گاز زنون (Xenon) چیست؟
زنون با نماد Xe و عدد اتمی ۵۴ یکی از گازهای نجیب (گروه ۱۸) است؛ بی‌رنگ، بی‌بو، غیرقابل اشتعال و سنگین. در هوای خشک فقط حدود ۰٫۰۸۷ ppm حضور دارد و به‌دلیل کمیابی، گاز گران‌قیمتی است. زنون معمولاً بی‌اثر است اما با فلوئور و اکسیژن می‌تواند ترکیبات پایداری بسازد.
تاریخچه کشف و نام‌گذاری
- ۱۸۹۸: ویلیام رمزی و موریس تراورس با تقطیر هوای مایع، زنون را کشف و به‌علت «بیگانه بودن» آن را Xenon نامیدند.
- ۱۹۶۲: نیل بارتلت واکنش‌پذیری گازهای نجیب را نشان داد و مسیر تهیه ترکیبات زنون (XeF₂، XeF₄، XeF₆ و اکسیدها) را باز کرد.
خواص فیزیکی و شیمیایی کلیدی
- نماد: Xe
- عدد اتمی: ۵۴
- جرم اتمی نسبی: ≈ 131.29 g/mol
- چگالی (شرایط استاندارد): ≈ 5.9 g/L
- نقطه ذوب: ≈ °C 111.8−
- نقطه جوش: ≈ °C 108.1−
- دمای بحرانی: ≈ 16.6°C
- فشار بحرانی: ≈ 58 bar
- آرایش الکترونی: [Kr]4d¹⁰ 5s² 5p⁶
- انرژی یونش اول: ≈ 12.13 eV
- ایزوتوپ‌های مهم: ^129Xe ،^131Xe و ^133Xe (کاربردهای NMR/MRI و پزشکی هسته‌ای)
نکته: حلالیت بالاتر در چربی‌ها، مبنای کاربردهای بیهوشی و MRI ریه با ^129Xe است.
کاربردهای زنون
روشنایی و فوتونیک
- لامپ‌های قوس زنون برای پروژکتور سینمایی، جستجو‌افکن و شبیه‌ساز خورشید.
- فلش لامپ‌های زنون در عکاسی و پمپاژ لیزر.
- چراغ‌های HID خودرویی که زنون را به‌عنوان گاز شروع‌کننده به‌کار می‌گیرند.
فضا و ماهواره
- پیشرانش یونی/هال: جرم اتمی بالا، بی‌اثری و یونیزاسیون آسان → سوخت ایده‌آل با Isp بالا و کارایی الکتریکی خوب.
پزشکی و تصویربرداری
- بیهوشی با زنون: پایداری همودینامیک؛ محدودیت اصلی هزینه و ضرورت مدارهای بسته.
- MRI ریه با ^129Xe قطبیده: دیدن تهویه و تبادل گاز آلوئولی.
- ^133Xe در تست‌های تهویه ریه.
نیمه‌هادی و میکروساخت
- XeF₂: خورنده ایزوتروپیک سیلیکون در دمای اتاق (MEMS).
- پلاسماهای Xe برای حکاکی، و ایمپلنت یون زنون.
- لیزرهای اکسیمر (XeCl، XeF) در UV برای صنعت و پزشکی.
آشکارسازی پرتو و فیزیک ذرات
- زنون مایع در TPCها برای آشکارسازی ماده‌تاریک/نوترینو به‌علت Z و چگالی بالا و اسکینتیلاسیون قوی.
سایر
- پرکننده عایق شیشه‌های چندجداره ممتاز، کالیبراسیون دتکتورها و استانداردهای جرمی-طیفی.
مزایا
- بی‌اثر، غیرخورنده و غیرقابل اشتعال.
- جرم اتمی بالا → راندمان عالی در پیشرانش و جذب/پراکندگی پرتو.
- یونیزاسیون آسان → منابع نور/پلاسما پایدار.
- سازگاری زیستی نسبی در بیهوشی و MRI ریه.
معایب
- کمیابی و قیمت بالا.
- نیاز به بازیافت و حلقه‌های بسته در پزشکی/فضا.
- خطر خفگی در غلظت‌های زیاد (جایگزینی اکسیژن) و اثرات نارکوتیک در فشار جزئی بالا.
چگونگی تولید
منبع اصلی: هوا
- تقطیر جزءبه‌جزء هوای مایع در ASU برای جداسازی N₂ و O₂.
- تمرکز جریان انتهایی حاوی Ar/Kr/Xe.
- تقطیر عمیق یا جذب برای جداسازی Kr و دستیابی به Xe با خلوص بالا.
- تصفیه نهایی (حذف H₂O، O₂، N₂، CO/CO₂ و هیدروکربن‌ها) و پرکردن سیلندر.
گریدها و خلوص
- صنعتی ۴٫۵ (≥ 99.995%)
- پژوهشی ۵٫۰ و بالاتر (≥ 99.999%)
- گریدهای پزشکی و پیشران فضایی با مشخصات ناخالصی بسیار سخت‌گیرانه (ppb–ppm)
بسته‌بندی، نگهداری و ایمنی
حمل و نگهداری
- سیلندرهای فولادی/آلومینیومی فشاربالا با شیر استاندارد و درپوش محافظ.
- محیط خنک و خشک با تهویه مناسب؛ دور از گرما.
- استفاده از رگلاتور مخصوص گازهای نجیب و تست نشتی.
خطرات و اقدامات احتیاطی
- غیرسمی اما خفه‌کننده: نصب مانیتور اکسیژن در فضاهای بسته.
- زنون مایع موجب یخ‌زدگی بافتی می‌شود.
- برای ترکیبات واکنش‌پذیر مانند XeF₂ از هود و PPE کامل استفاده شود.
استانداردها و انطباق
- استانداردهای خلوص (گرید ۴٫۵، ۵٫۰ و بالاتر) در گواهی آنالیز (COA) ذکر می‌شود.
- استانداردهای سیلندر و سازگاری مواد مطابق ISO/EN.
- در پزشکی و فضا، پروتکل‌های داخلی سخت‌گیرانه برای ناخالصی‌ها الزامی است.
نکته: رنگ سیلندر و کد‌بندی اتصالات در کشورها متفاوت است؛ با مقررات محلی خود تطبیق دهید.
بازار و عوامل مؤثر بر قیمت
- عرضه محدود (محصول جانبی ASU)، رشد تقاضای فضایی/نیمه‌هادی و هزینه انرژی تعیین‌کننده‌اند.
- بازیافت زنون در مدارهای بسته هزینه چرخه عمر را کاهش می‌دهد.
- در خرید به COA، سریال سیلندر، تاریخ تست هیدرواستاتیک و شرایط گارانتی توجه کنید.
ترکیبات مهم زنون (خلاصه)
- XeF₂: جامد سفید، خورنده ایزوتروپیک سیلیکون و عامل فلورینه‌کننده.
- XeF₄ و XeF₆: اکسیدکننده‌های قوی؛ حساس به رطوبت.
- XeO₃ و XeO₄: بسیار اکسیدکننده؛ XeO₄ ناپایدار و خطرناک.
- اکسیمرهای زنون (XeCl، XeF): لیزرهای UV برای پزشکی و صنعت.
مقایسه با کریپتون و آرگون
- زنون جرم بالاتری دارد → ضربه تک‌ذره‌ای مؤثرتر در sputtering و راندمان بهتر در پیشرانش.
- یونیزاسیون راحت‌تر و قوس پایدارتر؛ اما هزینه بسیار بالاتر → تصمیم وابسته به تحلیل هزینه/کارایی.
پرسش‌های متداول
- آیا زنون سمی است؟ خیر، اما می‌تواند با جابه‌جایی اکسیژن باعث خفگی شود.
- آیا «چراغ زنون» خودرو همان زنون خالص است؟ زنون نقش گاز شروع‌کننده دارد؛ نور عمدتاً از قوس و نمک‌های متال‌هالید ایجاد می‌شود.
- چرا زنون در پیشران یونی محبوب است؟ جرم بالا، بی‌اثری، فشار بخار مناسب و یونیزاسیون آسان.
- آیا می‌توان زنون را در محل تولید کرد؟ عملاً خیر؛ به‌علت کمیابی و نیاز به ASU بزرگ.
- خلوص مناسب برای لیزر و نیمه‌هادی؟ معمولاً ۵٫۰ (≥ 99.999%) یا بالاتر با ناخالصی‌های ppb–ppm.
جمع‌بندی
زنون گازی نجیب و کمیاب با ویژگی‌های منحصربه‌فرد است که آن را برای روشنایی حرفه‌ای، پیشرانش فضایی، پزشکی پیشرفته، لیزرها و نیمه‌هادی ایده‌آل می‌کند. چالش اصلی قیمت و دسترس‌پذیری است؛ اما با بازیافت و مدیریت خلوص، زنون همچنان انتخابی ممتاز در کاربردهای سطح‌بالا باقی می‌ماند.
