Неон

Неон — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 10. Обозначается символом Ne (от лат. Neon). Относится к группе благородных (инертных) газов. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Известен своим широким применением в газоразрядных лампах (неоновых вывесках) и криогенной технике.

История открытия

Неон был открыт в 1898 году британскими химиками Уильямом Рамзаем и Моррисом Траверсом. Учёные исследовали жидкий воздух, полученный после испарения основных компонентов — азота, кислорода и аргона. При анализе спектра оставшейся фракции они обнаружили яркие линии, не соответствующие известным элементам. Новый газ был назван «неон» от греческого слова νέος (neos) — «новый».

В 1904 году Уильям Рамзай получил Нобелевскую премию по химии за открытие инертных газов, включая неон. В 1910 году французский инженер Жорж Клод создал первую неоновую лампу, запатентовав технологию использования электрического разряда в неоне для получения света.

Нахождение в природе

Неон является одним из самых распространённых элементов во Вселенной, занимая пятое место по распространённости после водорода, гелия, кислорода и углерода. Однако на Земле его содержание крайне мало. В атмосфере Земли неон присутствует в объёмной концентрации около 0,0018 % (18,2 частей на миллион). В литосфере и гидросфере его содержание ничтожно.

Основным источником неона является воздух. Промышленное извлечение осуществляется в процессе криогенного разделения воздуха на фракции. Неон накапливается в кубовых остатках при ректификации жидкого воздуха вместе с гелием. Содержание неона в воздухе примерно в 55 раз меньше, чем гелия.

Физические свойства

Неон — одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Его физические свойства характеризуются следующими параметрами:

• Атомная масса: 20,1797 а.е.м.
• Температура плавления: −248,59 °C (24,56 К)
• Температура кипения: −246,08 °C (27,07 К)
• Плотность при н.у.: 0,900 г/л (примерно в 0,7 раза плотнее воздуха)
• Критическая температура: −228,75 °C (44,4 К)
• Критическое давление: 2,76 МПа

Неон обладает самой низкой температурой кипения среди всех инертных газов, кроме гелия и водорода. Он плохо растворим в воде (около 10,5 мл газа на 1 литр воды при 20 °C). При сильном охлаждении и сжатии неон переходит в жидкое состояние, а при дальнейшем охлаждении — в твёрдое.

Химические свойства

Как и другие благородные газы, неон химически инертен. Он не образует устойчивых химических соединений при нормальных условиях. Электронная конфигурация атома неона (1s²2s²2p⁶) представляет собой полностью заполненную внешнюю электронную оболочку, что объясняет его крайне низкую химическую активность.

В лабораторных условиях были получены нестабильные ионные соединения неона, такие как Ne⁺, Ne₂⁺ и (NeH)⁺, существующие только в газовой фазе при низких температурах или в условиях электрического разряда. В 2000 году было объявлено о синтезе первого нейтрального соединения неона — фторогидрида неона (HNeF), однако его существование не было подтверждено последующими исследованиями. На сегодняшний день неон считается единственным элементом, для которого не получено ни одного стабильного нейтрального химического соединения.

Изотопы

В природе неон представлен тремя стабильными изотопами:

• ²⁰Ne (90,48 % распространённости) — самый распространённый изотоп
• ²¹Ne (0,27 %)
• ²²Ne (9,25 %)

Кроме того, известно 16 радиоактивных изотопов неона с массовыми числами от 15 до 24. Наиболее долгоживущий из них — ²⁴Ne с периодом полураспада 3,38 минуты. Короткоживущие изотопы ¹⁶Ne и ¹⁷Ne распадаются за миллисекунды.

Получение

Промышленное получение неона осуществляется методом криогенной ректификации воздуха. Процесс включает несколько этапов:

1. Сжижение воздуха: воздух очищается от пыли, углекислого газа и влаги, затем сжимается и охлаждается до температуры около −190 °C.
2. Ректификация: жидкий воздух разделяется на фракции в ректификационных колоннах. Неон и гелий, как наиболее летучие компоненты, концентрируются в верхней части колонны.
3. Обогащение: полученная фракция (так называемая «неон-гелиевая смесь») содержит около 50–70 % неона, 20–30 % гелия и примеси азота и водорода.
4. Очистка: смесь пропускают через адсорберы с активированным углём при низких температурах для удаления примесей. Затем гелий отделяют от неона путём избирательной адсорбции или низкотемпературной ректификации.

Мировое производство неона составляет около 500–600 тонн в год. Основными производителями являются Украина (до 2022 года), Китай, Россия и США. В России неон получают на предприятиях «Криогенмаш» (Балашиха) и «Сибтехгаз» (Новосибирск).

Применение

Газоразрядные лампы

Наиболее известное применение неона — газоразрядные (неоновые) лампы. При пропускании электрического тока через разрежённый газ неон излучает характерное оранжево-красное свечение. Это свойство используется в:

• Рекламных вывесках: неоновые трубки различных цветов (цвет достигается добавлением других газов или люминофоров) широко применяются для наружной рекламы.
• Сигнальных огнях: неоновые лампы используются в аэронавигационных огнях, маяках и других сигнальных устройствах благодаря высокой яркости и надёжности.
• Индикаторных лампах: в бытовой и промышленной электронике (например, в выключателях, блоках питания).

Криогенная техника

Жидкий неон используется как криогенный хладагент. Его температура кипения (−246 °C) занимает промежуточное положение между жидким гелием (−269 °C) и жидким водородом (−253 °C). Преимущества неона перед гелием:

• Меньшая стоимость
• Более высокая теплота испарения
• Лучшие теплофизические свойства

Жидкий неон применяется в криостатах для охлаждения сверхпроводящих магнитов, детекторов излучения и в научных исследованиях.

Лазеры

Неон используется в газовых лазерах, наиболее известный из которых — гелий-неоновый лазер (He-Ne лазер). Он излучает в видимом диапазоне (обычно 632,8 нм — красный свет) и применяется в:

• Измерительной технике (интерферометрия, нивелирование)
• Медицине (хирургия, терапия)
• Научных исследованиях (спектроскопия, голография)

Прочие применения

• Электроника: неон используется в газонаполненных разрядниках и стабилитронах.
• Светотехника: неоновые лампы применяются в декоративном освещении и световых шоу.
• Научные исследования: неон используется в масс-спектрометрии, ядерной физике и космологии.

Интересные факты

• Неон является пятым по распространённости элементом во Вселенной, но на Земле его очень мало.
• В 1910 году Жорж Клод создал первую коммерческую неоновую вывеску, которая была установлена в Париже.
• Неоновые лампы могут работать десятки тысяч часов без замены.
• В спектре неона обнаружено более 2000 спектральных линий.
• Неон не токсичен и не оказывает биологического воздействия на организм человека.

Источники

1. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
2. Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.
3. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
4. Физические величины: справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
5. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. — Л.: Химия, 1977.