Xenon ist ein seltenes Element im Universum, das hauptsächlich durch stellare Nukleosynthese in den fortgeschrittenen Phasen der Sternentwicklung erzeugt wird. Im Gegensatz zu den leichten Elementen, die kurz nach dem Urknall entstanden, wird Xenon durch Neutroneneinfangprozesse in massereichen Sternen und bei kataklysmischen Ereignissen gebildet.
Xenon wird hauptsächlich durch zwei Nukleosynthese-Prozesse erzeugt: den s-Prozess (langsamer Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) und den r-Prozess (schneller Neutroneneinfang) bei Supernova-Explosionen und Neutronensternverschmelzungen. Diese Prozesse erzeugen die neun stabilen Xenon-Isotope, die in der Natur beobachtet werden. Sternwinde von AGB-Sternen und Supernova-Ejekta reichern anschließend das interstellare Medium mit Xenon an.
Im Sonnensystem zeigt Xenon eine faszinierende Anomalie, die als "fehlendes Xenon-Rätsel" bekannt ist. Die Erdatmosphäre ist im Vergleich zu den Vorhersagen basierend auf solaren und meteoritischen Häufigkeiten an Xenon verarmt. Dieses Rätsel deutet darauf hin, dass Xenon möglicherweise in tiefen Erdmineralien unter hohem Druck eingeschlossen oder während der frühen Phasen der Erdentstehung in den Weltraum entkommen sein könnte. Die Untersuchung der Xenon-Isotopenverhältnisse in Meteoriten, planetaren Atmosphären und in Gesteinen eingeschlossenen Edelgasen liefert entscheidende Informationen über die Geschichte des Sonnensystems.
Die neun stabilen Xenon-Isotope (\(\,^{124}\mathrm{Xe}\) bis \(\,^{136}\mathrm{Xe}\)) haben unterschiedliche Häufigkeiten, die ihre vielfältigen nukleosynthetischen Ursprünge widerspiegeln. \(\,^{129}\mathrm{Xe}\) ist besonders interessant, da es teilweise aus dem radioaktiven Zerfall des ausgestorbenen \(\,^{129}\mathrm{I}\) (Halbwertszeit von 15,7 Millionen Jahren) stammt und wertvolle zeitliche Einschränkungen für die Entstehung des Sonnensystems bietet. \(\,^{136}\mathrm{Xe}\) kann einer doppelten Betazerfallsreaktion unterliegen, einem extrem seltenen nuklearen Prozess, der in der Grundlagenphysik untersucht wird.
Xenon spielt eine zentrale Rolle in der modernen Grundlagenphysik. Detektoren, die mehrere Tonnen ultra-reines flüssiges Xenon verwenden und in tiefen unterirdischen Laboratorien installiert sind, werden eingesetzt, um hypothetische Dunkle-Materie-Teilchen (WIMPs) nachzuweisen und die Eigenschaften von Neutrinos zu untersuchen. Die außergewöhnliche Reinheit, hohe Dichte und die Szintillationseigenschaften von Xenon machen es zu einem idealen Kandidaten für diese Experimente der Grundlagenphysik, die die Geheimnisse des unsichtbaren Universums entschlüsseln sollen.
Xenon wurde im Jahr 1898 von den britischen Chemikern William Ramsay (1852-1916) und Morris Travers (1872-1961) am University College London entdeckt. Diese Entdeckung erfolgte kurz nach der von Krypton und Neon im Rahmen ihrer systematischen Forschung über seltene atmosphärische Gase. Ramsay und Travers isolierten Xenon durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft, wobei sie die Komponenten nach ihren unterschiedlichen Siedepunkten trennten. Nach dem Verdampfen von Krypton entdeckten sie ein noch schwereres gasförmiges Rückstandsprodukt, das bei elektrischer Anregung in einer Entladungsröhre ein helles blaues Licht ausstrahlte.
Der Name Xenon stammt vom griechischen xenos (ξένος), was "Fremder" oder "Unbekannter" bedeutet und die Überraschung der Entdecker über dieses unerwartete Gas widerspiegelt. Ramsay erhielt im Jahr 1904 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung der Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon). Über mehrere Jahrzehnte hinweg galt Xenon als chemisch völlig inert. Diese Gewissheit wurde im Jahr 1962 erschüttert, als der britische Chemiker Neil Bartlett die erste Xenon-Verbindung, Xenonhexafluoroplatinat, synthetisierte und damit unser Verständnis der Reaktivität von Edelgasen revolutionierte und ein neues Kapitel der Chemie eröffnete.
N.B.:
Xenonlampen haben seit den 1990er Jahren die Automobil- und Kinobeleuchtung revolutioniert. Ihr helles, weißes Licht, das dem Sonnenspektrum nahekommt, bietet eine bessere Nachtsicht und eine überlegene Farbwiedergabe im Vergleich zu herkömmlichen Halogenlampen. IMAX-Kinoprojektoren verwenden Xenonlampen mit sehr hoher Leistung, um auf riesige Leinwände mit außergewöhnlicher Helligkeit zu projizieren. Aufgrund der Seltenheit von Xenon (nur 0,087 Teile pro Million in der Luft) gehört es jedoch zu den teuersten Gasen der Welt, mit Preisen von mehreren tausend Euro pro Kilogramm. Diese Seltenheit treibt die Industrie dazu an, alternative Technologien wie LEDs zu entwickeln und gleichzeitig Xenon aus gebrauchten Lampen zu recyceln, um diese wertvolle Ressource zu erhalten.
Xenon (Symbol Xe, Ordnungszahl 54) ist ein Edelgas der Gruppe 18 des Periodensystems und besteht aus vierundfünfzig Protonen, in der Regel achtundsiebzig Neutronen (beim häufigsten Isotop) und vierundfünfzig Elektronen. Es hat neun natürliche stabile Isotope: \(\,^{124}\mathrm{Xe}\) (0,095%), \(\,^{126}\mathrm{Xe}\) (0,089%), \(\,^{128}\mathrm{Xe}\) (1,910%), \(\,^{129}\mathrm{Xe}\) (26,401%), \(\,^{130}\mathrm{Xe}\) (4,071%), \(\,^{131}\mathrm{Xe}\) (21,232%), \(\,^{132}\mathrm{Xe}\) (26,909%), \(\,^{134}\mathrm{Xe}\) (10,436%) und \(\,^{136}\mathrm{Xe}\) (8,857%).
Bei Raumtemperatur liegt Xenon als einatomiges, farbloses, geruchloses und im Allgemeinen chemisch inertes Gas vor. Im Gegensatz zu den leichteren Edelgasen (Helium, Neon, Argon, Krypton) kann Xenon jedoch unter bestimmten Bedingungen chemische Verbindungen bilden, insbesondere mit Fluor und Sauerstoff. Xenon ist das dichteste natürliche Edelgas mit einer atmosphärischen Konzentration von etwa 0,087 Teilen pro Million (Volumen). Xe-Gas hat eine Dichte von etwa 5,894 g/L bei Standardtemperatur und -druck, was es etwa 4,5-mal dichter als Luft macht. Die Temperatur, bei der flüssige und feste Zustände koexistieren können (Schmelzpunkt): 161,40 K (-111,75 °C). Die Temperatur, bei der es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht (Siedepunkt): 165,051 K (-108,099 °C).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Xenon-124 — \(\,^{124}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 70 | 123.905893 u | ˜ 0.095% | Stabil (theoretisch radioaktiv) | Leichtestes Isotop; theoretischer Doppel-Elektroneneinfang mit Halbwertszeit > 10¹⁴ Jahre. |
| Xenon-126 — \(\,^{126}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 72 | 125.904274 u | ˜ 0.089% | Stabil | Seltenes Isotop, das durch den s-Prozess der stellaren Nukleosynthese produziert wird. |
| Xenon-128 — \(\,^{128}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 74 | 127.903531 u | ˜ 1.910% | Stabil | Wird hauptsächlich durch den s-Prozess in AGB-Sternen produziert. |
| Xenon-129 — \(\,^{129}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 75 | 128.904779 u | ˜ 26.401% | Stabil | Sehr häufiges Isotop; teilweise durch den Zerfall von ausgestorbenem \(\,^{129}\mathrm{I}\) produziert; wichtiger Tracer in der Geochronologie und Kosmochemie. |
| Xenon-130 — \(\,^{130}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 76 | 129.903508 u | ˜ 4.071% | Stabil | Wird in Dunkle-Materie- und Neutrino-Detektoren verwendet. |
| Xenon-131 — \(\,^{131}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 77 | 130.905082 u | ˜ 21.232% | Stabil | Zweit häufigstes Isotop; wird in der hyperpolarisierten Xenon-MRT für Lungenbilder verwendet. |
| Xenon-132 — \(\,^{132}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 78 | 131.904153 u | ˜ 26.909% | Stabil | Häufigstes Isotop; häufiges Spaltprodukt in Kernreaktoren. |
| Xenon-133 — \(\,^{133}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 79 | 132.905910 u | Nicht natürlich | 5.243 Tage | Radioaktiver ß\(^-\)-Zerfall zu \(\,^{133}\mathrm{Cs}\) ; wird in der medizinischen Lungenbildgebung und zur Erkennung von heimlichen Nukleartests verwendet. |
| Xenon-134 — \(\,^{134}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 80 | 133.905394 u | ˜ 10.436% | Stabil | Häufiges Isotop, das durch den s-Prozess des Neutroneneinfangs produziert wird. |
| Xenon-135 — \(\,^{135}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 81 | 134.907227 u | Nicht natürlich | 9.14 Stunden | Radioaktiver ß\(^-\)-Zerfall; wichtiges Spaltprodukt; starker Neutronenabsorber ("Neutronengift" in Reaktoren). |
| Xenon-136 — \(\,^{136}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 82 | 135.907219 u | ˜ 8.857% | Stabil (theoretisch radioaktiv) | Kann einem doppelten Betazerfall unterliegen (gemessene Halbwertszeit > 10²¹ Jahre); wird in der Neutrinophysik untersucht. |
| Andere Isotope — \(\,^{110}\mathrm{Xe}-\,^{123}\mathrm{Xe},\,^{125}\mathrm{Xe},\,^{127}\mathrm{Xe},\,^{137}\mathrm{Xe}-\,^{147}\mathrm{Xe}\) | 54 | 56-69, 71, 73, 83-93 | — | Nicht natürlich | Millisekunden — mehrere Tage | Künstlich produzierte radioaktive Isotope; werden in der Kernforschung, Medizin und zur Erkennung von Nukleartests verwendet. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie Elektronen sich um den Kern organisieren.
Xenon hat 54 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration ist: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶, oder vereinfacht: [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(18) O(8) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): Enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): Enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶, und bildet eine vollständige und stabile Schale.
M-Schale (n=3): Enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰, und bildet eine vollständige Schale.
N-Schale (n=4): Enthält 18 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶ 4d¹⁰, und bildet eine vollständige Schale.
O-Schale (n=5): Enthält 8 Elektronen, verteilt auf 5s² 5p⁶. Diese äußere Schale ist mit 8 Valenzelektronen (Oktett-Konfiguration) vollständig, was Xenon die charakteristische Stabilität der Edelgase verleiht.
Xenon, ein Mitglied der Gruppe 18 (Edelgase), hat 8 Valenzelektronen (5s² 5p⁶), die eine stabile Oktett-Elektronenkonfiguration bilden. Diese Konfiguration erklärt traditionell die chemische Trägheit der Edelgase. Xenon ist jedoch das schwerste natürliche Edelgas, und seine äußeren Elektronen sind relativ weit vom Kern entfernt (großer Atomradius) und daher weniger stark gebunden, was es ihm ermöglicht, chemische Verbindungen zu bilden, im Gegensatz zu den leichteren Edelgasen wie Helium, Neon und Argon. Die hohe Polarisierbarkeit von Xenon erleichtert die Wechselwirkung mit hoch elektronegativen Elementen wie Fluor und Sauerstoff.
Xenon ist in der Erdatmosphäre extrem selten (0,087 ppm), hat aber bemerkenswerte und vielfältige Anwendungen. Seine Verwendung in Xenonlampen für hochintensive Automobilbeleuchtung und Kinoprojektoren nutzt seine Fähigkeit, helles Licht nahe dem Sonnenspektrum zu erzeugen. In der Medizin dient es als allgemeines Anästhetikum mit neuroprotektiven Eigenschaften. In der Raumfahrt ist Xenon der bevorzugte Treibstoff für Ionenantriebe von Satelliten und Sonden. In der Grundlagenphysik suchen hochreine flüssige Xenon-Detektoren nach Dunkler Materie und untersuchen Neutrinos. Seine einzigartige Fähigkeit, chemische Verbindungen (Fluoride, Oxide) zu bilden, hat die Chemie der Edelgase seit 1962 revolutioniert.
Xenon hat acht Valenzelektronen (5s² 5p⁶), die eine vollständige äußere Schale (Oktett) bilden. Diese stabile Konfiguration erklärt seine chemische Trägheit unter normalen Bedingungen. Mehr als sechzig Jahre nach seiner Entdeckung galt Xenon als völlig inert und unfähig, chemische Bindungen einzugehen. Diese Überzeugung wurde im Jahr 1962 spektakulär widerlegt, als Neil Bartlett die erste Xenon-Verbindung, Xenonhexafluoroplatinat (Xe[PtF₆]), synthetisierte und damit zeigte, dass Edelgase reagieren können. Im Gegensatz zu den leichteren Edelgasen hat Xenon relativ zugängliche Valenzelektronen aufgrund ihrer Entfernung vom Kern, der Abschirmwirkung vieler innerer Elektronenschalen und seiner hohen Polarisierbarkeit.
Xenon bildet hauptsächlich Verbindungen mit Fluor (dem elektronegativsten Element) und Sauerstoff. Xenonfluoride umfassen XeF₂ (Difluorid), XeF₄ (Tetrafluorid) und XeF₆ (Hexafluorid), wobei Xenon Oxidationsstufen von +2, +4 bzw. +6 aufweist. Diese Verbindungen sind starke Oxidations- und Fluorierungsmittel, die in der chemischen Synthese verwendet werden. Xenon bildet auch Oxide wie XeO₃ (Trioxid) und XeO₄ (Tetroxid) sowie Oxyfluoride (XeOF₂, XeOF₄, XeO₂F₂) und Perxensäure (H₄XeO₆), obwohl diese Verbindungen thermodynamisch instabil und potenziell explosiv sind. Organometallische Xenon-Verbindungen, Koordinationskomplexe und sogar Xenon-Stickstoff-, Xenon-Kohlenstoff- und Xenon-Gold-Bindungen wurden unter speziellen Bedingungen (niedrige Temperaturen, inerte Matrizen) synthetisiert und erweitern ständig das faszinierende Gebiet der Xenon-Chemie.
Trotz seiner überraschenden Fähigkeit, Verbindungen zu bilden, bleibt Xenon unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen chemisch inert, was es für viele technologische Anwendungen wertvoll macht, die diese Stabilität ausnutzen. Seine hohe Dichte (etwa 5,9-mal so hoch wie die von Luft), geringe Wärmeleitfähigkeit und Trägheit machen es zu einem hervorragenden Füllgas für Hochleistungs-Wärmedämmfenster und Glühbirnen. Ionisiertes Xenon in einem elektrischen Feld erzeugt intensives, helles Licht mit einem Spektrum nahe dem Sonnenlicht, das in Hochintensitäts-Entladungslampen für die Automobilbeleuchtung (Xenon-Scheinwerfer), IMAX-Kinoprojektoren, professionelle fotografische Blitzsysteme und architektonische Projektoren verwendet wird.
