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제논 (원소)

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목차

1. 개요

제논은 원자 번호 54번의 화학 원소로, 1898년 윌리엄 램지와 모리스 트래버스에 의해 발견되었다. 무색, 무취의 기체로, 플래시 램프, 레이저, 마취제 등 다양한 분야에 활용된다. 비활성 기체로 알려져 있었으나, 1962년 닐 바틀렛에 의해 최초의 제논 화합물이 합성되었으며, 현재 다양한 제논 화합물이 연구되고 있다. 자연 상태에서는 7개의 안정 동위원소와 40개 이상의 방사성 동위원소로 존재하며, 핵분열 생성물로도 생성된다.

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    제논은 9개의 안정 동위 원소와 40개 이상의 불안정 동위 원소를 가지며, 124Xe, 134Xe, 136Xe는 이중 베타 붕괴를 통해 붕괴할 것으로 예측된다.
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    라돈은 무색, 무미, 무취의 방사성 기체로, 폐암의 주요 원인이며, 토양, 암석, 건축 자재에서 발생하여 건물 내부에 축적될 수 있다.
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제논 (원소)
일반 정보
전기장 내의 제논 방전관
전기장 내에서 파란색으로 빛나는 제논 기체
제논 스펙트럼
제논의 스펙트럼 선
이름제논
일본어 이름キセノン (키세논)
영어 이름Xenon
독일어 이름Xenon (크세논)
발음 (영어)/ˈzɛnɒn/ (ZEN-on), /ˈziːnɒn/ (ZEE-non)
발음 (독일어)/ˈkseːnɔn/
원소 기호Xe
원자 번호54
주기5
족18
블록p
원자 질량131.293(6)
표준 상태 밀도5.894 g/L
액체 상태 밀도 (끓는점)2.942 g/cm³
녹는점161.40 K (−111.75 °C)
끓는점165.051 K (−108.099 °C)
삼중점161.405 K, 81.77 kPa
임계점289.733 K, 5.842 MPa
융해열2.27 kJ/mol
기화열12.64 kJ/mol
열용량21.01 J/(mol·K)
증기압83 K 에서 1 Pa
92 K 에서 10 Pa
103 K 에서 100 Pa
117 K 에서 1 kPa
137 K 에서 10 kPa
165 K 에서 100 kPa
결정 구조면심 입방 구조
격자 상수a = 634.84 pm (삼중점, 161.405 K)
산화 상태8, 6, 4, 2, 1, 0 (약산성 산화물)
전기 음성도2.60 (Pauling 척도)
이온화 에너지1차: 1170.4 kJ/mol
2차: 2046.4 kJ/mol
3차: 3099.4 kJ/mol
공유 반지름140±9 pm
반데르발스 반지름216 pm
자기적 성질반자성
열 전도율0.00565 W/(m·K)
소리 속도기체: 178 m/s
액체: 1090 m/s
CAS 등록 번호7440-63-3
자기 감수율-43.9 × 10−6 cm3/mol (298 K)
발견 및 명명
발견자윌리엄 램지와 모리스 트래버스 (1898년)
동위 원소
동위 원소 정보"124Xe: 반감기 1.8×10^22년 (εε 0.825 MeV → 124Te), 존재비 0.095%"
"125Xe: 반감기 16.9시간 (ε 1.652 MeV → 125I), 인공"
"126Xe: 안정, 존재비 0.089%"
"127Xe: 반감기 36.345일 (ε 0.662 MeV → 127I), 인공"
"128Xe: 안정, 존재비 1.91%"
"129Xe: 안정, 존재비 26.4%"
"130Xe: 안정, 존재비 4.07%"
"131Xe: 안정, 존재비 21.2%"
"132Xe: 안정, 존재비 26.9%"
"133Xe: 반감기 5.247일 (β− 0.427 MeV → 133Cs), 인공"
"134Xe: 반감기 >1.1×10^16년 (β−β− 2.864 MeV → 134Ba), 존재비 10.4%"
"135Xe: 반감기 9.14시간 (β− 1.16 MeV → 135Cs), 인공"
"136Xe: 반감기 2.11×10^20년 (β−β− 2.4578 MeV → 136Ba), 존재비 8.86%"
외부 링크
에어리퀴드제논 가스 백과사전
로스 알라모스 국립 연구소제논
네이처제논, WIMP를 능가하다

2. 역사

제논과 다른 비활성 기체들은 오랫동안 화학적으로 비활성이며 화합물을 형성할 수 없다고 여겨졌다. 그러나 1962년 이후 이러한 생각은 바뀌게 되었다.

1989년 11월, IBM 과학자들은 개별 원자를 조작할 수 있는 기술을 시연했다. IBM in atoms라고 불리는 이 프로그램은 주사 터널링 현미경을 사용하여 35개의 개별 제논 원자를 냉각된 니켈 결정 기판 위에 배열하여 세 글자 회사 머리글자를 철자했다. 이것은 평평한 표면에 원자가 정확하게 배치된 최초의 사례였다.[34]

액화 제논이 담긴 유리 앰플을 포함하는 원소 수집가를 위해 특별히 준비된 아크릴 큐브

2. 1. 발견

1898년 7월 12일, 스코틀랜드 화학자 윌리엄 램지와 영국 화학자 모리스 트래버스는 액체 공기 성분을 증발시킨 후 남은 잔류물에서 제논을 발견했다.[12][13][14] 램지는 이 가스에 '제논(xenon)'이라는 이름을 제안했는데, 이는 그리스어 단어 ξένον|xénonel에서 유래했으며, ξένος|xénosel의 중성 단수형으로 '이방인', '낯선 사람', '손님'을 의미한다.[15][16] 1902년, 램지는 지구 대기 중 제논의 비율이 2천만 분의 1이라고 추정했다.[17]

2. 2. 초기 연구 및 응용

1930년대에 미국 엔지니어 해럴드 에저턴은 고속 사진 촬영을 위해 스트로브 조명 기술을 연구했다. 이 과정에서 그는 제논 가스를 채운 튜브에 짧은 전류를 통과시켜 빛을 생성하는 제논 플래시 튜브를 발명했다. 1934년, 에저턴은 이 방법으로 1 마이크로초만큼 짧은 섬광을 생성할 수 있었다.[126][18][19]

1939년, 미국 의사 앨버트 R. 베인케 주니어는 심해 잠수부의 "취기" 원인을 연구하면서 호흡 혼합물의 변화가 피험자에게 미치는 영향을 실험했다. 그는 이 실험을 통해 잠수부들이 깊이 변화를 인식한다는 것을 발견했고, 제논 가스가 마취제로 작용할 수 있다고 추론했다. 1941년 러시아 독성학자 니콜라이 V. 라자레프가 제논 마취에 대해 연구한 기록이 있지만, 제논 마취를 확인하는 최초의 출판 보고서는 1946년 미국의 의학 연구원 존 H. 로렌스에 의해 발표되었으며, 그는 쥐를 대상으로 실험을 진행했다. 이후 1951년, 미국 마취과 의사 스튜어트 C. 컬렌이 제논을 수술 마취제로 처음 사용했으며, 두 명의 환자에게 성공적으로 사용했다.[20]

2. 3. 제논 화합물의 발견

1962년 닐 바틀렛은 육플루오르화 백금(PtF6)이 산소 가스(O2)를 산화시켜 이산소 육플루오르화 백금산염(O2+[PtF6]−)을 형성할 수 있는 강력한 산화 환원제임을 발견했다.[21] O2 (1165 kJ/mol)와 제논 (1170 kJ/mol)은 거의 동일한 첫 번째 이온화 에너지를 가지므로, 바틀렛은 육플루오르화 백금 또한 제논을 산화시킬 수 있다는 것을 깨달았다. 1962년 3월 23일, 그는 두 가스를 혼합하여 최초의 알려진 비활성 기체 화합물인 육플루오르화 제논 백금산염을 생성했다.[22][23]

바틀렛은 그 조성이 Xe+[PtF6]−일 것이라고 생각했지만, 이후의 연구를 통해 이것이 다양한 제논 함유 염의 혼합물일 가능성이 있음이 밝혀졌다.[24][25][26] 그 이후로, XeF4 또는 XeF2등의 플루오린화물을 포함한 많은 다른 제논 화합물들이 발견되었으며,[27] 아르곤, 크립톤, 라돈과 같은 비활성 기체의 일부 화합물, 예를 들어 플루오르화 수소 아르곤 (HArF),[28] 이플루오르화 크립톤 (KrF2),[29][30] 및 플루오르화 라돈도 포함된다.[31] 1971년까지 80개 이상의 제논 화합물이 알려져 있었다.[32][33]

1962년 5월, 캐나다의 브리티시컬럼비아 대학교의 닐 바틀렛과 D.H.로만에 의해 최초의 비활성 기체 화합물인 헥사플루오로백금산 제논(XePtF6)이 합성되었다.[207] 산소 분자 O2를 산화시키는 헥사플루오로백금산의 반응으로부터 유추하여, O2 (12.2 eV)와 거의 같은 이온화 에너지를 갖는 제논(12.13 eV)을 산화시킬 수 있다고 생각한 것이 성공의 열쇠였다. 같은 해 8월에는 XeF4가, 말에는 XeF2와 XeF6, 2011년에는 XeO2도 합성되었다.

3. 특징

원자 번호가 54인 제논은 핵에 54개의 양성자를 가지고 있다. 표준 온도 및 압력에서 순수한 제논 기체의 밀도는 5.894 kg/m3로, 지구 대기 밀도(1.217 kg/m3)의 약 4.5배이다.[35] 액체 제논은 최대 3.100 g/mL의 밀도를 가지며, 높은 분극성으로 인해 탄화수소, 생체 분자, 심지어 물까지 용해할 수 있는 우수한 용매이다.[37] 고체 제논의 밀도(3.640 g/cm3)는 화강암의 평균 밀도(2.75 g/cm3)보다 크다.[36]

고체 제논은 압력에 따라 면심 입방 (fcc)에서 육방 조밀 충전 (hcp) 결정상으로 바뀌며, 약 140 GPa에서 금속성을 띄기 시작하여 155 GPa에서 완전히 금속성을 나타낸다.[39][40] 금속화된 제논은 붉은 빛을 흡수하고 다른 가시 주파수를 투과하여 하늘색을 띤다.[41]

플래시 튜브 내부에서 제논이 프레임별로 플래싱되는 모습


고전압 장치 내부에서 액체 제논 위에 떠 있는 고체 제논 층


실온에서 알루미늄에 Xe+ 이온을 주입하여 생성된 액체 (특징 없는) 및 결정질 고체 Xe 나노 입자


제논은 비활성 기체로, 외부 원자가 껍질에 8개의 전자가 있어 안정적인 최소 에너지 구성을 가지므로 대부분의 화학 반응에 불활성이다.[43] 가스 충전 튜브에서 제논은 전기 방전에 의해 여기되면 파란색 또는 라벤더색 빛을 방출한다. 제논은 가시 스펙트럼 전반에 걸쳐 방출선을 방출하지만, 가장 강렬한 선은 청색광 영역에서 나타난다.[44][45]

4. 존재 및 생산

제논은 지구 대기와 일부 광천에서 발견되는 미량 기체이다. 초신성 폭발이나 방사성 붕괴와 같은 특수한 환경에서 생성되기도 한다.

제논-135는 핵분열 과정에서 생성되는 중성자 독으로, 원자로 작동에 영향을 미친다. 체르노빌 원자력 발전소 사고의 원인 중 하나로 제논 독 현상이 지목된다.[58][59] 안정 동위원소 제논-132는 우라늄-235 핵분열로 생성되어 사용후 핵연료에 일정 비율 존재하나, 2022년 현재 핵연료 재처리에서 제논을 상업 추출하진 않는다.[61][62]

4. 1. 자연적 존재

제논은 지구 대기의 미량 기체로, (ppb)의 부피 분율, 즉 약 1150만 분의 1로 존재한다.[46] 또한 일부 광천에서 배출되는 기체의 성분으로도 발견된다. 대기의 총 질량을 , 대기의 평균 몰 질량을 28.96 g/mol로 계산하면 제논은 총 정도 함유되어 있으며, 이는 약 394 질량 ppb에 해당한다.

별의 핵융합 과정과는 달리, 질량이 작은 비활성 기체와 다르게 별 내부의 일반적인 별 핵합성 과정으로는 제논이 생성되지 않는다. 핵합성은 철-56보다 무거운 핵종을 생성하기 위해 에너지를 소비하므로, 제논의 합성은 별에게 에너지 이득을 가져다주지 않는다.[55] 대신 제논은 초신성 폭발 중 r-과정을 거쳐 생성되며,[56] 핵이 수소를 고갈하고 점근 거성 분지에 진입한 적색 거성에서 일어나는 느린 중성자 포획 과정(s-과정)과,[57] 방사성 붕괴 (예: 멸종 방사성 핵종인 아이오딘-129의 베타 붕괴, 토륨, 우라늄, 플루토늄의 자발 핵분열)을 통해 생성된다.[66]

4. 2. 상업적 생산

제논은 지구 대기의 미량 기체 성분으로, 액체 산소, 액체 질소, 액화 아르곤을 생산하기 위한 대형 공기 분리 장치에서 단열 팽창(줄-톰슨 효과)을 통해 액화된 공기로부터 분별 잔류물(부산물) 형태로 회수 정제된다.[206] 즉, 공기 분리 과정의 부산물로 상업적으로 얻어진다.

4. 3. 별과 핵분열

별 내부의 일반적인 별 핵합성 과정으로는 제논이 생성되지 않는다. 핵합성은 철-56보다 무거운 핵종을 생성하기 위해 에너지를 소비하므로, 제논 합성은 별에게 에너지 이득을 가져다주지 않는다.[55] 제논은 초신성 폭발 중 r-과정을 거치거나,[56] 핵이 수소를 고갈하고 점근 거성 분지에 진입한 적색 거성에서 일어나는 느린 중성자 포획 과정(s-과정)과,[57] 방사성 붕괴(멸종 방사성 핵종인 아이오딘-129의 베타 붕괴, 토륨, 우라늄, 플루토늄의 자발 핵분열 등)을 통해 생성된다.[66]

135Xe는 열 중성자에 대한 중성자 단면적이 커서,[73] 일정 기간 작동 후 핵분열 원자로의 연쇄 반응을 늦추거나 멈추게 하는 중성자 흡수체 또는 "독"으로 작용한다. 이는 맨해튼 계획의 플루토늄 생산 원자로에서 발견되었으나, 설계자들은 반응성 증가 설계를 마련했다.[74] 135Xe 원자로 독성은 체르노빌 참사의 주요 요인이었다.[75] 원자로 정지 또는 출력 감소는 135Xe 축적을 초래해 요오드 구덩이 상태를 유발하며, 이는 체르노빌 원자력 발전소 사고의 원인 중 하나였다.[58][59] 불리한 조건에서 방사성 제논 동위 원소는 금이 간 연료봉에서 나오거나,[76] 냉각수에서 우라늄 핵분열을 일으킬 수 있다.[77]

제논-135는 핵분열 생성물 수율이 높은 중성자 독이다. 원자로 ''정상'' 작동 중에는 생성과 붕괴 속도가 같지만, 출력 감소나 비상 정지 시에는 제논 독 현상이 발생하여 재가동이나 출력 증가에 문제를 일으킨다.

안정/장수명 제논 동위원소도 핵분열에서 상당량 생성된다. 제논-135가 중성자 포획을 겪으면 제논-136이 생성된다. 제논-136과 제논-135(또는 붕괴 생성물) 비율은 원자로 출력 이력을, 제논-136 부재는 핵폭발 "지문"을 나타낸다. 제논-135는 베타 붕괴 생성물이므로, 1초 미만 핵폭발에서는 중성자를 흡수할 수 없다.[60]

안정 동위원소 제논-132는 의 열 중성자 핵분열에서 4% 이상 핵분열 생성물 수율을 보인다. 안정/준안정 제논 동위원소는 사용후 핵연료(약 3% 핵분열 생성물)에서 공기보다 높은 질량 분율을 차지한다. 그러나 2022년 현재 핵연료 재처리를 통한 제논 추출 상업적 노력은 없다.[61][62]

133Xe은 반감기 약 5.2일로, 베타 붕괴하여 133Cs이 된다. 지하 핵실험 후 대기 중 제논-133 방출은 실험 성공/실패 판단의 일부로 사용된다.

135Xe는 우라늄 핵분열 생성물이다. 중성자 포획 반응 단면적이 커서 원자로 출력을 변화시킬 때 제논 오버라이드 현상을 일으키며, 원자력 발전 분야에서 "독 물질"로 취급된다.

5. 동위 원소

자연적으로 발생하는 제논은 7가지 안정 동위 원소(126Xe, 128–132Xe, 134Xe)로 구성되어 있다. 126Xe과 134Xe 동위 원소는 이론적으로 이중 베타 붕괴를 겪을 것으로 예측되지만, 아직 관찰된 적이 없어 안정적인 것으로 간주된다.[63] 이 외에도 40개 이상의 불안정 동위 원소가 연구되었다.

이들 동위 원소 중 가장 오래 사는 것은 원시 핵종 124Xe로, 이중 전자 포획을 겪는다.[64] 136Xe는 이중 베타 붕괴를 겪는다.[65] 129Xe는 1,600만 년의 반감기를 갖는 129I의 베타 붕괴에 의해 생성된다. 131mXe, 133Xe, 133mXe, 135Xe는 235U과 239Pu의 핵분열 생성물이며,[66] 핵폭발을 감지하고 감시하는 데 사용된다.

제논의 일부 방사성 동위 원소(예: 133Xe 및 135Xe)는 원자로 내의 핵분열성 물질의 중성자 조사에 의해 생성된다.[8] 135Xe는 핵분열 원자로의 작동에 매우 중요하다. 135Xe는 열 중성자에 대한 엄청난 중성자 단면적(2.6×106 반)을 가지며,[73] 일정 기간 작동 후 연쇄 반응을 늦추거나 멈추게 할 수 있는 중성자 흡수체 또는 "독"으로 작용한다.135Xe 원자로 독성은 체르노빌 참사의 주요 요인이었다.[75]

운석 내 제논 동위원소 비율은 태양계 형성을 연구하는 강력한 도구이다. 요오드-제논 연대 측정법은 방사성 연대 측정의 한 방법으로, 핵합성과 태양 성운에서 고체 물질의 응축 사이의 경과 시간을 알려준다.

비슷한 방식으로, 129Xe/130Xe 및 136Xe/130Xe와 같은 제논 동위원소 비율은 행성의 분화와 초기 가스 방출을 이해하는 강력한 도구이다.[81]

제논의 주요 동위 원소는 다음과 같다.


  • 131mXe: 131I의 베타 붕괴에 의해 생성되며[211], 베타선을 방출하여 131Xe이 된다. 반감기는 약 2일이다.
  • 133Xe: 베타 붕괴하여 안정 동위 원소인 133Cs가 된다. 반감기는 약 5.2일이다. 지하 핵실험 성공·실패 판단의 일부로 제논-133의 대기 중 방출을 조사한다.
  • 134Xe: 134Cs의 붕괴에 의해 생성된 134Ba가 궤도 전자를 포획하여 생성된다.
  • 135Xe: 우라늄의 핵분열에 의해 생성된다. 중성자 포획의 반응 단면적이 크며, 원자로 출력을 변화시켰을 때 제논 오버라이드 현상을 일으킨다. 원자력 발전 분야에서는 "독 물질"(원자로 제어를 어렵게 하는 물질)로 취급된다.

6. 화합물

1962년 닐 바틀렛(Neil Bartlet영어)이 제논 화합물을 발견한 이후, 다양한 제논 화합물이 발견되고 설명되었다.[207] 알려진 거의 모든 제논 화합물에는 전기음성도가 높은 플루오린 또는 산소 원자가 포함되어 있다.

1962년 5월, 캐나다 브리티시컬럼비아 대학교의 닐 바틀렛과 D.H.로만에 의해 헥사플루오로백금산 제논(XePtF6)이 합성되었다.[207] 산소 분자(O2)를 산화시키는 헥사플루오로백금산의 반응으로부터 유추하여, O2 (12.2 eV)와 거의 같은 이온화 에너지를 갖는 제논(12.13 eV)을 산화시킬 수 있다고 생각한 것이 성공의 열쇠였다.

6. 1. 할로겐화물

1962년 닐 바틀렛(Neil Bartlet영어)이 XePtF6를 발견한 이래, XeF4 또는 XeF2 등의 플루오린화물도 발견되었다.[207]

알려진 세 가지 플루오린화물은 XeF2, XeF4, XeF6이다.[86] 제논 플루오린화물은 플루오린 수용체와 플루오린 공여체 모두로 작용하여 및 와 같은 양이온과 , , 와 같은 음이온을 포함하는 염을 형성한다.[91]

제논과 플루오린 기체의 혼합물을 자외선에 노출시키면 고체 결정성 이플루오린화 제논(XeF2)이 형성된다.[87] 일반적인 햇빛의 자외선 성분으로도 충분하다.[88] NiF2 촉매 하에서 고온에서 XeF2를 장기간 가열하면 XeF6이 생성된다.[89] NaF 존재 하에서 XeF6의 열분해는 고순도 XeF4를 생성한다.[90]

사플루오린화 제논


XeF4 결정, 1962


XeF2는 전이 금속 이온과 배위 착물을 형성하며, 30개 이상의 이러한 착물이 합성되고 특성화되었다.[89]

제논, 플루오린 및 규소 또는 탄소의 혼합물에 고주파 조사를 가하여 형성된 이염화 제논[92]은 80 °C에서 원소로 분해되는 발열성, 무색의 결정성 화합물로 보고되었으나, XeCl2는 단순히 약하게 결합된 Xe 원자와 Cl2 분자로 이루어진 반 데르 발스 분자일 수 있으며 실제 화합물이 아닐 수 있다.[93]

1962년 5월, 캐나다 브리티시컬럼비아 대학교의 닐 바틀렛과 D.H.로만에 의해 헥사플루오로백금산 제논(XePtF6)이 합성되었다.[207] 8월에는 XeF4가, 같은 해 말에는 XeF2와 XeF6가 합성되었다.

제논은 플루오린 단체의 혼합비를 조절하여 니켈 관 속에서 가열하고 급랭하면 XeF4 또는 XeF2를 생성하며, 가압 조건 하에서 마찬가지로 가열하면 XeF6을 얻는다.

어느 플루오린화물도 물에 쉽게 가수분해된다. XeF6, XeF4는 강력한 플루오린화제이다. XeF4는 벤젠 등의 방향족 화합물의 수소를 플루오린화할 수 있으며, XeF6에 이르러서는 석영과도 반응하여 SiF4를 생성한다. 또한, XeF2는 온화한 플루오린화 시약으로 이용된다.

6. 2. 산화물 및 옥소할로겐화물

삼산화 제논(XeO3)과 사산화 제논(XeO4)은 모두 위험할 정도로 폭발성이 강하고 강력한 산화제이다.[97] 옥소플루오린화물로는 (XeOF4), XeOF2, XeO2F2, XeO3F2 등이 알려져 있다.[102]

삼산화 제논(XeO3)은 육플루오린화 제논(XeF6)의 가수 분해로 형성된다.[100]

: XeF6 + 3 H2O → XeO3 + 6 HF

XeO3는 약산성이며, 알칼리에 용해되어 HXeO4- 음이온을 포함하는 불안정한 '제네이트' 염을 형성한다. 이 불안정한 염은 제논 가스와 XeO64- 음이온을 포함하는 과제논산염으로 쉽게 불균등화 반응한다.[101]

과제논산 바륨을 농축된 황산으로 처리하면 기체 상태의 사산화 제논이 생성된다.[92]

: Ba2XeO6 + 2 H2SO4 → 2 BaSO4 + 2 H2O + XeO4

이렇게 생성된 사산화 제논은 빠르게 냉각되어 옅은 노란색 고체가 된다. -35.9 °C 이상에서 제논과 산소 가스로 폭발하지만, 그렇지 않으면 안정하다.

XeOF2는 저온에서 OF2와 제논 기체를 반응시켜 형성된다. 또한 XeF4의 부분 가수 분해에 의해 얻을 수도 있다. -20 °C에서 XeF2와 XeO2F2로 불균등화된다.[102]

XeOF4는 XeF6의 부분 가수 분해에 의해 형성되거나,[103] XeF6과 과제논산 나트륨(Na4XeO6)의 반응에 의해 생성된다. 후자의 반응은 또한 소량의 XeO3F2를 생성한다.

XeO2F2는 또한 XeF6의 부분 가수 분해에 의해 형성된다.[104]

: XeF6 + 2 H2O → XeO2F2 + 4 HF

XeOF4는 CsF와 반응하여 XeOF5- 음이온을 형성하며,[102][105] XeOF3는 알칼리 금속 플루오라이드인 KF, RbF 및 CsF와 반응하여 XeOF4- 음이온을 형성한다.[106]

6. 3. 기타 화합물

탄소 등 전기음성도가 낮은 원소와 결합한 제논 화합물도 존재한다.[107] 예를 들어 펜타플루오로페닐 그룹(C6F5)을 포함하는 화합물들이 특성화되었다.[102][108]

화합물



제논-금 결합을 포함하는 테트라제논금(II) 양이온(AuXe42+)이 보고되었다.[110] 이 이온은 AuXe4(Sb2F11)2 화합물에 존재하며, 제논과 금이라는 반응성이 매우 낮은 두 원자 사이의 직접적인 화학 결합을 갖는 것이 특징이며, 제논은 전이 금속 리간드 역할을 한다.

7. 응용

제논은 엑시머 레이저와 관련이 깊다. 제논은 화학 결합을 형성하는 화합물 외에도 클라트레이트를 형성할 수 있는데, 이는 제논 원자 또는 쌍이 다른 화합물의 결정 구조의 격자에 갇힌 물질이다. 예를 들어 제논 수화물(Xe·H2O)은 제논 원자가 물 분자의 격자 내 빈 공간을 차지하며, 24°C의 녹는점을 갖는다.[116][117] 이 수화물의 중수소화 버전도 생성되었다.[118] 제논 수소화물(Xe(H2)8)은 제논 쌍(이합체)이 고체 수소 내부에 갇힌 형태이다.[119] 이러한 클라트레이트 수화물은 남극 보스토크 호수와 같이 고압 조건에서 자연적으로 발생할 수 있다.[120] 클라트레이트 형성은 제논, 아르곤 및 크립톤을 분별 증류하는 데 사용될 수 있다.[121]

제논은 내포 풀러렌 화합물을 형성할 수 있는데, 여기서 제논 원자는 풀러렌 분자 내부에 갇힌다. 풀러렌에 갇힌 제논 원자는 129Xe 핵자기 공명 (NMR) 분광법으로 관찰할 수 있다. 제논 원자가 그 환경에 민감하게 반응하는 화학 이동을 통해 풀러렌 분자에 대한 화학 반응을 분석할 수 있지만, 제논 원자가 풀러렌의 반응성에 전자적인 영향을 미치기 때문에 주의해야 한다.[122]

제논 원자가 바닥 에너지 상태에 있을 때는 서로 밀어내고 결합을 형성하지 않는다. 그러나 제논 원자가 에너지를 얻으면 전자가 바닥 상태로 돌아갈 때까지 엑시머(여기 이합체)를 형성할 수 있다. 이 엔티티는 제논 원자가 인접한 제논 원자에서 전자를 추가하여 가장 바깥쪽 전자 껍질을 완성하는 경향이 있기 때문에 형성된다. 제논 엑시머의 전형적인 수명은 1–5 나노초이며, 붕괴 시 약 150과 173 nm의 파장을 갖는 광자가 방출된다.[123][124] 제논은 할로젠 원소인 브롬, 염소, 플루오린과도 엑시머를 형성할 수 있다.[125]

7. 1. 조명 및 광학

제논은 사진 플래시 및 스트로보스코프 램프에 사용되는 제논 플래시 램프,[126] 레이저에서 활성 매체를 자극하여 결맞는 빛을 생성하는 데 사용된다.[127] 1960년에 발명된 최초의 고체 레이저는 제논 플래시 램프로 펌핑되었고,[129] 관성 핵융합을 구동하는 데 사용되는 레이저도 제논 플래시 램프로 펌핑된다.[130]

연속형 단호형 고압 제논 아크 램프는 정오의 햇빛과 거의 비슷한 색온도를 가지며 태양 시뮬레이터에 사용된다. 이 램프의 색도는 태양의 온도에서 가열된 흑체 복사기와 거의 비슷하다. 1940년대에 처음 도입된 이 램프는 영화 프로젝터에서 수명이 짧은 탄소 아크 램프를 대체했다.[131] 또한 일반적인 35mm, IMAX, 디지털 영화 영사 시스템에도 사용된다. 제논은 금속 할로겐 램프의 자동차 HID 헤드라이트 및 고급 "전술" 플래시의 시동 가스로 사용된다.

플라즈마 디스플레이의 개별 셀에는 전극으로 이온화된 제논과 네온의 혼합물이 들어 있다. 이 플라즈마와 전극의 상호 작용은 자외선 광자를 생성하며, 이 광자는 디스플레이 전면의 형광체 코팅을 자극한다.[132][133]

제논은 고압 나트륨 램프의 "시동 가스"로 사용된다. 이는 방사성 비활성 기체 중 가장 낮은 열전도율과 가장 낮은 이온화 전위를 가지고 있기 때문이다. 비활성 기체이므로 작동 램프에서 발생하는 화학 반응을 방해하지 않는다. 낮은 열전도율은 작동 상태에서 램프의 열 손실을 최소화하고, 낮은 이온화 전위는 냉간 상태에서 가스의 절연 파괴 전압을 비교적 낮게 하여 램프를 더 쉽게 시작할 수 있게 한다.[134]

7. 2. 의료

제논은 전신 마취제로 사용되어 왔지만, 기존의 마취제보다 비용이 더 비싸다.[140]

제논은 다양한 수용체 및 이온 채널과 상호 작용하며, 이론적으로 다중 모달 흡입 마취제와 마찬가지로 이러한 상호 작용은 상호 보완적일 가능성이 높다. 제논은 고친화성 글리신 부위 NMDA 수용체 길항제이다.[141] 그러나 제논은 다른 NMDA 수용체 길항제와 달리 신경 독성이 없고 케타민과 아산화 질소(N2O)의 신경 독성을 억제하며, 신경 보호 효과를 가진다.[142][143] 케타민 및 아산화 질소와 달리 제논은 측좌핵에서 도파민 유출을 자극하지 않는다.[144]

아산화 질소 및 사이클로프로판과 마찬가지로 제논은 이중 기공 도메인 칼륨 채널 TREK-1을 활성화한다. 흡입 마취제의 작용과 관련된 관련 채널인 TASK-3는 제논에 민감하지 않다.[145] 제논은 척수를 매개로 한 진통에 기여하는 니코틴성 아세틸콜린 α4β2 수용체를 억제한다.[146][147] 제논은 세포막 Ca2+ ATPase의 효과적인 억제제이다. 제논은 효소 내 소수성 기공에 결합하여 효소가 활성 형태로 전환되는 것을 방지함으로써 Ca2+ ATPase를 억제한다.[148]

제논은 세로토닌 5-HT3 수용체의 경쟁적 억제제이다. 마취 효과나 통증 완화 효과는 없지만, 마취 후 발생하는 구역질과 구토를 줄인다.[149]

제논은 40세에 72%의 최소 폐포 농도(MAC)를 가지고 있어 N2O보다 44% 더 강력한 마취제이다.[150] 따라서 저산소증의 위험이 낮은 농도로 산소와 함께 사용할 수 있다. 아산화 질소와 달리 제논은 온실 가스가 아니며 친환경적으로 간주된다.[151] 현대 시스템에서 재활용되지만 대기 중으로 배출되는 제논은 환경에 영향을 미치지 않고 원래의 공급원으로 되돌아갈 뿐이다.

제논은 다양한 메커니즘을 통해 강력한 심장 보호 및 신경 보호를 유도한다. 제논은 Ca2+, K+, KATP\HIF 및 NMDA 길항 작용에 영향을 미쳐, 허혈성 손상 전, 중, 후에 투여될 때 신경 보호 효과를 나타낸다.[152][153] 제논은 NMDA 수용체 글리신 부위에서 높은 친화성을 갖는 길항제이다.[141] 제논은 약리학적 비허혈성 사전 조절을 유도하여 허혈-재관류 조건에서 심장 보호 효과를 나타낸다. 제논은 PKC-epsilon 및 하위 p38-MAPK를 활성화하여 심장 보호 효과를 나타낸다.[154] 제논은 ATP 감수성 칼륨 채널을 활성화하여 신경 세포 허혈 사전 조절을 모방한다.[155] 제논은 설포닐우레아 수용체1 서브유닛과 관계없이 ATP 매개 채널 활성 억제를 변성적으로 감소시켜 KATP 개방 채널 시간과 빈도를 증가시킨다.[156]

제논의 방사성 동위원소 133Xe에서 방출되는 감마선을 이용하여 심장, 폐, 뇌 등을 영상화할 수 있으며, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영술을 사용할 수 있다. 133Xe는 혈류 측정에도 사용되었다.[160][161][162]

제논, 특히 과분극된 129Xe은 자기 공명 영상(MRI)의 유용한 조영제이다. 기체 상태에서 다공성 샘플의 공동, 폐의 폐포 또는 폐 내부의 가스 흐름을 영상화할 수 있다.[163][164] 제논은 물과 소수성 용매 모두에 가용성이 있기 때문에 다양한 연조직을 영상화할 수 있다.[165][166][167]

제논-129는 현재 MRI 스캔에서 시각화 에이전트로 사용되고 있다. 환자가 과분극된 제논-129를 흡입하면 폐의 환기와 가스 교환을 영상화하고 정량화할 수 있다. 제논-133과 달리 제논-129는 비전리성이며 흡입해도 부작용이 없다.[168] 염화 제논 엑시머 레이저는 특정 피부과적 용도로 사용된다.[169]

마취 작용을 한다는 것이 1946년에 보고된 이후 연구가 시작되었고, 2005년에는 독일에서 임상 허가가 나왔다.[199] 마취약으로는 "도입·각성이 빠르다", "진통 작용을 가진다", "수술 중의 순환 동태가 안정된다", "뇌 보호 작용을 가진다", "수술 후 인지 기능 장애를 예방할 가능성이 있다" 등의 이상적인 성질이 보고되었다.[200] 20~50% 정도의 산소를 혼합한 혼합 가스가 일부 병원에서 시험적으로 도입되었다.[200][201] 다만 순수한 제논 자체가 고가인 점과 수술 후 구역 구토의 부작용도 있어, 일반적으로 보급되지는 않았다.[200] 게다가 마취 시에는 폐쇄 순환식 회로에서의 사용이 필요하며 특별한 장점도 없다는 지적도 있다.[200]

7. 3. 스포츠 도핑

제논/산소 혼합물을 흡입하면 전사 인자 HIF-1-알파의 생성이 활성화되어 에리트로포이에틴의 생산이 증가할 수 있다. 에리트로포이에틴은 적혈구 생성을 증가시켜 운동 능력을 향상시키는 것으로 알려져 있다.[157] 러시아에서 2004년 혹은 그 이전부터 제논 흡입을 이용한 도핑이 사용되어 온 것으로 알려져 있다.[157] 세계 반도핑 기구(WADA)는 2014년 8월 31일 제논(및 아르곤)을 금지 약물 및 방법 목록에 추가했지만, 아직 이러한 가스에 대한 신뢰할 만한 도핑 테스트는 개발되지 않았다.[158] 또한 제논이 인간의 에리트로포이에틴 생산에 미치는 영향은 아직까지 입증되지 않았다.[159]

7. 4. 핵자기 공명(NMR) 분광학

NMR 스펙트럼은 제논 원자의 크고 유연한 바깥 전자 껍질 때문에 주변 환경에 따라 변화하며, 주변의 화학적 상황을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어 물에 용해된 제논, 소수성 용매에 용해된 제논, 특정 단백질과 결합된 제논은 NMR로 구별할 수 있다.[170][171]

표면 화학자들은 과분극 제논을 사용할 수 있다. 일반적으로 표면에서 나오는 신호는 샘플 덩어리에 있는 원자핵에서 나오는 신호에 압도되어 NMR로 표면을 분석하기 어렵다. 그러나 고체 표면의 핵 스핀은 과분극 제논 가스에서 스핀 편광을 전달하여 선택적으로 편광될 수 있다. 이렇게 하면 표면 신호가 측정될 만큼 강해지고 덩어리 신호와 구별할 수 있게 된다.[172][173]

7. 5. 기타 응용

핵물리학 연구에서 제논은 거품 상자[174], 탐침 및 높은 분자량과 비활성 화학이 요구되는 다른 분야에서 사용된다. 핵무기 실험의 부산물로 방사성 제논-133 및 제논-135가 방출되는데, 이러한 동위 원소는 핵실험 금지 조약 준수를 감시하고,[175] 조선민주주의인민공화국과 같은 국가의 핵실험을 확인하는 데 사용된다.[176]

액체 제논은 열량계[177]에서 감마선을 측정하고, 가상의 약하게 상호작용하는 거대 입자(WIMP) 검출기로 사용된다. WIMP가 제논 핵과 충돌하면 이온화와 섬광을 일으킬 만큼 충분한 에너지를 전달할 것으로 이론적으로 예측된다. 액체 제논은 어두운 물질과의 상호 작용을 더 쉽게 만들고 자체 차폐를 통해 조용한 검출을 허용하기 때문에 이러한 실험에 유용하다.

제논은 우주선의 이온 추진에 선호되는 추진제이다. 이는 낮은 이온화 전위를 가지고 있으며 실온 근처에서 (고압 하에서) 액체 상태로 저장할 수 있지만 엔진에 공급하기 위해 쉽게 증발할 수 있기 때문이다. 제논은 비활성이며, 친환경적이며, 수은 또는 세슘과 같은 다른 연료보다 이온 엔진에 덜 부식적이다. 제논은 1970년대에 위성 이온 엔진에 처음 사용되었다.[178] 이후 JPL의 Deep Space 1 탐사선, 유럽의 SMART-1 우주선[179] 및 NASA의 돈 우주선(Dawn Spacecraft)의 세 개 이온 추진 엔진에 추진제로 사용되었다.[180]

화학적으로, 과제논산염 화합물은 분석 화학에서 산화제로 사용된다. 이플루오린화 제논은 실리콘을 에칭하는 데 사용되며, 특히 미세 전자기계 시스템(MEMS)의 생산에 사용된다.[181] 항암제 5-플루오로우라실은 이플루오린화 제논과 우라실을 반응시켜 생산할 수 있다.[182] 제논은 또한 단백질 결정학에도 사용된다. 0.5~5 MPa (5~50 atm)의 압력에서 단백질 결정에 적용하면 제논 원자가 주로 소수성 공동에 결합하여 종종 고품질의 동형, 중원자 유도체를 생성하며, 이는 위상 문제를 해결하는 데 사용할 수 있다.[183][184]

8. 안전성

제논 기체는 독성이 없지만, 혈액에 용해되며 높은 농도에서 산소와 함께 흡입하면 가벼운 수준부터 완전한 외과적 마취를 유발한다.[192]

제논 기체 내의 음속은 169m/s로, 공기 중의 음속보다 낮다.[187] 이는 무거운 제논 원자의 평균 속도가 공기 중의 질소 및 산소 분자보다 작기 때문이다. 따라서 제논을 흡입하면 성대가 더 느리게 진동하여 낮은 음조의 목소리가 나오는데, 이는 헬륨 흡입 시 목소리가 높아지는 것과 반대되는 효과이다. 성도가 제논 기체로 채워지면 공명 주파수가 낮아져 음색이 변화한다. 헬륨과 마찬가지로 제논은 신체의 산소 요구량을 충족시키지 못하며, 단순한 질식 가스이자 아산화 질소보다 강력한 마취제이다. 제논은 비싸기 때문에 많은 대학에서 일반 화학 시연으로 이 목소리 묘기를 금지하고 있으며, 육불화 황이 대체 기체로 사용되기도 한다.[188][189]

제논과 같은 밀도가 높은 기체는 최소 20%의 산소와 혼합하면 안전하게 호흡할 수 있다. 80% 농도의 제논과 20%의 산소는 전신 마취를 유발한다. 밀도가 다른 기체는 효과적으로 혼합되어 무거운 기체가 산소와 함께 배출되지만, 대량의 무거운 기체는 눈에 보이지 않게 용기에 있을 수 있어 질식의 위험이 있다. 제논은 대량으로 사용되는 경우가 드물지만, 환기가 안 되는 공간에 보관될 때는 주의해야 한다.[190][191]

모노나트륨 제네이트와 같은 수용성 제논 화합물은 중간 정도의 독성을 가지지만, 체내 반감기가 매우 짧아 정맥 주사 후 약 1분 만에 원소 제논으로 환원된다.[192]

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