separación del aire en oxígeno y nitrógeno. Esta separación se realiza por destilación fraccionada con una doble columna. Se obtiene así oxígeno líquido con una pequeña cantidad de xenón y de kriptón. La solución puede ser enriquecida hasta obtener una concentración de 0,1 a 0,2 % gracias a etapas suplementarias de destilación fraccionada. Se trata de una mezcla de gases nobles que se extrae por adsorción en un gel de sílice o por destilación. Se separa después esta mezcla en kriptón y xenón por destilación.
Se necesita una energía de 220 Wh para extraer 1 l de xenón de la atmósfera. En 1998, el xenón mundialmente producido era de 5.000 a 7.000 m3. Debido a su baja concentración en el aire, es mucho más caro que los otros gases nobles más ligeros.
El núcleo del átomo de xenón cuenta con 54 protones. En condiciones normales de temperatura y presión, este elemento es un gas con una densidad de 5,761 kg/m3. En estado líquido, presenta una densidad de hasta 3,100 kg/m3. La densidad máxima se alcanza en el punto triple. En las mismas condiciones, la densidad del xenón en estado sólido es de 3,640 g/cm3.
Bajo una presión de varios gigapascales, el xenón presenta un aspecto metálico.
Como gas noble, la capa de valencia del xenón está completamente llena. Es, por tanto, inerte, es decir que no entra en casi ninguna reacción química.
Sin embargo, es posible oxidarlo con oxidantes muy potentes. Por otra parte, múltiples compuestos de este elemento pueden ser sintetizados.
Una vez colocado en un tubo y excitado por descargas eléctricas, el xenón emite una luz azul o lavanda. Sus líneas de emisión llenan el dominio visible. Sin embargo, las más intensas se encuentran en el azul. Esto explica el color de la luz.
Es posible producir xenón líquido o sólido a temperatura ambiente por implantación de iones Xe+ en una matriz sólida. Varios sólidos disponen de una red constantemente más pequeña comparada con el xenón sólido. El xenón implantado sufre por tanto una compresión a presiones suficientes para su licuefacción o solidificación.
El xenón dispone de siete isótopos estables o casi estables. El estaño es el elemento con el mayor número de isótopos estables (10). Este y el xenón son igualmente los dos únicos que poseen más de siete.
En teoría, los isótopos 124Xe y 134Xe deberían sufrir una doble desintegración β, pero esta última nunca ha podido ser constatada. Ha sido posible observar esta doble desintegración con una emisión de dos antineutrinos (ββ2ν) con el isótopo 136Xe durante el experimento EXO-200. Este último pudo medir una vida media de 2,11 × 1021 años, o sea más de cien mil millones de veces la edad del Universo. También se ha podido constatar una desintegración por doble captura electrónica del isótopo 124Xe por el experimento XENON. La vida media medida fue de 1,8 × 1022 años.
Además, el xenón presenta más de 40 isótopos inestables e isómeros nucleares. Uno de ellos tiene implicaciones particulares en el pilotaje de ciertos reactores nucleares (notablemente los REP). Entre los reactores concernidos, el 135Xe es producido como hijo del 135I (degradación en unas horas). El xenón 135 se degrada por tanto rápidamente absorbiendo neutrones de la fisión. En tiempo normal, hay equilibrio entre la producción y la degradación. Cuando la potencia del reactor baja, la producción de neutrones disminuye. Estos no son suficientes para la degradación del 135Xe producido por la fisión de las horas precedentes y que se acumula. La enorme sección eficaz de absorción térmica del 135Xe, del orden de 3 millones de barns, amplifica la bajada de potencia nuclear. En este caso, se habla de “envenenamiento por xenón” del reactor.
El xenón puede penetrar otros materiales tales como el nitruro de titanio. Este último es uno de los elementos utilizados como matriz inerte para rodear el combustible en los reactores (tipo Reactor avanzado de gas). El análisis, la modelización y el control del envenenamiento de un reactor por xenón constituye un desafío fundamental para la industria nuclear. Lo mismo ocurre con los efectos de este envenenamiento sobre la repartición de los flujos de energía y la potencia así como la gestión de los accidentes graves.
Primero, el 135Xe, el 133mXe, el 133Xe y el 131mXe figuran entre los productos de fisión de la reacción en la explosión de una bomba atómica. También lo son en un reactor nuclear térmico de fisión. Estos radioisótopos gaseosos y químicamente no reactivos disponen por tanto a veces de un valor de “radioindicador”.
Segundo, se ha puesto en marcha un sistema de vigilancia mundial del xenón radiactivo en el aire. Este está destinado a verificar la conformidad de la investigación de los países signatarios y la de sus actividades militares. Se trata del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (TPCE).
En caso de accidente nuclear grave, el xenón es un trazador importante por las razones evocadas más arriba. En efecto, forma parte, con el yodo 131, de los primeros radionucleidos emitidos en una despresurización accidental o voluntaria o una ruptura accidental del confinamiento de un reactor de central nuclear. En la atmósfera, la vida media radioactiva del elemento es más larga que en el reactor. Una cantidad suplementaria de xenón aparece gracias al yodo 133 cuya vida media radioactiva dura un poco más de veinte horas.
Después del terremoto, se detectaron lesiones antes de la primera despresurización voluntaria del primer reactor. La emisión de xenón indicaba daños estructurales probables en la parte nuclear de las instalaciones. Durante los días que siguieron a la catástrofe de Fukushima, la tasa de 133Xe en el aire aumentó notablemente. Posteriormente, alcanzó un nivel récord, en Japón e incluso en América del Norte. Este hecho fue observado por científicos americanos que estudiaban la radiactividad del aire en el marco de la red de detección de eventuales ensayos nucleares. Era el primer indicio notable de que el confinamiento del reactor estaba comprometido, y que la tasa de criticidad en el interior de la piscina de desactivación se había alcanzado.
Un equipo internacional realizó una modelización inversa de las emisiones de xenón y de cesio, publicada en marzo de 2012. Los cálculos efectuados se basaron en las cantidades conocidas de combustibles en la piscina concernida así como en los núcleos de reactores. Los datos de estas mediciones se cruzaron con los datos meteorológicos.
La nube enriquecida en xenón radiactivo alcanzó América del Norte el 15 de marzo y Europa el 22 de marzo. Se efectuaron mediciones de análisis de xenón en varias decenas de estaciones en América del Norte, en Japón y en otros lugares. Un mes después de la catástrofe (mediados de abril), el 133Xe estaba uniformemente repartido en las latitudes medias del hemisferio norte. Esta tasa también fue medida por primera vez en el hemisferio sur gracias a una estación de Darwin en Australia.
La cantidad de xenón radiactivo liberada en el aire del 11 al 15 de marzo de 2011 por la central nuclear de Fukushima Daiichi ha sido así estimada. Esta modelización y las mediciones de campo han permitido establecer que fue de 15,3 EBq (con un margen de incertidumbre de 12,2-18,3 EBq) según Stohl & al, o 16,7 ± 1,9 Ebq, o 14,2 ± 0,8 EBq. Esto concierne a la estimación media. Sin embargo, según otro método de cálculo, la cantidad pudo alcanzar 19,0 ± 3,4 EBq.
Esta cantidad es dos veces superior al total de emisiones de xenón durante la catástrofe de Chernóbil. Por otra parte, las emisiones de cesio 137 de los cuatro reactores dañados de Fukushima corresponden solamente al 43% de las estimadas por el solo reactor n° 4 de Chernóbil. Esta catástrofe constituye por tanto la mayor liberación de gas noble radiactivo de toda la Historia.
La producción del xenón emitida se explica por la desintegración del 133I en 133Xe en los reactores en dificultad, luego en fusión, principalmente en la piscina del reactor n° 4. Tras la aspersión de esta piscina, las emisiones disminuyeron considerablemente.
La mayor parte del xenón emitido se dirigió hacia el Pacífico y los Estados Unidos. No sólo Japón fue afectado por la emisión del xenón, sino también por la radiactividad del cesio y del yodo. El país del Sol Naciente fue objeto en abril-mayo de 2011 de una primera evaluación retrospectiva oficial. El xenón radiactivo contribuyó notablemente a una primera exposición interna y externa de los japoneses.
A pesar de la estabilidad de su capa electrónica, se pueden preparar compuestos del xenón, todos en los grados de oxidación II, IV, VI y VIII.
Desde su descubrimiento en 1898, el elemento es conocido por su inactividad química. En 1933, Linus Pauling se propuso aislar el KrF6 y el XeF6, pero sin éxito. D.M. Yost y A.L. Lake también intentaron el experimento, pero llegaron al mismo resultado. Sometieron una mezcla de diflúor y xenón a descargas eléctricas.
El xenón dispone por tanto de cierta reactividad al establecer verdaderos enlaces covalentes. Puede encontrarse dentro de unas decenas de compuestos químicos. Esto es posible gracias a la polarizabilidad de su cortejo electrónico, que es de 4,01 Å3 (= 4,01 × 10-24 cm3). La del kriptón es de 2,46 (algunos compuestos covalentes), 0,39 para el neón, 0,62 para el argón y 0,201 para el helio.
La polarizabilidad expresa generalmente la posibilidad del cortejo electrónico de deformarse. Esta propiedad es esencial para poder entrar en combinación con otros átomos.
En 1962, Neil Bartlett, sintetiza la primera molécula de hexafluoroplatinato de xenón. Posteriormente, se prepararon otros compuestos, más de 80 son conocidos en 2007. Estos incluyen el difluoruro de xenón (XeF2), el tetrafluoruro de xenón (XeF4) y el hexafluoruro de xenón (XeF6). El perxenato de sodio (Na4XeO6*8H2O) un potente oxidante. El trióxido (XeO3) es explosivo, el tetraóxido de xenón (XeO4) forma parte también de los compuestos.
La mayoría de los compuestos del xenón contienen flúor y oxígeno: el oxitetrafluoruro de xenón XeOF4 o el dioxidifluoruro de xenón XeO2F2. Los otros átomos enlazados al xenón forman parte de una molécula que contiene oxígeno o flúor. Tal es el caso del hidrógeno y del carbono.
La mayoría de los compuestos del xenón son incoloros; existen algunos que son coloreados.
A veces, los compuestos organoxenón contienen Xe (II) o (IV). En un enlace carbono-xenón, los átomos de xenón forman parte de una molécula que comporta flúor u oxígeno.
La ionización de un compuesto del xenón se produce por arrancamiento o por fijación de un ion fluoruro. Así, es posible dar acceso a una química iónica del xenón. Los iones conocidos son:
Se trata de las estructuras más simples para el xenón. El catión tetraxenón-oro(II) AuXe42+ se caracteriza en el complejo [AuXe42+](Sb2F11-)2.
La síntesis de varias moléculas que contienen xenón fue realizada en la Universidad de Helsinki en 1995 por un grupo de investigadores. Se trataba, entre otros, de los siguientes compuestos:
De igual manera, se han sintetizado moléculas deuteradas así como moléculas orgánicas que contienen xenón.
Aparte de los compuestos previamente citados, el xenón forma clatratos en los que átomos de xenón están atrapados en la red cristalina formada por un compuesto químico. El hidrato de xenón (Xe*5,75H2O) está formado por átomos de xenón atrapados en la red cristalina compuesta de moléculas de agua y su análogo deuterado Xe*5,75D2O.
En la naturaleza, los clatratos se forman bajo alta presión, por ejemplo bajo los hielos de la Antártida, en el lago Vostok. La formación de clatratos sirve principalmente a la preparación del kriptón, del argón y del xenón gracias a la destilación fraccionada.
Los fullerenos también pueden atrapar el átomo de xenón en ellos. La reactividad del fullereno está influenciada por el átomo de xenón. El desplazamiento químico del xenón depende grandemente de su entorno. La resonancia magnética nuclear (RMN) del 129Xe permite observar el átomo atrapado así como las reacciones químicas que implican al fullereno.
Los átomos de xenón no pueden formar enlaces en su estado de energía fundamental. Se repelen unos a otros. Gracias a un aporte de energía, forman, de manera transitoria, un dímero en un estado excitado llamado “excímero”. Los átomos vuelven al estado fundamental una vez que los electrones están desexcitados.
La formación del dímero es posible porque los átomos de xenón buscan llenar su capa electrónica periférica. Se produce de manera transitoria gracias a la “captura” de uno de los electrones del átomo de xenón vecino. La vida útil de un excímero de xenón es de 1 a 5 nanosegundos. La emisión de fotones de longitudes de onda cercanas a 150 y 173 nanómetros genera la desexcitación.
El tercer continuo es una emisión más problemática debido a su origen. El origen sería un ion molecular Xe2+. El xenón también puede formar con otros elementos, como el bromo, el cloro y el flúor, compuestos binarios diatómicos de manera transitoria. Esto se vuelve posible porque el xenón excitado posee una estructura electrónica idéntica a la de los metales alcalinos. Por lo tanto, puede reaccionar con los halógenos. Además, estas moléculas sirven en el campo de los láseres.
El xenón es bastante raro y su extracción de la atmósfera terrestre moviliza recursos costosos. Sin embargo, se utiliza para numerosos fines.
Este elemento sirve principalmente para las lámparas de descarga.
Este tipo de lámpara se utiliza como dispositivo de emisión de luz en los flashes luminosos, los flashes fotográficos o los estroboscopios. En la producción de láser, el xenón se utiliza para excitar el medio amplificador que produce posteriormente un haz coherente. En 1960, una lámpara de xenón sirve para generar el primer láser sólido. Los láseres utilizados en la fusión nuclear provienen del mismo procedimiento.
Las lámparas de descarga de xenón poseen una temperatura de color que se aproxima a la del Sol al mediodía. Es por eso que se utilizan para simular el Sol en bancos solares.
En los años cuarenta, estas lámparas reemplazan a las lámparas de arco de carbono y los proyectores de cine. Se encuentran en los sistemas de proyección de 35 mm o IMAX y otros usos específicos. Las lámparas de arco de xenón pueden servir como fuente de radiación ultravioleta de corta longitud de onda. En efecto, poseen una gran intensidad de emisión, cercana al infrarrojo. Por lo tanto, sirven en algunos de los equipos de visión nocturna.
En los años 2000, las lámparas de xenón se utilizan para los faros de automóvil. Estas lámparas de descarga proporcionan una iluminación potente con una luz blanca ligeramente azulada. Este tipo de faros es sin embargo costoso, ya que necesita una alimentación de alta tensión. De igual manera, un sistema de servocontrol en acimut es obligatorio para evitar el deslumbramiento de los conductores en sentido inverso.
Las pantallas de plasma contienen una mezcla de neón ionizado y de xenón, en forma de plasma por los electrodos. La interacción de los electrodos con el plasma produce una radiación ultravioleta. Esta última excita el revestimiento que contiene fósforo que constituye los lados visibles del sistema de visualización. El xenón sirve igualmente de “gas de arranque” para las lámparas de vapor de sodio de alta presión. Este elemento posee la conductividad térmica y el potencial de primera ionización más bajo entre todos los gases nobles no radiactivos. Por su inercia, no interfiere con las reacciones químicas cuando la lámpara funciona. Gracias a su baja conductividad térmica, es posible minimizar las pérdidas térmicas durante el uso. Su bajo potencial de ionización permite obtener una tensión de ruptura particularmente baja para el gas en frío. Así, la lámpara funcionará más fácilmente.
Un grupo de investigadores de los laboratorios Bell descubre un efecto láser en el xenón en 1962. Los científicos constatan después que una adición de helio al medio activo aumenta la ganancia de amplificación del láser.
Un dímero (Xe2) excitado por un haz de electrones sirve para realizar el primer láser de excímero. Este último producía una emisión estimulada en el ultravioleta con una longitud de onda de 176 nm. Los láseres de excímeros o de exciplexes recurrían al cloruro de xenón y al fluoruro de xenón. La dermatología encuentra una aplicación a los láseres de excímeros de cloruro de xenón. Es posible generar una emisión a 354 nm con XeF4, 308 nm con el XeCl, y 282 nm con el XeBr. El láser de fluoruro de kriptón, por su parte, ofrece una emisión en el ultravioleta cercano a 248 nm.
La medicina encuentra aplicaciones al xenón en anestesia y en imágenes médicas.
El xenón se utiliza en anestesia general inhalatoria a pesar de su precio. En 2008, solo los dos CHU de Nîmes y de Burdeos estaban equipados en toda Francia. Más tarde, los CHU de Clermont-Ferrand y de Poitiers se sirvieron de él para ensayo.
No hay que utilizar sin embargo el xenón para anestesiar a pacientes frágiles en el plano respiratorio. En efecto, sus propiedades anestésicas no funcionan más que a concentraciones elevadas (superiores al 60%). Esto reduce el aporte de dioxígeno al 40%, lo que es insuficiente para estas personas.
La anestesia con xenón no cuenta con muchos efectos secundarios. En efecto, los pacientes no sufren una bajada de presión arterial y el despertar o el retorno a la consciencia es más rápido. Solo que el gas sigue siendo costoso. He aquí por qué su uso sigue siendo limitado.
El efecto del xenón en anestesia se explica por dos mecanismos. Primero, la inhibición de Ca2+ ATPasa se efectúa en la membrana plasmática sináptica. Esta proteína contribuye a transportar el calcio. La inhibición se explica por un cambio conformacional cuando el Xe se asocia a sitios no polares en la proteína. Segundo, el mecanismo implicaría interacciones no significativas entre la capa lipídica y el anestesiante.
El xenón dispone por otra parte de una concentración alveolar mínima (MAC) estimada al 71%. Su poder anestesiante es mitad más fuerte que el protóxido de nitrógeno. Conviene principalmente servirse de él con oxígeno a fin de evitar la hipoxia. El xenón es diferente del protóxido de nitrógeno, ya que no se trata de un gas de efecto invernadero. No presenta por tanto ningún peligro para el medio ambiente. En cambio, debido a su costo elevado, sus aplicaciones necesitan un sistema cerrado con el fin de poder reciclarlo y reutilizarlo. Esta parte se hace por filtración y purificación.
La imagen médica utiliza dos técnicas distintas que implican el xenón. Se trata de la utilización del xenón hiperpolarizado y la del radioisótopo 133.
El xenón sirve principalmente en la imagen del cerebro, de los pulmones o del corazón. La tomografía de emisión monofotónica produce la emisión gamma del radioisótopo 133 del xenón. Este último sirve también para medir el flujo de sangre.
Un momento angular no nulo caracteriza los núcleos de dos isótopos estables del xenón: 129Xe y 131Xe. La hiperpolarización de estos núcleos se produce después de un protocolo complejo.
Los isótopos son sumergidos en vapores de elementos alcalinos o de nitrógeno. Estos vapores de alcalino son producidos por calentamiento del rubidio metal a más de 100°C.
Después, son expuestos a un flujo láser polarizado de manera circular. La longitud de onda del láser debe corresponder a una de las rayas de absorción del alcalino.
Sus espines nucleares se alinean entonces en un proceso de intercambio. El flujo láser polariza los electrones de valencia del alcalino. Estos últimos transmiten su polarización a los núcleos de xenón gracias a un acoplamiento magnético hiperfino.
La polarización de los espines de los núcleos de xenón puede ser ampliamente superior al valor de equilibrio estimado por una distribución de Boltzmann. Puede ir más allá del 50% de su valor máximo posible. Se habla entonces de hiperpolarización.
El núcleo del 129Xe dispone de un espín nuclear de I = 1/2. A este efecto, no tiene momento cuadripolar eléctrico. Durante colisiones con otros átomos, no sufre por tanto interacción cuadripolar. Esto permite guardar la hiperpolarización durante un largo momento. Esto se aplica incluso después del corte del láser y eliminación de los vapores del alcalino por condensación sobre una superficie a temperatura ambiente.
El “tiempo de relajación T1” es la duración necesaria para que la distribución de espines vuelva a su polarización de equilibrio definida por la estadística de Boltzmann. Para el 129Xe, T1 varía de algunos segundos a algunas horas o a algunos días. En el primer caso, los átomos de xenón están disueltos en sangre. En el segundo caso, se trata de xenón gaseoso. En el último caso, el xenón está en estado sólido.
Gracias a la hiperpolarización del 129Xe, su detección por imagen por resonancia magnética es notablemente más sensible. Esto permite también realizar imágenes de pulmones, lo que es en principio difícil por otras técnicas y con otros tejidos. Los flujos gaseosos en los pulmones pueden, por ejemplo, ser visualizados gracias a esta técnica.
Además, se han llevado a cabo investigaciones para encapsular el xenón en un entorno específico. El objetivo es poder observar selectivamente partes del cuerpo o células particulares. La jaula podría ser una emulsión lipídica destinada a estudios neurológicos. Un encapsulamiento por criptofano ha sido estudiado para servir de biorreceptor.
A diferencia del 129Xe, el 1311Xe dispone de un espín nuclear I = 3/2. Su momento cuadripolar es por tanto no nulo. El tiempo de relajación varía de algunos milisegundos a algunos segundos.
El xenón encuentra aplicaciones en los campos donde una masa molecular elevada y un carácter inerte son requeridos. Se encuentra en las cámaras de burbujas y los detectores.
Para detectar Weakly Interacting Massive Particles o WIMPs, el xenón líquido constituye un medio propicio. Cuando este tipo de partícula entra en colisión con un átomo de Xe, en principio, le arranca un electrón y se puede observar una centelleo. Esta interacción es relativamente fácil de distinguir de otros eventos similares que partículas tales como los rayos cósmicos engendran. El experimento XENON del laboratorio italiano del Gran Sasso no ha permitido sin embargo confirmar la existencia de una WIMP.
Sin embargo, estos estudios contribuyen a hacer avanzar el conocimiento de la materia oscura y de otros modelos de física. El detector del Gran Sasso es, en efecto, cinco veces más sensible que cualquier otro instrumento puesto a punto. A lo largo del año 2008, el aparato fue objeto de una mejora en cuanto a su sensibilidad.
La propulsión iónica de los ingenios espaciales se realiza casi siempre con xenón. Esto se explica por su baja energía de ionización por unidad de masa atómica. Por otra parte, es posible almacenarlo y transportarlo bajo forma líquida a temperaturas próximas a la temperatura ambiente pero bajo alta presión. Puede ser fácilmente devuelto al estado gaseoso para alimentar el motor.
Debido a su carácter inerte, el xenón es también menos corrosivo y menos contaminante para los motores iónicos. Es por tanto preferido al mercurio y al cesio. El xenón ha servido para alimentar los motores iónicos de los satélites en los años setenta. También ha sido utilizado a modo de propulsor para “Smart 1”, el vehículo espacial europeo. Después, la sonda americana “Dawn” fue provista de tres motores iónicos que funcionaban con xenón.
Para producir microsistemas electromecánicos o MEMs, el silicio es atacado por difluoruro de xenón (XeF2). La reacción del difluoruro de xenón con el uracilo permite obtener fluorouracilo, un medicamento anticanceroso. El xenón sirve para resolver la estructura de las proteínas durante una difracción. Este elemento se aloja en las cavidades hidrófobas de las proteínas una vez expuesta a una presión entre 0,5 y 5 MPa. La fase puede ser encontrada gracias a la derivación a los átomos pesados.
El xenón no radiactivo puede servir de anestésico si el paciente no presenta fragilidad respiratoria.
El 133Xe (radiactivo) constituye un agente a menudo utilizado por ciertos biólogos y médicos para estudios funcionales del pulmón. También es utilizado para establecer ciertos diagnósticos. En ambos casos, existe cierta dosis a respetar, prevista por el protocolo.
El xenón se disuelve rápidamente en la mayoría de los cauchos y de los plásticos. Si el cierre de su contenedor está constituido de estas materias, el xenón se escapará progresivamente. En condiciones normales de presión y de temperatura, puede ser almacenado sin riesgo. Los contenedores deben, sin embargo, ser de vidrio o de metal sellados.
El almacenamiento del 133Xe necesita precauciones particulares ya que es costoso y radiactivo. El isótopo es producido a partir de uranio 235 durante su fisión. Es distribuido en frascos de 2 ml con 370 o 740 megabecquerelios (10 o 20 milicurios) de xenón.
Supongamos que en la calibración antes del almacenamiento o experimento, el gas preparado no contiene más del 0,3% de 133Xe. No poseería más del 1,5% de 131Xe y no más del 0,06% de 85Kr. La cantidad de 131I, por su parte, no excedería el 0,01%. No menos del 99,9% de la radioactividad del gas proviene del radioxenón. Este último es conocido por comportarse en el organismo como xenón no radiactivo. La composición va a cambiar con el tiempo. Este fenómeno se debe a la descomposición radiactiva y a las eventuales fugas después del trasvase en los contenedores.
Incluso almacenadas cerradas, las botellas “multi-inyecciones” de 133Xe de los años sesenta y setenta perdían del 5 al 6% de su xenón cada día. Más tarde, la fuga fue reducida de un 70 a un 80% gracias al frío.
Una jeringa de plástico llena de una solución de xenón pierde del 0,5 al 1% de su contenido por hora. Este elemento, poco soluble en las soluciones salinas, puede desligarse de una sustancia e infiltrarse en la junta de caucho del pistón de la jeringa. Por consiguiente, 0,5 ml de solución de xenón en una jeringa de 2,5 cm3 puede ser reducida a la mitad de su xenón en 2 horas.
El xenón radiactivo puede ser peligroso para el medio ambiente. A este efecto, todo sistema de administración por inhalación del gas 133Xe debe ser perfectamente estanco. Se trata por ejemplo de respirador, así como los accesorios, montajes y tubos asociados. Una protección por un sistema de ventilación y de filtración adecuado es necesaria.
El xenón en estado puro no es tóxico. Sin embargo, puede alcanzar el cerebro franqueando la barrera hematoencefálica. Por otra parte, se disuelve fácilmente en la sangre. Según la dosis, puede engendrar una anestesia parcial o total. Más allá de cierta cantidad, asfixia. Los compuestos del xenón son tóxicos. Debido a su poder oxidante considerable, varios de ellos también son explosivos. Esto se explica también por la tendencia del xenón y del dioxígeno a separarse.
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