Xenon

Xenon ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Xe und der Ordnungszahl 54. Im Periodensystem steht es in der 8. Hauptgruppe, bzw. der 18. IUPAC-Gruppe und zählt daher zu den Edelgasen. Wie die anderen Edelgase ist es ein farbloses, äußerst reaktionsträges, einatomiges Gas. In vielen Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkt oder Dichte steht es zwischen dem leichteren Krypton und dem schwereren Radon.

Xenon ist das seltenste nichtradioaktive Element auf der Erde und kommt in geringen Mengen in der Atmosphäre vor. Trotz seiner Seltenheit wird es vielfach eingesetzt, so als Füllgas von hochwertigen Isolierglaseinheiten, sowie Xenon-Gasentladungslampen, die unter anderem in Autoscheinwerfern (Xenonlicht) eingesetzt werden, und als Inhalationsanästhetikum.

Das Edelgas wurde 1898 von William Ramsay und Morris William Travers durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft entdeckt. Xenon ist das Edelgas mit den meisten bekannten chemischen Verbindungen. Die stabilste ist dabei das Xenon(II)-fluorid, das als starkes Oxidations- und Fluorierungsmittel eingesetzt wird.

Geschichte

Nachdem John William Strutt, 3. Baron Rayleigh, und William Ramsay 1894 das erste Edelgas Argon entdeckt und Ramsay 1895 das bislang nur aus dem Sonnenspektrum bekannte Helium aus Uranerzen isoliert hatten, erkannte dieser aus den Gesetzen des Periodensystems, dass es noch weitere derartige Elemente geben müsste. Er untersuchte daher ab 1896 zunächst verschiedene Minerale und Meteoriten und die von ihnen beim Erhitzen oder Auflösen abgegebenen Gase. Ramsay und sein Mitarbeiter Morris William Travers waren dabei jedoch erfolglos. Es wurden Helium und seltener Argon gefunden. Auch die Untersuchung heißer Gase aus Cauterets in Frankreich und aus Island brachten keine Ergebnisse.

Schließlich begannen sie, 15 Liter Rohargon zu untersuchen und durch Verflüssigung und fraktionierte Destillation zu trennen. Als sie den Rückstand, der bei fast völligem Verdampfen des Rohargons übrigblieb, untersuchten, entdeckten sie das neue Element Krypton. Nachdem sie Neon entdeckt hatten, begannen Ramsay und Travers im September 1898 Krypton durch fraktionierte Destillation weiter zu untersuchen und entdeckten dabei ein weiteres Element mit einem höheren Siedepunkt als Krypton. Sie nannten es nach dem altgriechischen ξένος xénos „fremd“ Xenon.

1939 entdeckte Albert R. Behnke die anästhetische Wirkung des Gases. Er untersuchte die Wirkung verschiedener Gase und Gasmischungen auf Taucher und vermutete aus den Ergebnissen, dass Xenon auch bei Normaldruck eine narkotische Wirkung haben müsse. Er konnte dies jedoch aus Mangel an Gas nicht überprüfen. Erstmals bestätigt wurde diese Wirkung 1946 von J. H. Lawrence an Mäusen, die erste Operation unter Xenon-Narkose gelang 1951 Stuart C. Cullen.

Neil Bartlett entdeckte mit Xenonhexafluoroplatinat 1962 erstmals eine Xenonverbindung und damit die erste Edelgasverbindung überhaupt. Nur wenige Monate nach dieser Entdeckung konnten nahezu gleichzeitig im August 1962 Xenon(II)-fluorid von Rudolf Hoppe und Xenon(IV)-fluorid von einer Gruppe um die amerikanischen Chemiker C. L. Chernick und H. H. Claassen synthetisiert werden.

Vorkommen

Während Xenon im Universum nicht selten vorkommt und in seiner Häufigkeit mit der von Barium, Rubidium und Nickel vergleichbar ist,zählt es auf der Erde zu den seltensten Elementen. Es ist das seltenste stabile Element; lediglich radioaktive Elemente, die überwiegend als kurzlebige Zwischenprodukte in Zerfallsreihen auftreten, sind seltener. Dass der Gehalt an Xenon in Gesteinen gering ist, wird möglicherweise dadurch verursacht, dass sich Xenon sehr viel schlechter in Magnesiumsilikat-Gesteinen des Erdmantels löst als die leichteren Edelgase. Eine andere mögliche Erklärung für diese sogenannte Xenon-Lücke ist, dass große Mengen an Xenon im Erdkern chemisch an Nickel und Eisen gebunden sind. Bei Versuchen in einer Diamantstempelzelle konnte nachgewiesen werden, dass Xenon sich bei 150 Gigapascal und 1200 °C mit Nickel zu XeNi₃ verbindet. Bei 200 Gigapascal und 1700 °C reagiert es mit Eisen zu XeFe₃.

Der größte Teil zugänglichen Xenons ist in der Atmosphäre vorhanden, der Anteil beträgt etwa 0,09 ppm. Aber auch die Ozeane, manche Gesteine wie Granit und Erdgas-Quellen enthalten geringe Mengen Xenon. Entstanden ist dies – wie durch die vom atmosphärischen Xenon abweichende Isotopenzusammensetzung nachweisbar – unter anderem durch Spontanzerfall von Uran und Thorium.

Xenon wird als Indikator für Atomwaffentests von der CTBTO weltweit kontinuierlich gemessen – über die Anlagerung an Silberzeolithe in Xenonfallen.

Meteoriten enthalten Xenon, das entweder seit Entstehung des Sonnensystems in Gesteinen eingeschlossen ist oder durch verschiedene Sekundärprozesse entstanden ist. Zu diesen zählen der Zerfall des radioaktiven Iodisotops ¹²⁹I, Spallationsreaktionen und die Kernspaltung schwerer Isotope wie ²⁴⁴Pu. Auch auf der Erde lassen sich die Xenon-Produkte dieser Reaktionen nachweisen, was Rückschlüsse auf die Entstehung der Erde ermöglicht. Auf dem Mond wurde Xenon gefunden, das durch den Sonnenwind dorthin transportiert wurde (im Mondstaub) sowie im Mondgestein solches, das durch Spallationen oder Neutroneneinfang aus dem Bariumisotop ¹³⁰Ba entstanden ist.

Xenon konnte auch in einem Weißen Zwerg nachgewiesen werden. Dabei wurde im Vergleich zur Sonne die 3800-fache Konzentration gemessen; die Ursache für diesen hohen Xenon-Gehalt ist noch unbekannt.

Da verschiedene Xenon-Isotope zu den häufigeren Spaltprodukten gehören, ist abgebrannter Kernbrennstoff verhältnismäßig reich an Xenon. Eine wie auch immer geartete gezielte Extraktion von Xenon aus dieser Quelle erfolgt jedoch nicht in kommerziellen Maßstab. Forschung in dem Bereich wird jedoch betrieben und teilweise mit dem hohen Preis von Xenon gerechtfertigt.

Quellen

• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 417–429.