Неон: свойства, применение и история открытия

Введение

химический элемент

Неон — химический элемент с символом Ne и атомным номером 10. Это второй благородный газ в периодической таблице. Неон — бесцветный, без запаха, инертный моноатомный газ при стандартных условиях, плотность которого составляет примерно две трети плотности воздуха. Неон был обнаружен в 1898 году вместе с криптоном и ксеноном и идентифицирован как один из трех оставшихся редких инертных элементов в сухом воздухе после удаления азота, кислорода, аргона и углекислого газа. Его открытие было отмечено характерным ярко-красным спектром излучения, что привело к его немедленному признанию как нового элемента. Название «неон» происходит от греческого слова νέον (не́он), являющегося средним родом единственного числа от νέος (не́ос), означающего «новый». Неон — химически инертный газ, не имеющий известных незаряженных соединений. Существующие соединения неона — это в основном ионные молекулы или неустойчивые молекулы, связанные силами Ван-дер-Ваальса. Большая часть неона в космосе образовалась в результате ядерного синтеза кислорода и гелия внутри звезд посредством процесса захвата альфа-частиц. Несмотря на его широкое распространение во Вселенной и Солнечной системе — он занимает пятое место по космическому изобилию после водорода, гелия, кислорода и углерода — неон относительно редок на Земле. Он составляет около 18,2 ppm (частей на миллион) объема земной атмосферы и еще меньшую долю в земной коре. Высокая летучесть неона и его неспособность образовывать соединения, которые бы удерживали его в твердом состоянии, объясняют его ограниченное присутствие на Земле и внутренних планетах земной группы. Высокая летучесть неона способствовала его улетучиванию из планетезималей под воздействием тепла молодой Солнечной системы. Важные области применения неона включают его использование в низковольтных неоновых лампах, высоковольтных газоразрядных трубках и неоновых рекламных вывесках, где он излучает характерный красновато-оранжевый свет. Эта же красная линия излучения отвечает за характерный красный свет гелий-неоновых лазеров. Хотя неон находит применение в плазменных трубках и в качестве хладагента, его коммерческое использование относительно ограничено. Он в основном получается путем фракционной перегонки жидкого воздуха, что делает его значительно дороже гелия, поскольку воздух является его единственным источником.

Neon is a chemical element; it has symbol Ne and atomic number 10. It is the second noble gas in the periodic table. Neon is a colorless, odorless, inert monatomic gas under standard conditions, with approximately two thirds the density of air. Neon was discovered in 1898 alongside krypton and xenon, identified as one of the three remaining rare inert elements in dry air after the removal of nitrogen, oxygen, argon, and carbon dioxide. Its discovery was marked by the distinctive bright red emission spectrum it exhibited, leading to its immediate recognition as a new element. The name neon originates from the Greek word νέον, a neuter singular form of νέος , meaning 'new'. Neon is a chemically inert gas, with no known uncharged neon compounds. Existing neon compounds are primarily ionic molecules or fragile molecules held together by van der Waals forces. The synthesis of most neon in the cosmos resulted from the nuclear fusion within stars of oxygen and helium through the alpha capture process. Despite its abundant presence in the universe and Solar System—ranking fifth in cosmic abundance following hydrogen, helium, oxygen, and carbon—neon is comparatively scarce on Earth. It constitutes about 18.2 ppm of Earth's atmospheric volume and a lesser fraction in the Earth's crust. The high volatility of neon and its inability to form compounds that would anchor it to solids explain its limited presence on Earth and the inner terrestrial planets. Neon’s high volatility facilitated its escape from planetesimals under the early Solar System's nascent Sun's warmth. Neon's notable applications include its use in low voltage neon glow lamps, high voltage discharge tubes, and neon advertising signs, where it emits a distinct reddish orange glow. This same red emission line is responsible for the characteristic red light of helium–neon lasers. Although neon has some applications in plasma tubes and as a refrigerant, its commercial uses are relatively limited. It is primarily obtained through the fractional distillation of liquid air, making it significantly more expensive than helium due to air being its sole source.

История

Неон был открыт в 1898 году британскими химиками сэром Уильямом Рамзи (1852–1916) и Моррисом Трэверсом (1872–1961) в Лондоне. Открытие неоно произошло, когда Рамзи охладил образец воздуха до состояния жидкости, затем нагрел эту жидкость и собирал выделившиеся газы при их кипении. Газы азот, кислород и аргон уже были идентифицированы, но оставшиеся газы были выделены примерно в порядке убывания их концентрации в течение шести недель, начиная с конца мая 1898 года. Первым выделенным газом оказался криптон, а следующим, после удаления криптона, был газ, дававший яркий красный свет при спектроскопическом разряде. Этот газ, идентифицированный в июне, был назван "неоном" – греческим аналогом латинского novum ("новый"), предложенным сыном Рамзи. Характерный ярко-красно-оранжевый цвет, излучаемый газообразным неоном при электрическом возбуждении, был отмечен сразу же. Позднее Трэверс писал: "Пылающий багровый свет из трубки сам рассказывал свою историю и был зрелищем, которое навсегда оставалось в памяти". Вместе с неоном был зарегистрирован и второй газ, обладавший примерно той же плотностью, что и аргон, но с отличным спектром – Рамзи и Трэверс назвали его метаргоном. Однако последующий спектроскопический анализ показал, что это аргон, загрязненный монооксидом углерода. В сентябре 1898 года та же команда, тем же методом, открыла ксенон. Интенсивный цвет и яркость неонового света ассоциировались с американским обществом того времени, символизируя "век прогресса" и преображая города в новые, захватывающие пространства, наполненные сияющей рекламой и "электрографической архитектурой". Неон сыграл важную роль в фундаментальном понимании природы атомов в 1913 году, когда Дж. Дж. Томсон, в ходе своих исследований состава канальных лучей, направил потоки ионов неоно через магнитное и электрическое поля и измерил отклонение этих потоков с помощью фотопластинки. Томсон обнаружил на фотопластинке два отдельных светлых пятна (см. изображение), что указывало на две различные параболы отклонения. В конечном итоге Томсон пришел к выводу, что некоторые атомы в газе неона имеют большую массу, чем остальные. Хотя в то время Томсон не осознавал этого, это было первое открытие изотопов стабильных атомов. Устройство Томсона представляло собой примитивную версию прибора, который мы сегодня называем масс-спектрометром.

Neon was discovered in 1898 by the British chemists Sir William Ramsay (1852–1916) and Morris Travers (1872–1961) in London. Neon was discovered when Ramsay chilled a sample of air until it became a liquid, then warmed the liquid and captured the gases as they boiled off. The gases nitrogen, oxygen, and argon had been identified, but the remaining gases were isolated in roughly their order of abundance, in a six week period beginning at the end of May 1898. The first remaining gas to be identified was krypton; the next, after krypton had been removed, was a gas which gave a brilliant red light under spectroscopic discharge. This gas, identified in June, was named "neon", the Greek analogue of the Latin novum ('new') suggested by Ramsay's son. The characteristic brilliant red orange color emitted by gaseous neon when excited electrically was noted immediately. Travers later wrote: "the blaze of crimson light from the tube told its own story and was a sight to dwell upon and never forget." A second gas was also reported along with neon, having approximately the same density as argon but with a different spectrum – Ramsay and Travers named it metargon. However, the subsequent spectroscopic analysis revealed it to be argon contaminated with carbon monoxide. Finally, the same team discovered xenon by the same process, in September 1898. The intense color and vibrancy of neon equated with American society at the time, suggesting a "century of progress" and transforming cities into sensational new environments filled with radiating advertisements and "electro graphic architecture". Neon played a role in the basic understanding of the nature of atoms in 1913, when J. J. Thomson, as part of his exploration into the composition of canal rays, channeled streams of neon ions through a magnetic and an electric field and measured the deflection of the streams with a photographic plate. Thomson observed two separate patches of light on the photographic plate (see image), which suggested two different parabolas of deflection. Thomson eventually concluded that some of the atoms in the neon gas were of higher mass than the rest. Though not understood at the time by Thomson, this was the first discovery of isotopes of stable atoms. Thomson's device was a crude version of the instrument we now term a mass spectrometer.

Изотопы

Неон имеет три стабильных изотопа: 20Ne (90,48%), 21Ne (0,27%) и 22Ne (9,25%). Изотопы 21Ne и 22Ne частично первичные, частично нуклеогенные (то есть образуются в результате ядерных реакций других нуклидов с нейтронами или другими частицами в окружающей среде), и их изменения в естественном содержании хорошо изучены. В отличие от этого, 20Ne (основной первичный изотоп, образовавшийся в процессе звёздного нуклеосинтеза) не известен как нуклеогенный или радиогенный, за исключением распада кислорода-20, который образуется в очень редких случаях при кластерном распаде тория-228. Причины вариаций 20Ne на Земле, таким образом, активно обсуждаются. Кроме того, изотопный анализ подверженных воздействию земных пород показал космогенное (космическое лучевое) производство 21Ne. Этот изотоп образуется в результате реакций отщепления на магнии, натрии, кремнии и алюминии. Анализируя все три изотопа, можно разделить космогенный компонент от магматического неона и нуклеогенного неона. Это позволяет предположить, что неон станет полезным инструментом для определения возраста космического облучения поверхностных пород и метеоритов. Неон в солнечном ветре содержит более высокую долю 20Ne, чем нуклеогенные и космогенные источники.

Характеристики

Неон — второй по лёгкости благородный газ после гелия. Как и другие благородные газы, неон бесцветен и не имеет запаха. Он светится красно-оранжевым цветом в вакуумной разрядной трубке. Его холодильная способность (на единицу объёма) более чем в 40 раз превышает аналогичный показатель жидкого гелия и в три раза — жидкого водорода. Несмотря на то, что энергия ионизации гелия выше, чем у неона, считается, что неон является наименее реакционноспособным из всех элементов, даже более, чем гелий. Неоновая плазма демонстрирует наиболее интенсивный световой разряд при нормальных напряжениях и токах среди всех благородных газов. Средний цвет этого света, воспринимаемый человеческим глазом, — красно-оранжевый из-за множества линий в этом спектральном диапазоне; он также содержит яркую зелёную линию, которая остаётся невидимой, пока визуальные компоненты не будут разделены с помощью спектроскопа.

Возникновение

Стабильные изотопы неона образуются в звездах. Наиболее распространенный изотоп неона 20Ne (90,48%) создается в результате ядерного синтеза углерода с углеродом в процессе горения углерода при звездном нуклеосинтезе. Для этого требуются температуры выше 500 мегакельвинов, которые достигаются в ядрах звезд массой более 8 солнечных масс. Неон обильно распространен во Вселенной; это пятый по распространенности химический элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия, кислорода и углерода (см. химический элемент). Его относительная редкость на Земле, как и гелия, обусловлена его малой массой, высоким давлением пара при очень низких температурах и химической инертностью – свойствами, препятствующими его улавливанию в конденсирующихся газопылевых облаках, из которых сформировались небольшие и теплые твердые планеты, такие как Земля. Неон моноатомен, что делает его легче, чем молекулы двухатомного азота и кислорода, составляющих основную часть атмосферы Земли; воздушный шар, наполненный неоном, будет подниматься в воздухе, хотя и медленнее, чем гелиевый шар. Обилие неона во Вселенной составляет около 1 части на 750 по массе; на Солнце и, предположительно, в его протопланетном облаке – около 1 части на 600. Атмосферный зонд космического аппарата "Галилео" обнаружил, что в верхних слоях атмосферы Юпитера содержание неона уменьшено (истощено) примерно в 10 раз, до уровня 1 части на 6000 по массе. Это может указывать на то, что ледяные планетезимали, принесшие неон на Юпитер из внешней Солнечной системы, образовались в регионе, который был слишком теплым для удержания неона в атмосфере (содержание более тяжелых инертных газов на Юпитере в несколько раз превышает содержание на Солнце), или что неон избирательно концентрируется в недрах планеты. Неон составляет 1 часть из 55 000 в атмосфере Земли, или 18,2 ppm по объему (что примерно соответствует мольной доле), или 1 часть из 79 000 воздуха по массе. Его доля в земной коре меньше. Промышленно неон получают путем криогенной фракционной перегонки сжиженного воздуха.

Stable isotopes of neon are produced in stars. Neon's most abundant isotope 20Ne (90.48%) is created by the nuclear fusion of carbon and carbon in the carbon burning process of stellar nucleosynthesis. This requires temperatures above 500 megakelvins, which occur in the cores of stars of more than 8 solar masses. Neon is abundant on a universal scale; it is the fifth most abundant chemical element in the universe by mass, after hydrogen, helium, oxygen, and carbon (see chemical element). Its relative rarity on Earth, like that of helium, is due to its relative lightness, high vapor pressure at very low temperatures, and chemical inertness, all properties which tend to keep it from being trapped in the condensing gas and dust clouds that formed the smaller and warmer solid planets like Earth. Neon is monatomic, making it lighter than the molecules of diatomic nitrogen and oxygen which form the bulk of Earth's atmosphere; a balloon filled with neon will rise in air, albeit more slowly than a helium balloon. Neon's abundance in the universe is about 1 part in 750 by mass; in the Sun and presumably in its proto solar system nebula, about 1 part in 600. The Galileo spacecraft atmospheric entry probe found that in the upper atmosphere of Jupiter, the abundance of neon is reduced (depleted) by about a factor of 10, to a level of 1 part in 6,000 by mass. This may indicate that the ice planetesimals that brought neon into Jupiter from the outer solar system formed in a region that was too warm to retain the neon atmospheric component (abundances of heavier inert gases on Jupiter are several times that found in the Sun), or that neon is selectively sequestered in the planet's interior. Neon comprises 1 part in 55,000 in the Earth's atmosphere, or 18.2 ppm by volume (this is about the same as the molecule or mole fraction), or 1 part in 79,000 of air by mass. It comprises a smaller fraction in the crust. It is industrially produced by cryogenic fractional distillation of liquefied air.

Химия

[[Файл:Не водяной клатрат.png|thumb|Кристаллическая структура неон-гидрата клатрата. Атомы неона не связаны с водой и могут свободно перемещаться в этом материале. Их можно извлечь, поместив клатрат в вакуумную камеру на несколько дней, в результате чего образуется лёд XVI – наименее плотная кристаллическая форма воды. Привычная шкала электроотрицательности Полинга основана на энергиях химических связей, однако такие значения очевидно не были измерены для инертного гелия и неона. Шкала электроотрицательности Аллена, основанная исключительно на (измеримых) атомных энергиях, определяет неон как наиболее электроотрицательный элемент, за которым следуют фтор и гелий. Температура тройной точки неона (24,5561 К) является определяющей фиксированной точкой в Международной температурной шкале 1990 года.

Производство

Неон получают из воздуха в криогенных установках разделения воздуха. Газофазная смесь, состоящая в основном из азота, неона, гелия и водорода, отбирается из главного конденсатора в верхней части колонны разделения воздуха высокого давления и подается в нижнюю часть боковой колонны для ректификации неона. Затем его можно дополнительно очистить от гелия, контактируя с активированным углем. Водород очищают от неона добавлением кислорода, в результате чего образуется вода и она конденсируется. Неон также является побочным продуктом производства стали в России. По состоянию на 2020 год компания Iceblick, имеющая заводы в Одессе и Москве, поставляет 65% мирового производства неона, а также 15% криптона и ксенона, поставляя продукцию поставщикам в Китае. Закрытие производства предсказывало усугубление дефицита чипов, вызванного COVID-19. Неон широко использовался в качестве индикаторов включения и в оборудовании для тестирования схем, но в настоящее время в этих областях доминируют светодиоды (LED). Эти простые неоновые устройства были предшественниками плазменных дисплеев и плазменных телевизионных экранов. Неоновые вывески обычно работают при гораздо более высоких напряжениях (2–15 киловольт), а световые трубки обычно имеют длину в несколько метров. Стеклянные трубки часто формируются в различные фигуры и буквы для изготовления вывесок, а также для архитектурных и художественных целей. В неоновых вывесках неон производит характерный яркий красно-оранжевый свет при прохождении через него электрического тока под низким давлением. Хотя лампы с другими цветами часто называют "неоновыми", они используют различные благородные газы или различные цвета флуоресцентного освещения; например, аргон создает лавандовый или синий оттенок. По состоянию на 2012 год было доступно более ста цветов.

Другое

Неон используется в вакуумных лампах, высоковольтных индикаторах, устройствах защиты от импульсных перенапряжений, волномерах, телевизионных кинескопах и гелиево-неоновых лазерах. Газовые смеси с высоким содержанием чистого неона применяются в лазерах для фотолитографии при производстве полупроводниковых приборов. Сжиженный неон коммерчески используется как криогенная охлаждающая жидкость в областях применения, где не требуется столь низкий температурный диапазон, как при использовании жидкого гелия.