Ksenon

Ksenon (Xe), periyodik tablonun 18. grubunda (soy gazlar) yer alan, atom numarası 54 olan kimyasal bir elementtir. Standart koşullarda renksiz, kokusuz ve tatsız bir gaz olan ksenon, 131,293 atom ağırlığıyla soy gazlar arasında en ağır kararlı üyelerden biridir. Adını Yunanca “yabancı” anlamına gelen xenos sözcüğünden almaktadır. Erime noktası −111,75 °C, kaynama noktası ise −108,099 °C’dir; standart koşullarda yoğunluğu 5,86 g/L’dir. Ksenon, tarihsel olarak “inert” (tepkimeye girmeyen) bir gaz olarak sınıflandırılmış; ancak 1962 yılında bu nitelendirme, ilk ksenon bileşiğinin sentezlenmesiyle köklü biçimde değişmiştir.

Ksenon, 12 Temmuz 1898'de İngiliz kimyacılar Sir William Ramsay ve Morris William Travers tarafından University College London'da keşfedilmiştir. İkili, daha önce aynı yöntemle neon, argon ve kriptonu sıvı havadan fraksiyonel damıtmayla elde etmiş; ardından aynı işlemi uygulayarak daha ağır bir gazı ayırt etmeyi başarmıştır. Vakum tüpünde incelediklerinde gazın güzel bir mavi parıltı verdiğini gözlemleyen araştırmacılar, elementin başka bir “inert” gaz olduğunu anlamıştır.

Keşfedildiği dönemden itibaren 64 yıl boyunca ksenon, kimyasal açıdan tamamen tepkimesiz bir element olarak kabul görmüştür. Bu uzun süre boyunca soy gazların bileşik oluşturamayacağı görüşü bilim dünyasında genel kabul görmekteydi.

23 Mart 1962'de Kanadalı kimyacı Neil Bartlett, o dönemde University of British Columbia'da (Vancouver) görev yaparken, ksenon hekzafloroplatinate (XePtF₆) adlı ilk soy gaz bileşiğini sentezlemiştir. Bartlett, kan kırmızısı renginde ve son derece reaktif bir bileşik olan platin hekzaflorürün ksenonla birleşerek oda sıcaklığında kararlı, sarı-turuncu renkli bir tuz oluşturduğunu göstermiştir. Bu bulgu, kimya tarihinin en önemli deneysel keşiflerinden biri olarak değerlendirilmekte ve soy gazların bileşik oluşturamayacağına ilişkin köklü varsayımı çürütmektedir. Söz konusu deney, Chemical & Engineering News okuyucularının oylarıyla hazırlanan “Kimyanın En Güzel Deneyleri” listesinde sekizinci sıraya yerleşmiştir.

Bartlett'in keşfinin ardından ksenon bileşiklerine ilişkin veriler hızla birikmeye başlamıştır. Günümüzde florin ve oksijene kimyasal olarak bağlanmış 80'den fazla ksenon bileşiği üretilmiş; oksitler, asitler, tuzlar ve metal kompleksleri dahil toplam 100'den fazla bileşik tanımlanmıştır. Sodyum perksenat, ksenon döterat, ksenon hidrat, diflorür (XeF₂), tetraflorür (XeF₄) ve heksaflorür (XeF₆) bunların başında gelmektedir. Son derece patlayıcı nitelikte olan ksenon trioksit de hazırlanmıştır.

Ksenon-hidrojen, ksenon-kükürt ve ksenon-altın bağları içeren bileşikler de sentezlenmiştir; bu bileşiklerin büyük çoğunluğu yalnızca düşük sıcaklıklarda kararlıdır. Şimdiye kadar sentezlenen en egzotik bileşik, merkezi bir altın atomuna dört ksenon atomunun bağlandığı [AuXe₄]²⁺ iyonudur; bu yapı −40 °C'nin altında kararlı kalmaktadır. Ksenon diflorür (XeF₂) ticari olarak satılmakta ve silikon mikroişlemci aşındırma işlemlerinde kullanılmaktadır.

Ksenon bileşiklerinin bir kısmı renklidir. Birkaç yüz kilobar basınç altında metalik ksenon da üretilmiştir. Ksenon kendisi zehirsiz bir element olmakla birlikte, bileşikleri güçlü oksitleyici özellikleri nedeniyle son derece toksiktir. Perksenatlar ise analitik kimyada oksitleyici ajan olarak kullanılmaktadır.

^{Ksenon tetraflorür, insan yapımı ilk ksenon bileşiği. (}Flickr⁾

Ksenon, standart koşullarda renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Doğal ksenon, Xe-129, Xe-131 ve Xe-132'nin en bol bulunanları olduğu dokuz kararlı izotoptan oluşmaktadır; bunlara ek olarak 20 kararsız radyoaktif izotop da tanımlanmıştır. Elektronegatifliği 2,60 olup değerlik elektronu genellikle 0'dır; ancak +1, +2, +4, +6 ve +8 oksidasyon durumları da bilinmektedir.

Sıvı ksenonun kritik sıcaklığı 16 °C olup kritik basıncı 58 atmosferdir (290 K, 5,84 MPa). Bu koşulların üzerinde ksenon, mükemmel bir süperkritik çözücü işlevi görmektedir. Kızılötesi, görünür ve ultraviyole ışığa geçirgen olması, onu nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi çalışmalarında kullanılabilir bir çözücü hâline getirmektedir.

Ksenon, Dünya'nın atmosferinde yaklaşık yirmi milyonda bir oranında bulunmaktadır; bu oran hacimsel olarak 0,086 ppm'e karşılık gelmektedir. Atmosferde toplam yaklaşık iki milyar ton ksenon bulunduğu tahmin edilmekle birlikte, diğer soy gazlara kıyasla oldukça az miktarda mevcut olması nedeniyle elementel neondan yaklaşık 50 kat daha pahalıdır. Bazı jeokimyacılar, teorik beklentilere göre “kayıp” görünen ksenonun su klatratlarında ya da silikat kayaçlarında tutuklu hâlde bulunabileceğini ileri sürmektedir. Mars atmosferinde ise ksenon 0,08 ppm oranında saptanmıştır.

Ksenon ayrıca bazı mineral kaynaklarından çıkan gazlarda da bulunmaktadır. Ticari olarak sıvı havanın fraksiyonel damıtılmasıyla elde edilmektedir. Dünya genelinde yıllık üretimin yaklaşık 10 milyon litre (60 ton) olduğu tahmin edilmektedir.

Ksenon, bir vakum tüpü içinde elektriksel deşarjla uyarıldığında mavi ya da açık lavanta renginde bir parıltı yayar; bu parıltı, uyarılan elektronların daha yüksek enerji kabuğuna geçip özgün hâline dönerken fazla enerjiyi ışık olarak salmasından kaynaklanmaktadır. Bu özelliği nedeniyle ksenon; elektron tüplerinde, stroboskopik lambalarda, bakterisit lambalarda, sinema projeksiyonu için kullanılan yüksek yoğunluklu ark lambalarında, fotoğraf makinelerinin yerleşik flaş ampullerinde, araç farlarında ve sis lambalarında kullanılmaktadır. Ksenon lambalarının yaydığı ışık, ultraviyole bölgesinin güvenli kısmına uzanmakta olup güneş yatağı lambalarında ve gıda hazırlama alanlarındaki biyosidal lambalarda da uygulanmaktadır.

^{Ksenon Ark Lambası (}Flickr⁾

^{Ksenon Flaş Tüpü (}Flickr⁾

Ksenon ilk kez 1951 yılında anestezi amacıyla kullanılmıştır. Yan etkilerinin azlığı nedeniyle cerrahide giderek yaygınlaşan ksenon anestezisi, günümüz dünya üretiminin yaklaşık %15'ini karşılamaktadır. Yarı ömrü beş gün olan radyoaktif Ksenon-133 ise nükleer reaktörlerde üretilmekte ve kalp, akciğer ile beyin incelemelerinde foton emisyon tomografisi (PET) görüntülemesinde kullanılmaktadır. Ksenon-133 ve Ksenon-135, hava soğutmalı nükleer reaktörlerde nötron ışınlamasıyla elde edilmektedir.

Nükleer enerji alanında ksenon; kabarcık odalarında, dedektör problarında ve yüksek moleküler ağırlığın avantaj sağladığı çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Ksenon-135'in nötron soğurma kapasitesi yüksek olduğundan reaktör işletiminde bu izotopun kontrol altında tutulması gerekmektedir.

Ksenon, iyon itki sistemlerinde yakıt olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerde ksenon atomları iyonlaştırılarak elektromanyetik bir alanla hızlandırılır ve yaklaşık 30 km/s hızında dışarı atılır; böylece güçlü bir itme kuvveti elde edilir. İyon motorları, geleneksel itki birimlerine göre yaklaşık 10 kat daha verimlidir. Ksenon iyon itki sistemleri (XIPS) Dünya uydularında yörünge düzenlemesi amacıyla yaygın biçimde kullanılmakta; yakıt tasarrufu sayesinde televizyon uydularının ömrünü 25 yıla kadar uzatmaktadır. Avrupa'nın SMART-1 uzay aracı (Eylül 2003) ve NASA'nın Dawn uzay aracı (Eylül 2007) bu sistemlerle donatılmış önemli uzay araçları arasında yer almaktadır.

^{NASA’nın Ay görevi (Gateway) için geliştirdiği AEPS iyon motorunun testi (}NASA⁾

Yüksek konsantrasyonlu oksijen-ksenon karışımının sporcular tarafından eritropoietin (EPO) düzeyini yükselterek kırmızı kan hücresi sayısını artırmak ve dolayısıyla sportif performansı iyileştirmek amacıyla solunum yoluyla kullanıldığı bildirilmiştir. Bu uygulama, Dünya Anti-Doping Ajansı (WADA) tarafından 2014 yılında yasaklanmıştır.