Xenon

Grundlagen und physikalische Eigenschaften

Xenon ist ein chemisches Element mit dem Symbol Xe und der Ordnungszahl 54. Es steht in der 18. IUPAC-Gruppe beziehungsweise in der 8. Hauptgruppe, in der 5. Periode und im p-Block des Periodensystems. Xenon gehört zu den Edelgasen und liegt unter Normalbedingungen als farbloses, geruchloses, einatomiges und äußerst reaktionsträges Gas vor. Seine Elektronenkonfiguration lautet [Kr] 4d^{10} 5s^{2} 5p^{6}.

Mit einer Atommasse von 131,293(6) u und einer Dichte von 5,8982 kg·m^{-3} bei 273,15 K beziehungsweise 0 °C und 1013 hPa ist Xenon deutlich schwerer als Luft. Seine Wärmeleitfähigkeit ist mit etwa 0,0055 bis 0,00569 W·m^{-1}·K^{-1} sehr niedrig. Der Schmelzpunkt wird in den Angaben mit 161,4 K (−111,7 °C) beziehungsweise 161,7 K (−111,45 °C), der Siedepunkt mit 165,2 K (−108 °C) beziehungsweise 165,1 K (−108 °C) angegeben; die Werte unterscheiden sich geringfügig. Festes Xenon kristallisiert kubisch flächenzentriert beziehungsweise in einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit dem Gitterparameter a = 620 pm.

Wie bei allen Edelgasen sind die Elektronenschalen abgeschlossen. Dadurch ist Xenon einatomig und reagiert nur wenig. Seine äußersten Elektronen lassen sich jedoch wegen der im Vergleich zu leichteren Edelgasen niedrigeren Ionisierungsenergie chemisch abspalten. Unter einem Druck von 33 GPa und bei 32 K wird Xenon elektrisch leitfähig und verhält sich wie ein Metall.

Geschichte der Entdeckung

Nachdem Argon 1894 von John William Strutt, 3. Baron Rayleigh, und William Ramsay entdeckt worden war und Ramsay 1895 Helium aus Uranerzen isoliert hatte, vermutete Ramsay aufgrund des Periodensystems weitere Edelgase. Untersuchungen von Mineralen, Meteoriten und heißen Gasen blieben zunächst erfolglos.

1898 untersuchten William Ramsay und Morris William Travers 15 Liter Rohargon. Durch Verflüssigung und fraktionierte Destillation entdeckten sie zunächst Krypton. Nach der Entdeckung von Neon untersuchten sie Krypton im September 1898 weiter und fanden ein weiteres Element mit höherem Siedepunkt. Sie nannten es Xenon.

Albert R. Behnke entdeckte 1939 die anästhetische Wirkung von Xenon; 1946 wurde sie von J. H. Lawrence an Mäusen bestätigt. Die erste Operation unter Xenon-Narkose gelang 1951 Stuart C. Cullen. Neil Bartlett stellte 1962 mit Xenonhexafluoroplatinat die erste Xenonverbindung und zugleich die erste Edelgasverbindung her. Im selben Jahr wurden nahezu gleichzeitig Xenon(II)-fluorid durch Rudolf Hoppe und Xenon(IV)-fluorid durch eine Gruppe um C. L. Chernick und H. H. Claassen synthetisiert.

Vorkommen und Gewinnung

Xenon ist im Universum nicht selten, gehört auf der Erde aber zu den seltensten Elementen und ist das seltenste stabile Element. In der Atmosphäre beträgt sein Anteil etwa 0,09 ppm; in der Erdhülle wird ein Massenanteil von 9 · 10^{-6} ppm angegeben. Geringe Mengen kommen auch in Ozeanen, Granit und Erdgasquellen vor. Ein Teil entstand durch den Spontanzerfall von Uran und Thorium. Die geringe Konzentration in Gesteinen wird möglicherweise dadurch erklärt, dass Xenon sich schlechter in Magnesiumsilikaten des Erdmantels löst als leichtere Edelgase. Eine weitere mögliche Erklärung ist eine chemische Bindung im Erdkern an Nickel und Eisen. Unter 150 GPa und 1200 °C bildet es mit Nickel XeNi_{3}, unter 200 GPa und 1700 °C mit Eisen XeFe_{3}.

Xenon wird von der CTBTO als Indikator für Atomwaffentests weltweit kontinuierlich gemessen. Meteoriten und Mondmaterial enthalten Xenon aus eingeschlossenen ursprünglichen Gasen sowie aus Zerfall, Spallationsreaktionen, Neutroneneinfang und Kernspaltung. Auch in einem Weißen Zwerg wurde eine im Vergleich zur Sonne 3800-fache Konzentration nachgewiesen; die Ursache ist unbekannt. Abgebrannter Kernbrennstoff ist wegen der vielen Xenon-Spaltprodukte reich an Xenon, eine kommerzielle gezielte Gewinnung daraus findet jedoch nicht statt.

Kommerziell wird Xenon ausschließlich aus Luft nach dem Linde-Verfahren gewonnen. Bei der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung reichert es sich zusammen mit Krypton im flüssigen Sauerstoff an. Das Konzentrat wird zunächst auf etwa 0,3 % Krypton und Xenon angereichert und von Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen und fluorierten Verbindungen gereinigt. Anschließend trennt eine weitere Kolonne Krypton und Xenon: Krypton und Sauerstoffreste entweichen oben, Xenon sammelt sich unten. Wegen seiner Seltenheit und hohen Nachfrage ist Xenon das teuerste Edelgas. Die Gesamtproduktion lag 2017 bei 12.200 m^{3}, entsprechend etwa 71,5 Tonnen.

Chemische Eigenschaften und Verbindungen

Xenon ist zusammen mit Radon das reaktivste Edelgas und besitzt die größte Zahl bekannter Edelgasverbindungen. Es reagiert direkt nur mit Fluor. Je nach Mengenverhältnis und erhöhten Temperaturen entstehen Xenon(II)-fluorid, Xenon(IV)-fluorid oder Xenon(VI)-fluorid. Verbindungen mit Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und einigen Metallen sind ebenfalls bekannt, häufig aber instabil oder nur unter besonderen Bedingungen darstellbar.

Die drei Xenonfluoride sind Xenon(II)-fluorid, Xenon(IV)-fluorid und Xenon(VI)-fluorid. Xenon(II)-fluorid ist linear aufgebaut, die stabilste Xenonverbindung und ein starkes Oxidations- und Fluorierungsmittel. Es löst sich ohne Zersetzung in Wasser und Säuren und hydrolysiert nur langsam. Xenon(IV)-fluorid ist quadratisch-planar, Xenon(VI)-fluorid oktaedrisch; beide hydrolysieren schnell. Xenon(VI)-fluorid reagiert mit Siliciumdioxid und kann deshalb nicht in Glasgefäßen aufbewahrt werden.

Xenon erreicht mit Xenon(VIII)-oxid, XeO_{3}F_{2} und Perxenaten der Form XeO_{6}^{4−} die Oxidationsstufe +8. Außerdem sind Xenon(VI)-oxid, XeO_{2}F_{2}, XeOF_{4}, Xenon(IV)-oxid und XeOF_{2} bekannt. Alle Xenonoxide und Oxyfluoride sind instabil, viele davon explosiv. Weitere Beispiele sind das nur bei tiefen Temperaturen spektroskopisch nachweisbare Xenon(II)-chlorid, die durch Photolyse in Edelgasmatrizen erzeugte Verbindung HXeOXeH, organische Xenonverbindungen, FXeN(SO_{2}F)_{2} sowie unter supersauren Bedingungen gebildete Komplexe mit Gold oder Quecksilber.

Xenon kann außerdem Clathrate bilden. Dabei ist das Atom physikalisch in einem Hohlraum eines Kristalls eingeschlossen. Im Xenon-Hydrat Xe·5¾H_{2}O befindet sich das Gas in Eis; diese Verbindung ist zwischen 195 und 233 K stabil.

Isotope und technische Anwendungen

Von Xenon sind 37 Isotope und zwölf weitere Kernisomere bekannt. Sieben Isotope sind stabil: ^{126}Xe, ^{128}Xe, ^{129}Xe, ^{130}Xe, ^{131}Xe, ^{132}Xe und ^{134}Xe. ^{124}Xe und ^{136}Xe sind instabil, haben aber Halbwertszeiten von 1,8 · 10^{22} beziehungsweise 2,11 · 10^{21} Jahren und tragen deshalb wesentlich zum natürlichen Xenon bei, ohne es nennenswert radioaktiv zu machen. Die größten natürlichen Anteile besitzen ^{132}Xe mit 26,9 %, ^{129}Xe mit 26,4 % und ^{131}Xe mit etwa 21,2 % beziehungsweise 21,29 %. Es folgen ^{134}Xe mit 10,4 % und ^{136}Xe mit 8,9 %.

Bei der Kernspaltung entsteht besonders ^{135}Xe. Es besitzt einen sehr großen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen von 2,9 · 10^{6} Barn. Dadurch werden Neutronen gebunden, die sonst weitere Kernspaltungen auslösen könnten. Nach dem Abschalten eines Reaktors kann sich ^{135}Xe weiter bilden, während sein Abbau verlangsamt ist. Diese sogenannte Xenonvergiftung kann das direkte Wiederanfahren verhindern und spielte bei der Katastrophe von Tschernobyl eine Rolle. ^{133}Xe wird in der Nuklearmedizin zur Untersuchung der Durchblutung von Gehirn, Muskeln, Haut und anderen Organen eingesetzt. ^{129}Xe dient als Sonde in der Kernspinresonanzspektroskopie. ^{136}Xe wird wegen seines doppelten Betazerfalls erforscht.

Die wichtigste Verwendung liegt in Xenon-Gasentladungslampen. Ein Lichtbogen erreicht etwa 6000 K; das ionisierte Gas erzeugt eine Strahlung, die dem Tageslicht vergleichbar ist. Die Lampen werden unter anderem in Filmprojektoren, Blitzlichtern, auf Flughäfen und in Autoscheinwerfern eingesetzt. Xenonlicht ist etwa 2,5-mal so lichtstark wie eine Halogenlampe gleicher elektrischer Leistung. Xenon dient außerdem als Lasermedium in Excimerlasern, etwa im Xe_{2}-Laser mit typischer Wellenlänge 172 nm und im Xe-F-Laser mit 354 nm.

In Ionenantrieben wird Xenon als Stützmasse verwendet. Sein hoher spezifischer Impuls ermöglicht eine effiziente Nutzung des Vorrats; eingesetzt wird es in manchen Satelliten und Raumsonden. Weitere Anwendungen sind Xenon als Füllgas für besonders hochisolierendes Mehrscheiben-Isolierglas sowie versuchsweise als Kontrastmittel in der Röntgendiagnostik bis zu einer Konzentration von 35 %. Hyperpolarisiertes ^{129}Xe ermöglicht eine gute Darstellung der Lunge durch MRT.

Biologische Wirkung, Narkose und Doping

Xenon geht wegen seiner Reaktionsträgheit keine kovalenten Bindungen mit Biomolekülen ein und wird nicht verstoffwechselt. Über induzierte Dipole kann es dennoch mit biologischen Systemen wechselwirken. Unter Beteiligung von Glutamat-Rezeptoren wirkt es narkotisierend; außerdem wurden neuroprotektive und analgetische Wirkungen beobachtet.

Als Inhalationsanästhetikum kann Xenon in einem Kreislaufsystem verwendet werden. Dabei wird das ausgeatmete Kohlenstoffdioxid chemisch entfernt und Sauerstoff hinzugefügt. In Deutschland ist Xenon seit 2005 für ASA-1- und ASA-2-Patienten zugelassen, seit 2007 auch in elf weiteren Ländern. Wegen der Kosten von 200–300 € statt 80–100 € für eine zweistündige Operation setzte es sich bis 2015 im täglichen Narkosebetrieb nicht durch.

Der sehr niedrige Blut-Gas-Verteilungskoeffizient bewirkt ein schnelles An- und Abfluten. Beim Abfluten kann wie bei Distickstoffmonoxid eine Diffusionshypoxie entstehen; deshalb muss mit reinem Sauerstoff ausgewaschen werden. Vorteile gegenüber Distickstoffmonoxid sind die ungefährliche Handhabung, dass Xenon kein Treibhausgas ist, und eine stabilere Hämodynamik. Nachteilig ist der MAC-Wert von etwa 60–70 %: In der Atemgasmischung bleiben dadurch höchstens 30–40 % Sauerstoff. Der größte Nachteil ist der hohe Preis.

2014 wurde über den möglichen Missbrauch von Xenon als Dopingmittel berichtet. Russischen Athleten wurde zugeschrieben, während des Trainings die Hälfte des Luftsauerstoffs durch Xenon zu ersetzen. Laut einer russischen Forschungsinstitution sollte dies die EPO-Produktion steigern; in Tierversuchen stieg sie innerhalb eines Tages auf 160 %. Im Mai 2014 nahm die WADA Xenon und Argon in die Dopingliste auf. Die Methode hinterlässt derzeit keine im Blut nachweisbaren Spuren.