Xeno

Lo xenon o xeno (dal greco ξένον, xénon: "straniero")^[2] è l'elemento chimico che ha come numero atomico 54 e come simbolo Xe. Fa parte del gruppo dei gas nobili (gruppo 18 della tavola periodica degli elementi) dove è collocato al 5° posto, tra il kripton e il radon. Tra i gas nobili è l'ultimo non radioattivo ed è stato il primo di cui si siano mai sintetizzati dei composti.

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Xeno
54 Xe                                                                                                                                                                                                                                               iodio ← xeno → cesio
Aspetto
Aspetto dell'elemento incolore, emissioni di luce azzurra
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	xeno, Xe, 54
Serie	gas nobili
Gruppo, periodo, blocco	18 (VIIIA), 5, p
Densità	5,9 kg/m³ (a 273 K)
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	1S0
Proprietà atomiche
Peso atomico	131,293
Raggio covalente	130 pm
Raggio di van der Waals	216 pm
Configurazione elettronica	[Kr]4d10 5s2 5p6
e− per livello energetico	2, 8, 18, 18, 8
Stati di ossidazione	0, 1, 2, 4, 6, 8
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	gas (non magnetico)
Punto di fusione	161,4 K (−111,7 °C)
Punto di ebollizione	165,1 K (−108,0 °C)
Punto critico	15,85 °C a 5,841 MPa
Volume molare	35,92×10−3 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	12,636 kJ/mol
Calore di fusione	2,297 kJ/mol
Velocità del suono	1090 m/s a 25 °C
Altre proprietà
Numero CAS	7440-63-3
Elettronegatività	2,6 (scala di Pauling)
Calore specifico	158 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	nessun dato
Conducibilità termica	0,00569 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	1 170,4 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	2 046,4 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3 099,4 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 124Xe 0,1% 1,8×1022 anni[1] ε ε   124Te 125Xe sintetico 16,9 ore ε 1,652 125I 126Xe 0,09% Xe è stabile con 72 neutroni 127Xe sintetico 36,4 giorni ε 0,662 127I 128Xe 1,91% Xe è stabile con 74 neutroni 129Xe 26,4% Xe è stabile con 75 neutroni 130Xe 4,07% Xe è stabile con 76 neutroni 131Xe 21,2% Xe è stabile con 77 neutroni 132Xe 26,9% Xe è stabile con 78 neutroni 133Xe sintetico 5,243 giorni β− 0,427 133Cs 134Xe 10,4% Xe è stabile con 80 neutroni 135Xe sintetico 9,10 ore β− 1,16 135Cs 136Xe 8,9% 2,36×1021 anni β−β−   136Ba
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

È un gas incolore, inodore e molto denso, 4,5 volte più pesante dell'aria. Benché non sia un elemento tanto raro nel Sistema Solare,^[3] è il più raro dei gas nobili (eccetto il radon radioattivo) nell'atmosfera terrestre, dove è presente in tracce (0,087 ppm).^[4]

Scoperta ed etimologia

Lo xenon fu scoperto dal chimico scozzese William Ramsay e dal chimico inglese Morris Travers nel 1898,^[5] dopo la loro scoperta del kripton e del neon.^[6] Lo xenon venne trovato nel residuo lasciato dall'evaporazione dell'aria liquida.^[7][8]

Il nome «xenon» (in inglese) venne suggerito da Ramsay derivandolo, come si usava, dal greco antico ξένον (xénon), nome neutro che significa straniero, estraneo, forestiero.^[9]

Nel 1902 stimò che la concentrazione di questo gas nell'atmosfera in una parte in 20 milioni.^[10]

Caratteristiche

Lo xenon appartiene al gruppo dei cosiddetti gas nobili ed è normalmente considerato un elemento a valenza zero, che non forma quindi composti in condizioni ordinarie.

Eccitato da una scarica elettrica, lo xenon produce una luce azzurra; questo fenomeno è sfruttato nella produzione di lampade.

A pressioni elevatissime (dell'ordine delle decine di gigapascal) lo xenon esiste allo stato metallico.^[11]

Con l'acqua lo xenon può formare dei clatrati, ossia dei sistemi in cui gli atomi di xenon sono fisicamente intrappolati all'interno del reticolo cristallino dell'acqua, benché non siano in alcun modo legati chimicamente ad essa.

Questo gas è famoso e principalmente usato per la realizzazione di lampade e dispositivi luminosi: lampade flash allo xenon per la fotografia, luci stroboscopiche, sorgenti di eccitazione per laser, lampade battericide e per dermatologia, lampade per l'illuminazione automobilistica; ormai tutte le lampade utilizzate per proiezioni cinematografiche utilizzano questo gas.

Le lampade ad arco di xenon ad alta pressione hanno una temperatura di colore simile a quella della luce solare, sono inoltre una fonte di luce ultravioletta a corta lunghezza d'onda e di radiazione nel vicino infrarosso.

Tra gli altri usi dello xenon si annoverano:

• l'uso come anestetico generale
• l'uso dei perxenati come agenti ossidanti in chimica analitica
• ¹³³Xe è un utile radioisotopo
• la produzione di immagini di tessuti umani, soprattutto delle vie respiratorie, per l'imaging a risonanza magnetica di ¹²⁹Xe iperpolarizzato
• l'impiego preferenziale nei motori a propulsione ionica, per via della sua facile ionizzabilità, del suo alto peso molecolare e della sua inerzia chimica
• come materiale bersaglio in fase liquida in esperimenti di ricerca diretta di materia oscura (XENON Dark Matter Search Experiment).

Disponibilità

Lo xenon è un gas presente in tracce nell'atmosfera terrestre, in concentrazione di circa 0,05 ppm. Si trova anche nei gas emessi da alcune sorgenti minerali.

¹³³Xe e ¹³⁵Xe sono sintetizzati per irraggiamento da neutroni nei reattori nucleari raffreddati ad aria.

Industrialmente si ottiene per estrazione dal residuo dell'evaporazione dell'aria liquida.

Composti

Cristalli di XeF₄, 1962

Fino al 1962 lo xenon e gli altri gas nobili erano considerati chimicamente inerti ed incapaci di formare qualsivoglia composto chimico. Questa convinzione è stata smentita ed alcuni composti stabili di gas nobili sono stati sintetizzati.

Alcuni dei composti noti dello xenon sono il di-, il tetra- e l'esafluoruro, l'idrato e il deuterato, l'acido perxenico (H₄XeO₆), l'acido xenico (H₂XeO₄), il sodio perxenato, il triossido e il tetrossido (questi ultimi due, esplosivi).

Sono noti almeno 80 diversi composti formati da xenon, fluoro e ossigeno; alcuni di essi sono anche intensamente colorati.

Isotopi

Dell'elemento xenon si conoscono almeno 38 isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 110, ad A = 147.^[12] Tra questi, quelli naturalmente presenti sulla Terra sono i 9 isotopi che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi: ¹²⁴Xe (0,095%), ¹²⁶Xe (0,089%), ¹²⁸Xe (1,91%), ¹²⁹Xe (26,4%), ¹³⁰Xe (4,071%), ¹³¹Xe (21,232%), ¹³²Xe (26,909%, il più abbondante), ¹³⁴Xe (10,436%), ¹³⁶Xe (8,857%), con N = 82, numero magico di neutroni).^[12] Passando dal primo all'ultimo di questi, l'eccesso dei neutroni sui protoni va da 16 a 28.

Isotopi naturali

I primi due isotopi naturali dello xenon (124 e 126) e gli ultimi due (134 e 136) sono lievissimamente radioattivi.

Il ¹²⁴Xe è soggetto a doppia emissione di positrone (2β⁺) accompagnata da doppia cattura elettronica (2ε) e dal modo misto (εβ⁺), trasformandosi in ogni caso in ¹²⁴Te (stabile); le energie di decadimento per questi processi sono: Q_2β+ = 820,04 keV, Q_εβ+ = 1 842 keV e Q_εε = 2 864 keV; l'emivita complessiva è di 1,6×10¹⁴ anni (circa 10 000 volte l'età stimata dell'Universo).^[13]

Il ¹²⁶Xe è dato come stabile^[14] ma è soggetto a doppia cattura elettronica (2ε), trasformandosi in ¹²⁶Te (stabile), rilasciando 896 keV di energia.

Il ¹²⁸Xe è un isotopo stabile.^[15]

Il ¹²⁹Xe (spin 1/2+) è stabile ed è il principale nuclide che rende possibile la risonanza magnetica nucleare per lo xenon (¹²⁹Xe-RMN): la sua buona abbondanza, la discreta sensitività e il valore di 1/2 dello spin nucleare, che comporta assenza di momento di quadrupolo nucleare, permettono di ottenere spettri con picchi stretti, quindi alta risoluzione, anche per molecole poco simmetriche.^[16]

Il ¹³⁰Xe è un isotopo stabile.^[17]

Il ¹³¹Xe (spin 3/2+) è stabile ed è l'altro nuclide che permette la RMN per lo xenon; il suo spin > 1/2 comporta momento di quadrupolo, per cui si ottengono spettri abbastanza ben risolti solo per molecole sufficientemente simmetriche.^[18]

Il ¹³²Xe è un isotopo stabile.^[19]

Il ¹³⁴Xe è soggetto a doppio decadimento beta (2β⁻), trasformandosi in ¹³⁴Ba (stabile), rilasciando 825,38 keV di energia, con emivita di 5,8×10²² anni.^[20]

Il ¹³⁶Xe, nonostante abbia i neutroni in numero magico, è soggetto a doppio decadimento beta (2β⁻), trasformandosi in ¹³⁶Ba (stabile), rilasciando 2 461,8 keV di energia, con emivita di 2,4×10²¹ anni.^[21]

Isotopi artificiali

Il ¹²²Xe è soggetto a cattura elettronica (ε) con emivita di 20,11 ore, emettendo 725 keV e trasformandosi in ¹²²I, che poi decade ε a ¹²²Te, stabile.^[22]

Il ¹²³Xe è soggetto ad emissione di positrone (β⁺) con emivita di 2,08 ore, emettendo 1 672,56 keV e trasformandosi in ¹²³I, il quale decade a sua volta β⁺ a ¹²³Te, che poi decade ε a ¹²³Sb, stabile.^[23]

Il ¹²⁵Xe è soggetto ad emissione di positrone (β⁺) con emivita di 16,89 ore, emettendo 622,17 keV e trasformandosi in ¹²⁵I, che poi decade ε a ¹²⁵Te, stabile.^[24]

Il ¹²⁷Xe è soggetto a cattura elettronica (ε) con emivita di 36,345 giorni, emettendo 662,33 keV e trasformandosi in ¹²⁷I, stabile.^[25]

Il ¹³³Xe è soggetto a decadimento beta (β⁻) con emivita di 5,243 giorni, emettendo 427,36 keV e trasformandosi in ¹³³Cs, stabile.^[26]

Il ¹³⁵Xe è soggetto a decadimento beta (β⁻) con emivita di 9,139 ore, emettendo 1 164,8 keV e trasformandosi in ¹³⁵Cs, che poi decade ancora β⁻ a ¹³⁵Ba, stabile.^[27]

Il ¹³⁷Xe è soggetto a decadimento beta (β⁻) con emivita di 3,818 minuti, emettendo 4 166,25 keV e trasformandosi in ¹³⁷Cs, che poi decade ancora β⁻ a ¹³⁷Ba, stabile.^[28]

Il ¹³⁸Xe è soggetto a decadimento beta (β⁻) con emivita di 14,08 minuti, emettendo 2 736,5 keV e trasformandosi in ¹³⁸Cs, che poi decade ancora β⁻ a ¹³⁸Ba, stabile.^[29]

Applicazioni

¹²⁹Xe viene prodotto dal decadimento beta di ¹²⁹I (emivita di 16 milioni di anni) e dalla cattura elettronica da parte di ¹²⁹Cs (emivita di 32 ore);^{[30] 131}Xe, ¹³³Xe, ^133mXe e ¹³⁵Xe sono alcuni dei prodotti di fissione di ²³⁵U e ²³⁹Pu e quindi usati come indicatori di avvenute esplosioni.

Concentrazioni relativamente alte di isotopi radioattivi dello xenon si sprigionano anche dai reattori nucleari, dalle barre di combustibile spezzate e dalla fissione dell'uranio nell'acqua di raffreddamento. Le concentrazioni sono comunque basse se comparate al fondo di radioattività prodotto dal ²²²Rn.

Essendo lo xenon prodotto dal decadimento di due isotopi genitori, i rapporti tra le quantità dei diversi isotopi di xenon sono molto utili nella datazione di reperti su scale temporali molto lunghe e trovano impiego nello studio delle origini del sistema solare. La datazione basata sul metodo iodio-xenon consente di datare reperti risalenti ad un periodo compreso tra la nucleosintesi primordiale e la condensazione dell'oggetto dalla nebulosa da cui s'è originato il Sole.

L'isotopo Xe-135, con una sezione microscopica di assorbimento di 3×10⁸ fm², è un forte assorbitore di neutroni. Questo, unito alla frequenza con cui compare in seguito alle fissioni (soprattutto dal decadimento del ¹³⁵Te, ma anche come prodotto diretto di una fissione), assume una certa importanza in un reattore nucleare, dove la presenza di significative quantità di questo isotopo rende problematica la riattivazione della reazione dopo lo spegnimento del reattore, anche per molte ore.

Precauzioni

Lo xeno non è tossico e può essere maneggiato senza particolari precauzioni (fatte salve, se in bombola, quelle normalmente adottate per il maneggiamento di gas compressi).

I composti dello xeno sono invece tossici per via del loro elevato potere ossidante.