Xenon

Rozbalit box

Obsah boxu

Xenon (chemická značka Xe, latinsky Xenon) je chemický prvek s protonovým číslem 54. Patří mezi vzácné (neboli inertní) plyny a nachází se v 18. skupině a 5. periodě periodické tabulky. Je to těžký, bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, který se v malém množství vyskytuje v zemské atmosféře. Ačkoliv byl dlouho považován za zcela inertní, je známo, že za specifických podmínek tvoří sloučeniny, především s fluorem a kyslíkem. Xenon je známý především pro své využití v osvětlovací technice (xenonové výbojky), v iontových motorech pro pohon kosmických sond a jako moderní anestetikum v medicíně.

📜 Historie

Objev xenonu je úzce spjat s objevem ostatních vzácných plynů na konci 19. století. Poté, co Lord Rayleigh a William Ramsay objevili v roce 1894 argon, Ramsay předpověděl existenci celé skupiny podobných prvků. V roce 1898 se Ramsaymu a jeho spolupracovníkovi Morrisi Traversovi podařilo z kapalného vzduchu izolovat krypton a neon.

Při dalším zkoumání zbytků po frakční destilaci kapalného vzduchu objevili ještě těžší plyn. Tento nový prvek identifikovali pomocí spektroskopie, která ukázala unikátní spektrum modrého světla. Ramsay navrhl název xenon z řeckého slova ξένον (xenon), což znamená "cizí", "cizinec" nebo "host", aby zdůraznil jeho vzácnost a cizorodost.

Po desetiletí byl xenon, stejně jako ostatní vzácné plyny, považován za absolutně chemicky inertní. Tento pohled se dramaticky změnil v roce 1962, kdy chemik Neil Bartlett z Univerzity Britské Kolumbie v Kanadě připravil první sloučeninu vzácného plynu – hexafluoroplatičitan xenonný (XePtF₆). Tento objev otevřel zcela novou kapitolu v chemii a vedl k syntéze desítek dalších sloučenin xenonu.

⚛️ Fyzikálně-chemické vlastnosti

🔬 Fyzikální vlastnosti

Xenon je za standardních podmínek plyn s hustotou 5,894 kg/m³, což je přibližně 4,5krát více než hustota vzduchu. Je to plyn bez barvy, chuti a zápachu. Jeho bod varu je -108,1 °C a bod tání -111,8 °C. V pevném stavu krystalizuje v plošně centrované kubické mřížce (fcc), stejně jako většina ostatních vzácných plynů.

Charakteristickým znakem xenonu je jeho světelné spektrum. Pokud je uzavřen ve výbojové trubici a je podroben elektrickému výboji, emituje jasné modrofialové až levandulové světlo. Toto světlo je ve skutečnosti směsí mnoha spektrálních čar pokrývajících velkou část viditelného spektra, což ve výsledku dává dojem bílého světla, čehož se využívá v xenonových výbojkách.

🧪 Chemické vlastnosti

Xenon má plně zaplněnou valenční elektronovou slupku (konfigurace 5s²5p⁶), což mu dodává vysokou stabilitu a nízkou reaktivitu. Jeho ionizační energie je však nejnižší ze všech neradioaktivních vzácných plynů, což umožňuje odtržení elektronu a tvorbu chemických vazeb s vysoce elektronegativními prvky.

První připravenou sloučeninou byl hexafluoroplatičitan xenonný. Krátce poté byly syntetizovány jednodušší binární sloučeniny, především fluoridy: fluorid xenonatý (XeF₂), fluorid xenoničitý (XeF₄) a fluorid xenonový (XeF₆). Tyto fluoridy jsou silnými oxidačními a fluoračními činidly.

Reakcí fluoridů s vodou vznikají oxidy, jako je vysoce explozivní oxid xenonový (XeO₃) a nestabilní oxid xenoničelý (XeO₄). Jsou známy také oxofluoridy (např. XeOF₄) a soli odvozené od kyseliny xenonové (xenonany) a xenoničelé (xenoničelany). Xenon může tvořit i vazby s jinými prvky, například s dusíkem nebo uhlíkem, ačkoliv tyto sloučeniny jsou obvykle velmi nestabilní.

🌍 Výskyt v přírodě a výroba

Xenon je velmi vzácný prvek. V zemské atmosféře je jeho koncentrace pouze asi 0,087 ppm (tj. 1 díl na přibližně 11,5 milionu dílů vzduchu). Vyskytuje se také v plynech unikajících z některých minerálních pramenů. Ve vesmíru je jeho zastoupení vyšší, vzniká v nitru hvězd procesy nukleosyntézy.

Komerčně se xenon získává výhradně jako vedlejší produkt při frakční destilaci zkapalněného vzduchu v zařízeních na výrobu kyslíku a dusíku. Protože má xenon vyšší bod varu než hlavní složky vzduchu, zůstává spolu s kryptonem v kapalné frakci kyslíku. Následnou rektifikací této směsi se oba plyny oddělí. Vzhledem k jeho nízké koncentraci a energeticky náročné výrobě je xenon velmi drahý plyn.

⚙️ Využití

Navzdory své vysoké ceně má xenon řadu specializovaných a důležitých využití.

💡 Osvětlovací technika

Nejznámějším využitím xenonu jsou xenonové výbojky. Tyto lampy produkují intenzivní, jasné bílé světlo, které se velmi podobá dennímu světlu. Používají se v:

• Automobilových světlometech: tzv. "xenony" (správně HID lampy) poskytují lepší viditelnost a delší životnost než tradiční halogenové žárovky.
• Filmových projektorech: V kinech (včetně IMAX) zajišťují jasný a stabilní obraz na velkých plátnech.
• Blescích a stroboskopech: Krátké, intenzivní záblesky světla jsou ideální pro fotografování a signalizační zařízení.
• Vyhledávacích a scénických světlometech: Pro osvětlení velkých ploch.

🚀 Kosmonautika

Xenon je klíčovým palivem (přesněji propelentem) pro iontové motory. V těchto motorech jsou atomy xenonu ionizovány a následně urychlovány silným elektrickým polem. Vystupující proud iontů vytváří malý, ale konstantní tah. Iontové motory jsou extrémně účinné a umožňují kosmickým sondám, jako jsou Deep Space 1 nebo Dawn, cestovat na velké vzdálenosti s minimální spotřebou paliva. Xenon je pro tento účel ideální díky své vysoké atomové hmotnosti, nízké ionizační energii a chemické inertnosti.

⚕️ Medicína

• Anestezie: Xenon působí jako inhalační anestetikum. Jeho výhodou je velmi rychlý nástup a odeznění účinku, minimální vedlejší účinky na kardiovaskulární systém a neuroprotektivní vlastnosti (chrání mozek před poškozením při nedostatku kyslíku). Jeho použití je však omezeno velmi vysokou cenou.
• Zobrazovací metody: Hyperpolarizovaný xenon-129 se používá jako kontrastní látka při zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) pro detailní zobrazení plic a jejich funkce. Používá se také v počítačové tomografii (CT) ke zlepšení kontrastu měkkých tkání.

🔬 Věda a výzkum

• Detekce částic: Kapalný xenon se používá jako scintilační médium v detektorech pro hledání temné hmoty (např. v experimentech XENON, LUX, PandaX) a pro detekci neutrin. Jeho vysoká hustota a atomové číslo z něj činí efektivní cíl pro interakce s těmito vzácnými částicemi.
• Lasery: Xenon se používá jako pracovní médium v některých typech laserů, například v excimerových laserech.
• NMR spektroskopie: Hyperpolarizovaný xenon se využívá ke studiu povrchů a porézních materiálů.

🧪 Sloučeniny xenonu

Objev sloučenin xenonu v roce 1962 vyvrátil dogma o absolutní inertnosti vzácných plynů. Dnes je známa celá řada sloučenin, ve kterých xenon vystupuje v oxidačních stavech od +1 do +8.

• Fluoridy:

 * Fluorid xenonatý (XeF₂): Bílá krystalická látka, nejsnáze připravitelný a nejstabilnější z fluoridů.
 * Fluorid xenoničitý (XeF₄): Bílá krystalická látka, vzniká přímou reakcí xenonu s nadbytkem fluoru.
 * Fluorid xenonový (XeF₆): Bezbarvá krystalická látka, která je extrémně reaktivní.

• Oxidy:

 * Oxid xenonový (XeO₃): Bílá krystalická látka, která je v pevném stavu nebezpečně výbušná. Vzniká hydrolýzou XeF₄ nebo XeF₆.
 * Oxid xenoničelý (XeO₄): Nestabilní plyn, který snadno exploduje. Xenon zde dosahuje svého maximálního oxidačního čísla +8.

• Soli:

 * Xenonany: Soli odvozené od kyseliny xenonové (H₂XeO₄), která je však nestabilní.
 * Xenoničelany: Soli odvozené od kyseliny xenoničelé (H₄XeO₆), například xenoničelan sodný (Na₄XeO₆). Jsou to jedny z nejsilnějších známých oxidačních činidel.

☣️ Bezpečnost a toxicita

Samotný plynný xenon je netoxický a chemicky inertní. Stejně jako jiné plyny, které jsou hustší než vzduch, může však v uzavřených, nevětraných prostorách vytlačit kyslík a působit jako jednoduchý dusivý plyn. Při vdechování ve vysokých koncentracích způsobuje rychlé bezvědomí a smrt udušením.

Naopak sloučeniny xenonu jsou vysoce reaktivní a toxické. Fluoridy xenonu jsou silná oxidační činidla a při kontaktu s kůží nebo sliznicemi způsobují vážné chemické popáleniny. Oxid xenonový (XeO₃) je navíc extrémně citlivý na náraz a teplo a může explodovat s velkou silou. Práce s těmito látkami vyžaduje speciální vybavení a maximální opatrnost.

🤓 Pro laiky

• Co je to xenon?

Představte si ho jako velmi vzácný a "těžký" vzduch. Je to plyn, který je součástí atmosféry, ale je ho tam extrémně málo. Nemá žádnou barvu ani zápach.

• Proč je zvláštní?

Patří do skupiny "vznešených" neboli vzácných plynů. Dlouho se myslelo, že je tak "líný", že se nikdy nesloučí s jinými prvky. V 60. letech ale vědci přišli na to, jak ho "donutit" k reakci, což byl obrovský průlom v chemii.

• K čemu se používá?

Jeho nejznámější použití je v super jasných světlometech moderních aut – to jsou ty, co svítí jasným bílým světlem. Také se používá v obřích projektorech v kinech. V kosmonautice slouží jako palivo pro speciální iontové motory, které pohánějí vesmírné sondy na dlouhých cestách. V medicíně se dá použít jako velmi moderní a šetrné anestetikum při operacích.

• Je nebezpečný?

Samotný plyn jedovatý není, ale nemůžete ho dýchat, protože by vám v plicích nahradil kyslík. Jeho chemické sloučeniny jsou ale něco úplně jiného – jsou extrémně reaktivní, žíravé a některé dokonce i výbušné.

Šablona:Aktualizováno