Неон

Нео́н (химический символ — Ne, от лат. Neon) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — восьмой группы главной подгруппы, VIIIA) второго периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 10.

Неон
← Фтор | Натрий →
10 He
↑
Ne
↓
Ar
Периодическая система элементов
10Ne
Внешний вид простого вещества
Неон в сосуде
Свойства атома
Название, символ, номер Неон / Neon (Ne), 10
Группа, период, блок 18 (устар. 8), 2,
p-элемент
Атомная масса
(молярная масса)		 20,1797(6)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [He] 2s22p6
1s22s22p6
Радиус атома ? (38)[2] пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 58[2] пм
Радиус иона 112[2] пм
Электроотрицательность 4,4 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 0
Энергия ионизации
(первый электрон)		  2079,4(21,55) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

Твердая фаза: 1,444 г/см3 (при −248,49 °C);
Жидкая фаза: 1,204 г/см3 (при −246 °C);

Газ: 0,90035 кг/м3[3] (при 0 °C, 101,325 кПа) г/см³
Температура плавления 24,55 К; −248,6 °C
Температура кипения 27,1 К; −246,05 °C
Критическая точка 44,4 К, 2,65 МПа
Уд. теплота испарения 1,74 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 20,79[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём 22,4⋅103 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки Кубическая гранецентрированная
Параметры решётки 4,430 Å
Температура Дебая 63,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) (0,0493) Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-01-9
10
Неон
20,1797
2s22p6

Пятый по распространённости элемент Вселенной после водорода, гелия, кислорода и углерода.

Как простое вещество, неон — это инертный одноатомный газ без цвета и запаха. Обнаружен (наряду с ксеноном и криптоном) в 1898 году путём вывода из жидкого воздуха водорода, кислорода, аргона и углекислого газа.

История

Неон открыли в июне 1898 года английские химики Уильям Рамзай и Морис Траверс[4]. Они выделили этот инертный газ «методом исключения» после того, как кислород, азот, аргон и все более тяжёлые компоненты воздуха были сжижены. В декабре 1910 года французский изобретатель Жорж Клод создал газоразрядную лампу, заполненную неоном.

Происхождение названия

Название происходит от греч. νέος — новый.

Существует легенда, согласно которой название элементу дал тринадцатилетний сын Рамзая — Вилли, который спросил у отца, как тот собирается назвать новый газ, заметив при этом, что хотел бы дать ему имя novum (лат. — новый). Его отцу понравилась эта идея, однако он посчитал, что название neon, образованное от греческого синонима, будет звучать лучше[5].

Распространённость

Во Вселенной

В мировой материи неон распределён неравномерно, однако в целом по распространенности во Вселенной он занимает пятое место среди всех элементов — около 0,13 %[6] по массе. Наибольшая концентрация неона наблюдается на Солнце и других горячих звёздах, в газовых туманностях, в атмосфере планет-гигантов, находящихся в Солнечной системе: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна[3]. В атмосфере многих звёзд неон занимает третье место после водорода и гелия[7].

Земная кора

Из всех стабильных элементов второго периода неон — самый малораспространённый на Земле[8]. В рамках 18-й группы неон по содержанию в земной коре занимает третье место — после аргона и гелия[8]. Газовые туманности и некоторые звёзды содержат неона во много раз больше, чем на Земле.

На Земле наибольшая концентрация неона наблюдается в атмосфере — 1,82⋅10−3 %[3][9] по объёму, а его общие запасы оцениваются в 7,8⋅1014 м³[3]. В 1 м³ воздуха содержится около 18,2 см³ неона (для сравнения: в том же объёме воздуха содержится только 5,2 см³ гелия)[9]. Среднее содержание неона в земной коре мало − 7⋅10−9 % по массе[3]. Всего в атмосфере Земли около 6,5⋅1010 т неона[10]. В изверженных породах находится около 109 т этого элемента[11]. По мере разрушения пород газ улетучивается в атмосферу. В меньшей мере атмосферу снабжают неоном и природные воды.

Причину неоновой бедности нашей планеты учёные усматривают в том, что некогда Земля потеряла свою первичную атмосферу, которая и унесла с собой основную массу инертных газов, которые не могли, как кислород и другие газы, химически связаться с другими элементами в минералы и тем самым закрепиться на планете.

Определение

Качественно неон определяют по спектрам испускания (характеристические линии 585,25 нм и 540,05 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа[3].

Физические свойства
Свечение неона в газоразрядной трубке.
  • Благородные газы — бесцветные одноатомные газы без вкуса и запаха.
  • Инертные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся, в частности, неон — огненно-красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.
Эмиссионный спектр неона (слева направо: от ультрафиолетовых до инфракрасных линий. Линии, находящиеся в невидимых глазом участках спектра, изображены белым цветом).
  • Насыщенность внешних электронных оболочек атомов инертных газов обусловливает более низкие точки сжижения и отвердевания, чем у других газов с близкими молекулярными массами.

Химические свойства

Все благородные газы имеют завершённую электронную оболочку, поэтому они химически инертны. Химическая инертность неона исключительна, в этом с ним может конкурировать только гелий. Пока не получено ни одного его валентного соединения. Даже так называемые клатратные соединения неона с водой (Ne·6Н2О), гидрохиноном и другими веществами (подобные соединения тяжелых благородных газов: радона, ксенона, криптона и даже аргона — широко известны) получить и сохранить очень трудно.

Однако с помощью методов оптической спектроскопии и масс-спектрометрии установлено существование ионов Ne+, (NeAr)+, (NeH)+, и (HeNe)+.

Изотопы
Основная статья: Изотопы неона

Существует три стабильных изотопа неона: 20Ne (изотопная распространённость 90,48 %), 21Ne (0,27 %) и 22Ne (9,25 %)[12].

Кроме трёх стабильных нуклидов неона, существует ещё шестнадцать нестабильных изотопов. Повсеместно преобладает лёгкий 20Ne.

Во многих альфа-активных минералах относительное содержание тяжелых 21Ne и 22Ne в десятки и сотни раз больше содержания их в воздухе. Это вызвано тем, что основными механизмами образования этих изотопов являются ядерные реакции, происходящие при бомбардировке ядер алюминия, натрия, магния и кремния продуктами распада ядер тяжёлых элементов. Кроме того, подобные реакции происходят в земной коре и атмосфере под воздействием космического излучения.

Зафиксирован также ряд малопродуктивных ядерных реакций[13], при которых образуются 21Ne и 22Ne — это захват альфа-частиц ядрами тяжёлого кислорода 18О и фтора 19F:

Источник преобладающего на Земле лёгкого нуклида 20Ne до сих пор не установлен.

Обычно, Неон-20 образуется в звёздах вследствие альфа-процесса, при котором альфа-частица поглощается ядром атома кислорода с излучением гамма-кванта:

Но этот процесс требует температуры более 100 миллионов градусов и массы звезды более трёх солнечных.

Вполне возможно, источником изотопа являлась сверхновая, после взрыва которой образовалось газопылевое облако, из части которого сформировалась Солнечная система.

Считается, что в космическом пространстве неон также преимущественно представлен лёгким нуклидом 20Ne. В метеоритах обнаруживают немало 21Ne и 22Ne, но эти нуклиды предположительно образуются в самих метеоритах под воздействием космических лучей за время странствий во Вселенной.

Получение

Неон получают совместно с гелием в качестве побочного продукта в процессе сжижения и разделения воздуха на крупных промышленных установках. Разделение «неоно-гелиевой» смеси осуществляется несколькими способами за счёт адсорбции, конденсации и низкотемпературной ректификации.

Адсорбционный метод основан на способности неона, в отличие от гелия, адсорбироваться активированным углём, охлаждаемым жидким азотом. Конденсационный способ основан на вымораживании неона при охлаждении смеси жидким водородом, ректификационный способ основан на разнице температур кипения гелия и азота.

Неон извлекают из воздуха в аппаратах двукратной ректификации жидкого воздуха. Газообразные неон и гелий скапливаются в верхней части колонны высокого давления, то есть в конденсаторе-испарителе, откуда под давлением около 0,55 МПа подаются в трубное пространство дефлегматора, охлаждаемое жидким N2. Из дефлегматора обогащенная смесь Ne и Не направляется для очистки от N2 в адсорберы с активированным углем, из которых после нагревания поступает в газгольдер (содержание Ne + He до 70 %); степень извлечения смеси газов 0,5—0,6. Последнюю очистку от N2 и разделение Ne и Не можно осуществлять либо селективной адсорбцией при температуре жидкого N2, либо конденсационными методами — с помощью жидких Н2 или Ne. При использовании жидкого водорода дополнительно проводят очистку от примеси водорода с помощью CuO при 700 °C. В результате получают неон 99,9%-ной чистоты по объёму[3].

Основным промышленным способом получения неона (в последнее десятилетие) является разделение неоно-гелиевой смеси путём низкотемпературной ректификации — смесь неона и гелия предварительно очищают от примеси азота и водорода (водород выжигают в печи, заполненной катализатором), а азот в низкотемпературных дефлегматорах и в блоке криогенных адсорберов, заполненных активированным углём (уголь охлаждается змеевиками с кипящим в них под вакуумом азотом). После удаления азота неоно-гелиевая смесь сжимается компрессором и поступает в ректификационную колонну (предварительно охлаждаемая до температуры кипящего под вакуумом азота) для разделения. Для понижения температуры охлаждённая смесь дросселируется с 25 МПа до 0,2—0,3 МПа (в зависимости от режима работы установки). В верхней части колонны, из-под крышки конденсатора, отбирается гелий с примесью до 20 % неона, в нижней части колонны в жидком виде получается неон. В качестве холодильного цикла используется дроссельный холодильный цикл с рабочей средой-хладагентом чистым неоном. Ректификационный метод разделения неоно-гелиевой смеси позволяет получить неон чистотой до 99,9999 %.

Промышленные установки по получению неона высокой чистоты построены и успешно эксплуатируются на Украине — г. Мариуполь (предприятие «Ингаз») и г. Одесса (предприятие «Айсблик»), в Российской Федерации — г. Москва.

Применение
«Неоновая» вывеска

Жидкий неон используют в качестве охладителя в криогенных установках. Ранее неон применялся в промышленности в качестве инертной среды, но был вытеснен более дешёвым аргоном. Неоном наполняют газоразрядные лампы, сигнальные лампы в радиотехнической аппаратуре, фотоэлементы, выпрямители. Смесь неона и гелия используют как рабочую среду в газовых лазерах (гелий-неоновый лазер).

Трубки, заполненные смесью неона и азота, при пропускании через них электрического разряда дают красно-оранжевое свечение, в связи с чем они широко используются в рекламе. По традиции «неоновыми» часто называют также газоразрядные трубки других цветов, в реальности использующие свечение других благородных газов или флуоресцирующего покрытия (см. справа). Для получения любых цветов, кроме красного, используют электрический разряд в аргоне с добавлением небольших количеств паров ртути в газоразрядных трубках, изнутри покрытых люминофором нужного цвета свечения, преобразующих ультрафиолетовое излучение разряда в видимый свет, или разряд в смеси других благородных газов.

Неоновые лампы применяются для сигнальных целей на маяках и аэродромах, так как их красный цвет очень слабо рассеивается туманом и мглой.

Физиологическое действие

Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотическое воздействие неона (как и гелия) при нормальном давлении в опытах не регистрируется, а при повышении давления первыми возникают симптомы «неврологического синдрома высокого давления» (НСВД)[14].

В связи с этим, наряду с гелием, неон в составе неоно-гелиевой смеси используется для дыхания океанавтов, водолазов, людей, работающих при повышенных давлениях, чтобы избежать газовой эмболии и азотного наркоза. Преимущество смеси в том, что она меньше охлаждает организм, так как теплопроводность неона меньше, чем гелия.

Лёгкий неоно-гелиевый воздух облегчает также состояние больных, страдающих расстройствами дыхания.

Высокая концентрация неона во вдыхаемом воздухе может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии[15][16].

Примечания
  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. Size of neon in several environments (англ.). www.webelements.com. Дата обращения: 8 июля 2009. Архивировано 1 мая 2009 года.
  3. Химическая энциклопедия: в 5 т / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 209—210. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
  4. William Ramsay, Morris W. Travers. On the Companions of Argon (англ.) // Proceedings of the Royal Society of London. — 1898. — Vol. 63.878. — P. 437–440.
  5. Mary Elvira Weeks. XVIII. The inert gases // Discovery of the elements : collected reprints of a series of articles published in the Journal of Chemical Education. — 3rd ed. rev. — Kila, MT: Kessinger Publishing, 2003. — P. 286—288. — 380 p. — ISBN 0766138720 9780766138728.
  6. Neon: geological information (англ.). www.webelements.com. Дата обращения: 8 июля 2009. Архивировано 3 июля 2009 года.
  7. Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 106. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  8. Abundance in Earth's crust (англ.) (недоступная ссылка). www.webelements.com. Дата обращения: 8 июля 2009. Архивировано 23 мая 2008 года.
  9. Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 78. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  10. НЕОН • Большая российская энциклопедия - электронная версия. Дата обращения: 8 ноября 2021. Архивировано 15 июня 2021 года.
  11. Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 95. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  12. Isotopes of neon (англ.). www.webelements.com. Дата обращения: 8 июля 2009. Архивировано 1 мая 2009 года.
  13. Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М.: Наука, 1979. — С. 83. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  14. Павлов Б.Н. Проблема защиты человека в экстремальных условиях гипербарической среды обитания (недоступная ссылка). www.argonavt.com (15 мая 2007). Дата обращения: 22 мая 2010. Архивировано 22 августа 2011 года.
  15. Neon (Ne) - Chemical properties, Health and Environmental effects (англ.). www.lenntech.com. Дата обращения: 8 июля 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.
  16. Neon (ICSC) (англ.). www.inchem.org. Дата обращения: 19 сентября 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.