Неон — химический элемент ; он имеет символ Ne и атомный номер 10. Это второй благородный газ в таблице Менделеева. [12] Это бесцветный, без запаха, инертный одноатомный газ при стандартных условиях , плотность которого составляет около двух третей плотности воздуха.
Неон был открыт наряду с криптоном и ксеноном в 1898 году как один из трёх остаточных редких инертных элементов, оставшихся в сухом воздухе после удаления азота , кислорода , аргона и углекислого газа . Неон был вторым из этих трех обнаруженных редких газов и сразу же был признан новым элементом по его ярко-красному спектру излучения . Название неон происходит от греческого слова νέον , формы среднего единственного числа от νέος ( неос ), что означает «новый». Неон химически инертен , и незаряженные соединения неона неизвестны. Известные соединения неона включают ионные молекулы и хрупкие молекулы, которые удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса .
Большая часть неона в космосе была синтезирована из кислорода и гелия путем ядерного синтеза внутри звезд в процессе альфа-захвата . Хотя неон — очень распространенный элемент во Вселенной и Солнечной системе (он пятый по космическому распространению после водорода , гелия , кислорода и углерода ), на Земле он встречается редко. Он составляет около 18,2 ppm воздуха по объему (это примерно столько же, сколько молекулярная или мольная доля) и меньшую долю в земной коре. Причина относительной нехватки неона на Земле и внутренних (земных) планетах заключается в том, что неон очень летуч и не образует соединений, способных связывать его с твердыми телами. В результате он вырвался из планетезималей под теплом только что зажженного Солнца в ранней Солнечной системе.
Неон дает отчетливое красновато-оранжевое свечение при использовании в низковольтных неоновых лампах накаливания , высоковольтных газоразрядных трубках и неоновых рекламных вывесках . [13] [14] Красная линия излучения неона также вызывает хорошо известный красный свет гелий-неоновых лазеров . Неон используется в некоторых плазменных трубках и хладагентах, но других коммерческих применений мало. В промышленных масштабах его добывают путем фракционной перегонки жидкого воздуха . Поскольку единственным источником является воздух, неон значительно дороже гелия.
Неон был открыт в 1898 году британскими химиками сэром Уильямом Рамзи (1852–1916) и Моррисом Трэверсом (1872–1961) в Лондоне . [15] Неон был открыт, когда Рамзи охладил образец воздуха до тех пор, пока он не превратился в жидкость, затем нагрел жидкость и улавливал испаряющиеся газы. Газы азот , кислород и аргон были идентифицированы, но остальные газы были выделены примерно в порядке их содержания в течение шестинедельного периода, начиная с конца мая 1898 года. Первым оставшимся газом, который был идентифицирован, был криптон ; Следующим, после удаления криптона, стал газ, дающий яркий красный свет при спектральном разряде. Этот газ, обнаруженный в июне, был назван «неон», греческий аналог латинского novum («новый») [16] , предложенный сыном Рамзи. Сразу же был отмечен характерный яркий красно-оранжевый цвет, излучаемый газообразным неоном при электрическом возбуждении. Позже Трэверс писал: «Сияние малинового света из трубки рассказывало свою собственную историю и было зрелищем, на котором стоит остановиться и никогда не забыть». [17]
Сообщалось также о втором газе, наряду с неоном, имеющем примерно такую же плотность, как аргон, но с другим спектром — Рамзи и Трэверс назвали его метаргоном . [18] [19] Однако последующий спектроскопический анализ показал, что это аргон, загрязненный окисью углерода . Наконец, та же самая команда обнаружила ксенон тем же способом в сентябре 1898 года. [18]
Дефицит неона препятствовал его быстрому применению для освещения по типу трубок Мура , в которых использовался азот и которые были коммерциализированы в начале 1900-х годов. После 1902 года компания Жоржа Клода Air Liquide производила промышленные количества неона как побочный продукт своего бизнеса по сжижению воздуха. В декабре 1910 года Клод продемонстрировал современное неоновое освещение на основе запечатанной неоновой трубки. Клод некоторое время пытался продавать неоновые трубки для внутреннего освещения из-за их интенсивности, но рынок потерпел неудачу, потому что домовладельцы возражали против этого цвета. В 1912 году партнер Клода начал продавать неоновые газоразрядные трубки в качестве привлекательных рекламных вывесок и мгновенно добился большего успеха. Неоновые трубки были представлены в США в 1923 году с двумя большими неоновыми вывесками, купленными автосалоном Packard в Лос-Анджелесе. Свечение и притягивающий взгляд красный цвет сделали неоновую рекламу совершенно непохожей на конкурентов. [20] Интенсивный цвет и яркость неона ассоциировались с американским обществом того времени, предполагая «век прогресса» и превращая города в сенсационную новую среду, наполненную сияющей рекламой и «электрографической архитектурой». [21] [22]
Неон сыграл роль в базовом понимании природы атомов в 1913 году, когда Дж. Дж. Томсон в рамках своего исследования состава канальных лучей направил потоки ионов неона через магнитное и электрическое поле и измерил отклонение ручьи с фотопластинкой. Томсон наблюдал на фотопластинке два отдельных блика (см. изображение), что предполагало две разные параболы отклонения. В конце концов Томсон пришел к выводу, что некоторые атомы неона имеют большую массу, чем остальные . Хотя в то время Томсон этого не понял, это было первое открытие изотопов стабильных атомов. Устройство Томсона представляло собой грубую версию прибора, который мы сейчас называем масс-спектрометром .
Неон имеет три стабильных изотопа : 20 Ne (90,48%), 21 Ne (0,27%) и 22 Ne (9,25%). [23]
21 Ne и 22 Ne частично являются первичными , а частично нуклеогенными (т.е. образуются в результате ядерных реакций других нуклидов с нейтронами или другими частицами в окружающей среде), и вариации их естественного содержания хорошо изучены. Напротив, 20 Ne (главный первичный изотоп, полученный в ходе звездного нуклеосинтеза ), как известно, не является нуклеогенным или радиогенным , за исключением распада кислорода-20 , который образуется в очень редких случаях кластерного распада тория -228 . Таким образом , причины изменения 20 Ne на Земле вызывают горячие споры. [24] [25]
Основные ядерные реакции , генерирующие нуклеогенные изотопы неона, начинаются с 24 Mg и 25 Mg, которые производят 21 Ne и 22 Ne соответственно, после захвата нейтрона и немедленного испускания альфа-частицы . Нейтроны , вызывающие реакции, в основном образуются в результате вторичных реакций расщепления альфа-частиц, которые, в свою очередь, образуются в результате цепочек распада уранового ряда . Конечный результат дает тенденцию к более низким отношениям 20 Ne/ 22 Ne и более высоким 21 Ne/ 22 Ne, наблюдаемым в богатых ураном породах, таких как граниты . [25]
Кроме того, изотопный анализ обнаженных земных пород продемонстрировал космогенное (космические лучи) образование 21 Ne. Этот изотоп образуется в результате реакций расщепления магния , натрия , кремния и алюминия . Анализируя все три изотопа, космогенный компонент можно разделить на магматический неон и нуклеогенный неон. Это говорит о том, что неон будет полезным инструментом для определения возраста космического воздействия поверхностных камней и метеоритов . [26]
Неон в солнечном ветре содержит более высокую долю 20 Ne, чем нуклеогенные и космогенные источники. [25] Содержание неона, наблюдаемое в образцах вулканических газов и алмазов , также обогащено 20 Ne, что позволяет предположить его первобытное, возможно, солнечное происхождение. [27]
Неон — второй по легкости благородный газ после гелия . Как и другие благородные газы, неон не имеет цвета и запаха. В вакуумной разрядной трубке он светится красновато-оранжевым светом . Его холодопроизводительность (на единицу объема) более чем в 40 раз выше, чем у жидкого гелия и в три раза выше, чем у жидкого водорода . [3] В большинстве случаев это менее дорогой хладагент , чем гелий. [28] [29] Несмотря на то, что гелий превосходит неон по энергии ионизации , теоретически он является наименее реакционноспособным из всех элементов, даже в меньшей степени, чем первый. [30]
Неоновая плазма имеет самый интенсивный световой разряд при нормальных напряжениях и токах среди всех благородных газов. Средний цвет этого света для человеческого глаза — красно-оранжевый из-за множества линий в этом диапазоне; он также содержит четкую зеленую линию, которая скрыта, если только визуальные компоненты не рассеиваются с помощью спектроскопа. [31]
Стабильные изотопы неона образуются в звездах. Самый распространенный изотоп неона 20 Ne (90,48%) создается в результате ядерного синтеза углерода и углерода в процессе сжигания углерода звездного нуклеосинтеза . Для этого необходимы температуры выше 500 мегакельвинов , которые наблюдаются в ядрах звезд с массой более 8 солнечных. [32] [33]
Неон широко распространен во всемирном масштабе; это пятый по массе химический элемент во Вселенной после водорода, гелия, кислорода и углерода (см. химический элемент ). [34] Его относительная редкость на Земле, как и у гелия, обусловлена его относительной легкостью, высоким давлением пара при очень низких температурах и химической инертностью — всеми свойствами, которые препятствуют его попаданию в конденсирующиеся газовые и пылевые облака. которые сформировали меньшие и более теплые твердые планеты, такие как Земля. Неон одноатомен, что делает его легче молекул двухатомного азота и кислорода, которые составляют основную часть земной атмосферы; воздушный шар, наполненный неоном, поднимется в воздух, хотя и медленнее, чем воздушный шар с гелием. [35]
Распространенность неона во Вселенной составляет примерно 1 часть на 750 по массе; на Солнце и предположительно в его туманности прото-Солнечной системы — около 1 части из 600 . коэффициент 10, до уровня 1 часть на 6000 по массе. Это может указывать на то, что ледяные планетезимали , принесшие неон на Юпитер из внешней части Солнечной системы, сформировались в слишком теплой области, чтобы сохранить неоновую составляющую атмосферы (обилие более тяжелых инертных газов на Юпитере в несколько раз превышает обнаруженное на Солнце). [36] или что неон избирательно изолируется в недрах планеты. [37]
Неон составляет 1 часть на 55 000 в атмосфере Земли , или 18,2 частей на миллион по объему (это примерно столько же, сколько молекула или мольная доля), или 1 часть на 79 000 воздуха по массе. Он составляет меньшую фракцию в земной коре. В промышленных масштабах его производят методом криогенной фракционной перегонки сжиженного воздуха. [3]
17 августа 2015 года на основе исследований с помощью космического аппарата Lunar Atmосферe and Dust Environment Explorer (LADEE) учёные НАСА сообщили об обнаружении неона в экзосфере Луны . [38]
Неон — первый благородный газ с p-блоком и первый элемент с настоящим октетом электронов. Он инертен : как и в случае с его более легким аналогом гелием , не обнаружено сильно связанных нейтральных молекул, содержащих неон . Ионы [Ne Ar ] + , [ Ne H ] + и [HeNe] + наблюдались в результате оптических и масс-спектрометрических исследований. [3] Твердый гидрат клатрата неона получали из водяного льда и газообразного неона при давлениях 350–480 МПа и температуре около -30 °С. [40] Атомы Ne не связаны с водой и могут свободно перемещаться через этот материал. Их можно извлечь, поместив клатрат в вакуумную камеру на несколько дней, получив лед XVI , наименее плотную кристаллическую форму воды. [39]
Знакомая шкала электроотрицательности Полинга основана на энергиях химических связей, но такие значения, очевидно, не измерялись для инертного гелия и неона. Шкала электроотрицательности Аллена , которая опирается только на (измеримую) атомную энергию, определяет неон как наиболее электроотрицательный элемент, за которым следуют фтор и гелий. [41]
Температура тройной точки неона (24,5561 К) является определяющей фиксированной точкой Международной температурной шкалы 1990 года . [42]
Неон получают из воздуха на криогенных воздухоразделительных установках. Газофазная смесь, состоящая преимущественно из азота, неона, гелия и водорода [43], отбирается из основного конденсатора в верхней части воздухоразделительной колонны высокого давления и подается в нижнюю часть боковой колонны для ректификации неона. . [44] Затем его можно дополнительно очистить от гелия, приведя его в контакт с активированным углем. Водород очищается от неона путем добавления кислорода, в результате чего образуется и конденсируется вода. [43] 1 фунт чистого неона можно получить при переработке 88 000 фунтов газофазной смеси. [43]
Около 70% мировых поставок неона производится в Украине [45] как побочный продукт производства стали в России . [46] По состоянию на 2020 год [обновлять]компания Iceblick с заводами в Одессе и Москве поставляет 65% мирового производства неона, а также 15% криптона и ксенона . [47] [48]
Мировые цены на неон подскочили примерно на 600% после аннексии Крыма Россией в 2014 году , [49] что побудило некоторых производителей чипов начать отходить от российских и украинских поставщиков [50] и переходить к поставщикам в Китае . [48] Вторжение России в Украину в 2022 году также закрыло две компании в Украине, которые производили около половины мировых поставок: «Криоин Инжиниринг» ( укр .: Креоин Инжиниринг ) и «Инхаз» ( укр .: ИНГАЗ ), расположенные в Одессе и Мариуполе соответственно. [49] Прогнозировалось, что закрытие усугубит нехватку чипов для лечения COVID-19 , [48] [47] что может еще больше перенести производство неона в Китай. [50]
Обычно используются два совершенно разных типа неонового освещения . Неоновые лампы накаливания , как правило, крошечные, большинство из них работают при напряжении от 100 до 250 вольт . [51] Они широко использовались в качестве индикаторов включения питания и в оборудовании для тестирования цепей, но в настоящее время в этих приложениях доминируют светодиоды (LED). Эти простые неоновые устройства были предшественниками плазменных дисплеев и плазменных телевизионных экранов . [52] [53] Неоновые вывески обычно работают при гораздо более высоком напряжении (2–15 киловольт ), а длина светящихся трубок обычно составляет несколько метров. [54] Стеклянным трубкам часто придают формы и буквы для вывесок, а также для архитектурного и художественного применения.
В неоновых вывесках неон излучает безошибочный яркий красновато-оранжевый свет, когда через него проходит электрический ток под низким давлением. [55] Хотя трубки других цветов часто называют «неоновыми», в них используются разные благородные газы или флуоресцентные лампы разных цветов, например, аргон дает лавандовый или синий оттенок. [56] По состоянию на 2012 год доступно более ста цветов. [57]
Неон используется в электронных лампах , высоковольтных индикаторах, молниеотводах , волнометрических трубках, телевизионных трубках и гелий-неоновых лазерах . Газовые смеси, в состав которых входит неон высокой чистоты, используются в лазерах для фотолитографии при производстве полупроводниковых приборов . [49]
Сжиженный неон коммерчески используется в качестве криогенного хладагента в приложениях, не требующих более низкого температурного диапазона, достижимого при более экстремальном охлаждении жидким гелием .
Плазменные дисплеи тесно связаны с простой неоновой лампой.