Xénon

• Le ¹³⁵Xe, ^133mXe, ¹³³Xe et ^131mXe comptent parmi les produits de fission de la réaction qui a lieu dans une explosion de bombe atomique ou dans un réacteur nucléaire thermique à fission. Ces radioisotopes gazeux (lourd) et chimiquement non réactifs ont donc dans certains contextes une valeur de « radioindicateur ».
• Sur cette base, un système de surveillance mondiale du xénon radioactif dans l'air a été mis en place dans le cadre du Système de surveillance international pour vérifier la conformité des activités militaires et de la recherche des pays-signataires avec le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (TICE)[56].
• En cas d'accident nucléaire grave, c'est pour les mêmes raisons un « traceur » important, car faisant partie des premiers radionucléides émis[56] (avec l'iode 131, en cas de dépressurisation volontaire ou accidentelle, et/ou en cas de rupture accidentelle du confinement d'un réacteur de centrale nucléaire). D'autant que dans l'atmosphère, sa demi-vie radioactive est plus longue que dans le réacteur et qu'une quantité supplémentaire de xénon apparait à partir de l'iode 133 dont la demi-vie radioactive est d'un peu plus de vingt heures.

Après le tremblement de terre et avant même la première dépressurisation volontaire du 1^er réacteur, une émission de xénon a été détectée ce qui indiquait des dommages structurels probables dans la partie nucléaire des installations[57].

Puis dans les jours qui ont suivi le début de la catastrophe de Fukushima, une augmentation « record[58] » du taux de xénon 133 (¹³³Xe) dans l'air a été enregistrée au Japon et jusqu'en Amérique du Nord (par les scientifiques américains étudiant la radioactivité de l'air aux États-Unis dans le cadre du réseau de détection d'éventuels essais nucléaires). Ce fut le premier indice fort de perte de confinement de réacteur ou de criticité dans une piscine de désactivation[58].

Une modélisation inverse des émissions de xénon et césium (publiée en mars 2012) a été faite par une équipe internationale. Ses bases de calcul étaient les quantités (connues) de combustibles présents dans les cœurs de réacteurs et dans la piscine concernée[58]. Ces données ont été croisées avec les données météorologiques et les relevés d'analyses de xénon faites dans plusieurs dizaines de stations au Japon, en Amérique du Nord et dans d'autres régions (le « nuage » enrichi en xénon radioactif « a atteint l'Amérique du Nord le 15 mars et l'Europe le 22 mars »[58] puis un mois après l'accident (mi-avril, ce ¹³³Xe était trouvé « assez uniformément répartis dans les latitudes moyennes de l'hémisphère Nord et même pour la première fois aussi mesurée dans l'hémisphère sud par une station de Darwin en Australie »).

Selon cette modélisation, confortée par les mesures de terrain, les quantités de xénon radioactif relâchées dans l'air du 11 au 15 mars 2011 par la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi ont été très importantes : 15,3 (marge d'incertitude : 12,2-18,3) EBq selon Stohl & al[58], ou 16,7 ± 1,9 EBq[59] ou encore 14,2 ± 0,8 EBq[59] (selon une estimation moyenne) voire plus (19,0 ± 3,4 EBq) selon une autre méthode de calcul)[59]. C'est plus de deux fois le total des rejets de xénon par la catastrophe de Tchernobyl alors qu'au contraire les émissions de césium 137 des 4 réacteurs endommagés de Fukushima ne correspondent en quantité qu'à 43 % de celles estimées émises par le seul réacteur n^o 4 de Tchernobyl. C'est probablement aussi le plus grand dégagement de gaz rare radioactif de toute l'Histoire[58]. C'est bien plus que tout le xénon contenu et émis par les 4 réacteurs en difficulté puis en fusion, ce qui s'explique par la production de xénon par désintégration de l'iode 133 en xénon 133, tout particulièrement semble-t-il dans la piscine du réacteur n^o 4, car ces émissions ont immédiatement chuté de plusieurs ordres de grandeur quand l'aspersion de cette piscine a pu commencer[58].

Une très grande partie du xénon émis est parti vers le pacifique et les États-Unis[59], mais le Japon a aussi été touché, et il faut ajouter sa radioactivité à celle de l'iode et du césium qui ont fait au Japon en avril-mai 2011 l'objet d'une première évaluation rétrospective officielle[60]. Ce xénon a pu contribuer à une première exposition interne et externe des Japonais[61].

Depuis sa découverte en 1898, la principale qualité du xénon a été son inactivité chimique. Cependant, dès 1933, Linus Pauling proposait que KrF₆ et XeF₆ pussent être isolés, en dépit du fait qu'il n'y était pas parvenu. Plus tard, D.M. Yost et A.L. Lake essayaient également sans succès, mais cette fois en soumettant un mélange de xénon et de difluor à des décharges électriques.

Le fait que le xénon puisse avoir une réactivité et exister parmi quelques dizaines de composés chimiques en engageant de réelles liaisons covalentes, ce qui n'est pas le cas des autres gaz nobles, est attribué à la polarisabilité de son cortège électronique. Elle est de 4,01 Å³ (= 4,01 × 10⁻²⁴ cm³); contre 2,46 pour le krypton (qui possède également quelques composés covalents) ; 0,62 pour l'argon ; 0,39 pour le néon et 0,201 pour l'hélium. La polarisabilité exprime en quelque sorte le pouvoir du cortège électronique à se déformer, propriété essentielle pour entrer en combinaison avec d'autres atomes.

La première molécule synthétisée a été l'hexafluoroplatinate de xénon préparé par Neil Bartlett en 1962, à la suite de quoi de nombreux autres composés ont pu être préparés, tels le difluorure de xénon XeF₂, le tétrafluorure de xénon XeF₄, l'hexafluorure de xénon XeF₆, le perxénate de sodium Na₄XeO₆*8H₂O, un oxydant puissant, le trioxyde de xénon XeO₃, explosif, ainsi que le tétraoxyde de xénon XeO₄. La plupart des plus de 80 composés du xénon connus en 2007[62] - [63] contiennent du fluor ou de l'oxygène, tels que l'oxytétrafluorure de xénon XeOF₄ ou le dioxydifluorure de xénon XeO₂F₂. Lorsque d'autres atomes sont liés au xénon (notamment de l'hydrogène ou du carbone), ils font souvent partie d'une molécule contenant du fluor ou de l'oxygène[64]. Quelques composés du xénon sont colorés, mais la plupart sont incolores[62].

Les composés organoxénon peuvent contenir du Xe(II) ou du Xe(IV).

Ces composés peuvent s'ioniser, par arrachement ou fixation d'un ion fluorure, ce qui donne accès à une chimie ionique du xénon. Les ions suivants sont connus: XeF⁺, dérivant de XeF₂ mentionné ci-dessus ; l'ion linéaire FXeFXeF⁺, qui peut être considéré comme la complexation d'un ion flurorure par deux ions XeF⁺ ; XeF₃⁺ ; XeF₅⁺ et XeF₈²⁻ pour ne citer que les structures les plus simples[65].

Enfin, on doit noter l'existence du cation tétraxénon-or(II) AuXe₄²⁺ caractérisé dans le complexe [AuXe₄²⁺](Sb₂F₁₁⁻)₂ ⁽[66]⁾.

En 1995, un groupe de chercheurs de l'Université d'Helsinki ont annoncé la synthèse de dihydrure de xénon (XeH₂), et plus tard d'hydroxy-hydrure de xénon (HXeOH), d'hydroxénoacétylène (HXeCCH) et d'autres molécules organiques contenant du xénon[67] - [68]. D'autres composés ont également été synthétisés dont HXeOXeH, ainsi que des molécules deutérées[69].

En plus de composés dans lesquels le xénon participe à des liaisons chimiques, il peut former des clathrates dans lesquels les atomes de xénon sont piégés dans un réseau cristallin formé par un composé chimique comme l'eau par exemple. C'est le cas par exemple dans l'hydrate de xénon de formule Xe* 5,75H₂O, dans lequel des atomes de xénon sont piégés dans réseau cristallin formé par les molécules d'eau[70], ainsi que son analogue deutéré Xe* 5,75D₂O ⁽[71]⁾. Ces clathrates peuvent se former naturellement sous hautes pressions, comme dans le lac Vostok situé sous la glace de l'Antarctique[72]. La formation de clathrates peut être utilisée pour séparer le xénon, l'argon et le krypton par distillation fractionnée[73]. L'atome de xénon peut également être piégé à l'intérieur de fullerènes. L'atome piégé peut être observé par RMN du ¹²⁹Xe. Cette technique permet alors d'étudier les réactions chimiques mettant en jeu le fullerène, du fait de la grande sensibilité du déplacement chimique du xénon à son environnement. Cependant, l'atome de xénon influence lui-même la réactivité du fullerène[74].

Lorsque les atomes de xénon sont dans leur état d'énergie fondamental, ils se repoussent les uns les autres et ne peuvent former de liaisons. Cependant avec un apport d'énergie, ils peuvent former, de façon transitoire, un dimère dans un état excité (excimère) jusqu'à ce que les électrons se désexcitent et retrouvent l'état fondamental. Le dimère peut se former parce que les atomes de xénon cherchent à remplir leur couche électronique périphérique et peuvent le faire de manière transitoire par « capture » de l'un des électrons de l'atome de xénon voisin. La durée de vie typique d'un excimère de xénon est de 1 à 5 nanosecondes, et la désexcitation se fait par émission de photons de longueurs d'onde voisines de 150 et 173 nanomètres[75] - [76]. Une troisième émission plus problématique quant à son origine, est le troisième continuum[77]. Il semblerait que son origine soit un ion moléculaire Xe₂^{+ (}[78]⁾.

Le xénon peut également former, de façon transitoire, des composés binaires diatomiques avec d'autres éléments dont le brome, le chlore et le fluor[79]. Cela s'explique par le fait que le xénon excité a une structure électronique analogue à celle des métaux alcalins. Il est donc logique qu'il réagisse avec les halogènes. Ces molécules ont des applications dans le domaine des lasers : citons XeCl, KrF…

Phare à décharge au xénon.

Le xénon est utilisé dans des dispositifs d'émission de lumière sous forme de flash lumineux, utilisés dans les flash photographiques ou les stroboscopes[11]. Il est également utilisé dans les lasers pour exciter le milieu amplificateur qui génère ensuite le faisceau cohérent[80]. Le premier laser solide fabriqué en 1960 était pompé par une lampe au xénon[81], et les lasers utilisés pour la fusion nucléaire le sont également[82].

Lampe à décharge de 15 kW au xénon.

Les lampes à décharge au xénon ont une température de couleur proche de celle du Soleil à midi et sont utilisées pour le simuler dans des bancs solaires (la couleur de ces lampes est proche de celle d'un corps noir à une température proche de celle du Soleil). Après leur introduction dans les années 1940, ces lampes ont commencé à remplacer, dans les projecteurs de cinéma, les lampes à arc au carbone dont la durée de vie était courte[83]. Elles sont employées de manière standard dans les systèmes de projection 35 mm ou IMAX, ainsi que pour d'autres applications spécialisées. Ces lampes à arc au xénon constituent une excellente source de rayonnement ultraviolet de courte longueur d'onde, et présentent également une grande intensité d'émission dans le proche infrarouge qui est utilisé dans certains équipements de vision nocturne.

Les lampes au xénon haute pression sont utilisées depuis le tournant du millénaire pour les phares d'automobile. Ce sont des lampes à décharge qui donnent un éclairage puissant avec une lumière très blanche légèrement bleutée. Ce type de phares reste onéreux, car il nécessite une alimentation haute tension et un système d'asservissement en azimut pour éviter l'éblouissement des conducteurs venant en sens inverse.

Les cellules dans les écrans plasma utilisent un mélange de xénon et de néon, ionisé sous forme de plasma par des électrodes. L'interaction de ce plasma et des électrodes génère un rayonnement ultraviolet, qui lui-même excite le revêtement contenant du phosphore qui constitue le côté visible du système d'affichage[84] - [85].

Le xénon est utilisé comme « gaz de démarrage » dans les lampes à vapeur de sodium haute pression. En effet, de tous les gaz rares non radioactifs, c'est celui qui possède la conductivité thermique et le potentiel de première ionisation les plus faibles. Étant inerte, il n'interfère pas avec les réactions chimiques qui ont lieu au cours du fonctionnement de la lampe. Sa faible conductivité thermique permet de minimiser les pertes thermiques en cours de fonctionnement, et son faible potentiel d'ionisation permet d'avoir une tension de claquage relativement basse pour le gaz à froid, ce qui permet de mettre plus facilement la lampe en fonctionnement[86].

En 1962, un groupe de chercheurs des laboratoires Bell a découvert un effet laser dans le xénon[87], et a découvert par la suite que le gain d'amplification du laser était augmenté en ajoutant de l'hélium au milieu actif[88] - [89]. Le premier laser à excimères utilisait un dimère (Xe₂) excité par un faisceau d'électrons, et produisait une émission stimulée dans l'ultraviolet à une longueur d'onde de 176 nm ⁽[90]⁾. Le chlorure de xénon et le fluorure de xénon ont également été utilisés dans des lasers à excimères (ou plus précisément à exciplexes)[91]. Le laser à excimères de chlorure de xénon a été utilisé par exemple pour des applications en dermatologie[92]. Le fluorure de xénon permet une émission à 354 nm, le chlorure de xénon à 308 nm et le bromure de xénon à 282 nm, tandis que le laser à fluorure de krypton émet à 248 nm dans le proche ultraviolet.

Dans le domaine de la médecine, le xénon peut être utilisé en anesthésie, mais il intervient également dans des dispositifs d'imagerie médicale.

Malgré son prix, le xénon peut être utilisé en anesthésie générale[93]. Début 2008, seuls 2 hôpitaux étaient équipés en France[94] - [95] (CHU de Nîmes et Bordeaux) pour utilisation en anesthésie générale inhalatoire. Actuellement, deux autres CHU en France l'ont également à l'essai (CHU de Clermont-Ferrand et Poitiers). Il ne semble cependant pas utilisable pour les patients fragiles sur le plan respiratoire parce qu'il n'a de propriétés anesthésiques qu'à des concentrations élevées (supérieurs à 60 %), ce qui limite à 40 % l'apport en dioxygène (insuffisant pour certains patients). C'est une méthode d'anesthésie avec peu d'effets secondaires (pas de baisse de pression artérielle, réveil et retour à la conscience plus rapide), mais ce gaz est cependant très cher, ce qui limite pour l'instant son utilisation.

Deux mécanismes ont été proposés pour expliquer son effet. Le premier met en jeu une inhibition de la Ca²⁺ ATPase dans la membrane plasmique synaptique (cette protéine permet de transporter du calcium)[96]. Cette inhibition serait due à un changement conformationnel lorsque le xénon se lie à des sites non polaires à l'intérieur de la protéine[97]. Le second mécanisme possible met en jeu des interactions non spécifiques entre l'anesthésiant et la couche lipidique[98].

Le xénon possède une concentration alvéolaire minimale (MAC) de 71 %, ce qui en fait un anesthésiant 50 % plus puissant que le protoxyde d'azote[99]. Il peut donc être utilisé avec de l'oxygène pour limiter les risques d'hypoxie. Contrairement au protoxyde d'azote, le xénon n'est pas un gaz à effet de serre et n'est pas considéré comme dangereux pour l'environnement. Cependant, du fait du coût élevé du xénon, les applications nécessiteront un système fermé de manière que le xénon puisse être recyclé et réutilisé après filtration et purification[39].

Deux techniques bien différentes mettant en jeu le xénon sont au service de l'imagerie médicale : l'utilisation du radioisotope 133 et celle du xénon hyperpolarisé.

L'émission gamma du radioisotope 133 du xénon peut être utilisée en imagerie du cœur, des poumons ou du cerveau, au moyen de la tomographie d'émission monophotonique. Ce même isotope a également été utilisé pour mesurer le flux du sang[100] - [101] - [102].

Les noyaux de deux des isotopes stables du xénon, ¹²⁹Xe et ¹³¹Xe, possèdent un moment angulaire non nul (spin nucléaire). Lorsqu'ils sont mélangés à des vapeurs d'éléments alcalins ou d'azote, et soumis à un flux laser polarisé circulairement et d'une longueur d'onde correspondant à une des raies d'absorption de l'alcalin, leurs spins nucléaires peuvent être alignés par un processus d'échange au cours duquel les électrons de valence de l'alcalin sont polarisés par le flux laser et transfèrent leur polarisation aux noyaux de xénon par couplage magnétique hyperfin[103]. Les vapeurs d'alcalin sont typiquement produites en chauffant du rubidium métal au-dessus de 100 °C. La polarisation de spin des noyaux de xénon peut excéder 50 % de sa valeur maximale possible, ce qui est largement supérieur à la valeur d'équilibre prédite par une distribution de Boltzmann (typiquement 0,001 % de la valeur maximum à température ambiante). Cet état hors-équilibre, temporaire, est appelé hyperpolarisation.

Le noyau de ¹²⁹Xe possède un spin nucléaire I = 1/2 et donc ne possède pas de moment quadrupolaire électrique. Il ne subit donc pas d'interaction quadrupolaire au cours des collisions avec d'autres atomes, ce qui permet de conserver l'hyperpolarisation pendant une durée longue, même après que le laser a été coupé et que les vapeurs de l'alcalin ont été éliminées par condensation sur une surface à température ambiante. Le temps nécessaire pour qu'une distribution de spins retournent à sa polarisation d'équilibre (définie par la statistique de Boltzmann) est le temps de relaxation T₁. Dans le cas du xénon 129, T₁ varie de quelques secondes pour des atomes de xénon dissous dans du sang[104], à quelques heures pour du xénon gazeux[105], et même à quelques jours pour du xénon solide[106]. L'hyperpolarisation du xénon 129 rend sa détection par imagerie par résonance magnétique incroyablement plus sensible. Il a ainsi permis de faire des images de poumons, ce qui n'est pas simple par d'autres technique, et d'autres tissus. Il a été utilisé par exemple pour visualiser les flux gazeux dans les poumons[107] - [108]. Afin de pouvoir observer sélectivement certaines parties du corps ou certaines cellules, des études pour encager le xénon dans un environnement spécifique à la cible visée ont été effectuées. Par exemple, la cage peut être une émulsion lipidique pour des études neurologiques[109]. Pour servir de biorécepteur, un encagement par un cryptophane a été étudié[110].

À l'inverse, ¹³¹Xe possède un spin nucléaire I = 3/2 et un moment quadrupolaire non nul. Son temps de relaxation se situe dans une gamme de quelques millisecondes à quelques secondes[111].

Le xénon est utilisé dans des chambres à bulles[112], des détecteurs, et dans des domaines où sa masse moléculaire élevée et son caractère inerte le rendent intéressant.

Le xénon est utilisé sous forme liquide comme milieu de détection des WIMPs (Weakly interacting massive particles). Lorsqu'une telle particule entre en collision avec un atome de xénon, elle doit en théorie lui arracher un électron et entraîner une scintillation. L'utilisation du xénon devrait permettre de distinguer cette interaction d'autres événements similaires causés par des particules comme les rayons cosmiques[113]. Cependant, l'expérience Xenon menée au laboratoire national du Gran Sasso en Italie n'a pas permis à l'heure actuelle de confirmer l'existence d'une WIMP. Même si aucune WIMP n'est détectée, cette expérience doit contribuer à faire progresser la connaissance de la matière noire ainsi que d'autres modèle de physique[114]. Le détecteur actuellement utilisé pour cette expérience est cinq fois plus sensible que n'importe quel autre instrument dans le monde, et sa sensibilité doit encore être améliorée d'un ordre de grandeur au cours de l'année 2008 ⁽[115]⁾.

Prototype d'un moteur ionique au xénon.

Le xénon est le carburant le plus couramment utilisé pour la propulsion ionique des engins spatiaux du fait de sa faible énergie d'ionisation par unité de masse atomique, et de la possibilité de le stocker sous forme liquide à des températures proches de la température ambiante (sous haute pression) et de le ramener facilement à l'état gazeux pour alimenter le moteur. Le caractère inerte du xénon le rend moins polluant et moins corrosif pour les moteurs ioniques que d'autres carburants comme le mercure ou le césium. Le xénon a été d'abord utilisé pour les moteurs ioniques des satellites dans les années 1970 ⁽[116]⁾. Il a été ensuite employé comme propulseur pour le véhicule spatial européen Smart 1[117] et comme combustible des trois moteurs ioniques de la sonde américaine Dawn[118].

En chimie analytique, les perxénates sont utilisés comme oxydants. Le difluorure de xénon est utilisé pour attaquer le silicium, en particulier dans la production de MEMS (Microsystème électromécanique)[119]. Le fluorouracile, médicament anticancéreux, peut être obtenu par réaction du difluorure de xénon avec l'uracile[120]. Le xénon est également utilisé en diffraction pour résoudre la structure des protéines. Sous une pression de 0,5 à 5 MPa, le xénon se lie préférentiellement aux cavités hydrophobes des protéines, et peut être utilisé pour retrouver la phase par une méthode de dérivation aux atomes lourds[121] - [122].

• B. Gerber, « La surprenante chimie des gaz inertes », Pour la Science, n^o 341,‎ mars 2006, p. 68-74 (ISSN 0153-4092, lire en ligne).

• (en) « Technical data for Xenon » (consulté le 2 juillet 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope