البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع نيون بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق مقياس
Radius 38 pm — that is 0.038 nm, so about 13158 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
نيون is liquid over a 3 K window, from 25 K to 27 K.
القصة
غاز نبيل خامل يتوهج باللون الأحمر البرتقالي في أنابيب التفريغ.
يمثل اكتشاف النيون عام 1898 أحد أكثر الإنجازات المنهجية والتنظيمية في تاريخ الكيمياء. كان Sir William Ramsay، الذي اشتهر باكتشاف آرغون (1894) وعزل الهيليوم (1895)، قد تعاون مع مساعده الشاب Morris William Travers في University College London للبحث عن غازات نبيلة إضافية.
كان Ramsay، المولود في Glasgow عام 1852، منشغلاً بثغرات الجدول الدوري. فقد تنبأ القانون الدوري لـDmitri Mendeleev بوجود عناصر بين الهيليوم وآرغون، لكن لم يكن أي منها قد اكتُشف. وباستخدام تنبؤات Mendeleev بالوزن الذري، حسب Ramsay أن عنصراً غير مكتشف ينبغي أن تكون كتلته الذرية نحو 20.
في 12 يونيو 1898، بدأ Ramsay وTravers أكثر تجاربهما طموحاً. فقد جمعا 15 لتراً من آرغون السائل، وهي كمية هائلة تطلبت أسابيع من التقطير التجزيئي للهواء السائل. وبخرا آرغون السائل ببطء مع جمع الجزأين الأول والأخير، استدلالاً بأن أي غازات أخف أو أثقل ستنفصل أثناء التبخر.
حدث الاختراق عندما فحصا الجزء الأول (الذي يحتوي على الغازات الأخف) باستخدام أنبوب Plücker الذي حصلا عليه حديثاً، وهو شكل مبكر من أنابيب التفريغ الغازي. وعندما طبقا جهداً عالياً على الغاز المجهول، أنتج توهجاً برتقالياً أحمر ساطعاً يختلف عن أي شيء رأياه من قبل. وكتب Travers لاحقاً: "كان المنظر باعثاً على البهجة."
اقترح Ramsay فوراً اسم "neon" المشتق من الكلمة اليونانية "neos" التي تعني "جديد"، تعبيراً عن حماسهما لاكتشاف هذا العنصر الجديد الساطع. وأمضيا الأشهر التالية في تأكيد خصائص النيون: الوزن الذري (20.2)، والخطوط الطيفية، والخمول الكيميائي.
تطلب التأكيد تحليلاً طيفياً دقيقاً وشاقاً. إذ ينتج كل عنصر خطوطاً طيفية فريدة عند إثارته، فتعمل هذه الخطوط كبصمة ذرية. وأظهر طيف النيون خطوطاً عند أطوال موجية محددة لم تُرصد من قبل، مما أثبت بصورة قاطعة أنهما عزلا عنصراً جديداً.
أكسب اكتشاف Ramsay للغازات النبيلة (الهيليوم، والنيون، وآرغون، والكريبتون، والزينون) بين 1894-1898 جائزة نوبل في الكيمياء عام 1904. وأثبت عمله أن الجدول الدوري لـMendeleev كان غير مكتمل، وأدى إلى إضافة مجموعة جديدة كاملة، هي المجموعة 18، مجموعة الغازات النبيلة.
كان للاكتشاف آثار عملية فورية. ففي غضون عامين، طوّر Georges Claude في France أول إضاءة نيون، وحوّل الغاز الذي عزله Ramsay وTravers بشق الأنفس إلى منتج تجاري. وبحلول عام 1910، أضاءت لافتات النيون شوارع Paris، فبدأت تحول مشاهد المدن الليلية في أنحاء العالم.
إلى جانب تطبيقاته التجارية، غيّر اكتشاف النيون فهمنا للبنية الذرية تغييراً جوهرياً. فقد قدم الخمول الكيميائي للغازات النبيلة دليلاً حاسماً على نظرية الأغلفة الإلكترونية، وساعد العلماء على فهم سبب تكوين الذرات للروابط الكيميائية. وأصبح غلاف النيون الإلكتروني الخارجي المكتمل (توزيع 2-8) نموذجاً لفهم الاستقرار الكيميائي.
الاستخدامات
أحدث استخدام النيون الأكثر شهرة ثورةً في مشاهد المدن حول العالم. فعندما يمر جهد عالٍ (3,000-15,000 volts) عبر غاز النيون عند ضغط منخفض (0.3% من الضغط الجوي)، يُنتج التوهج البرتقالي الأحمر المميز عند 540.1 nanometers. تحدث هذه الظاهرة لأن الطاقة الكهربائية تثير ذرات النيون إلى حالات طاقة أعلى، وعندما تعود إلى الحالة الأرضية، تبعث فوتونات ذات أطوال موجية محددة.
تستخدم لافتات النيون الحديثة أنابيب زجاجية تُثنى وهي ساخنة (نحو 1,000°C)، وتُملأ بغاز نيون نقي أو بخليط من النيون وآرغون. وتتحقق الألوان المختلفة بطلاء الأجزاء الداخلية للأنابيب بمساحيق فوسفورية تتفلور عند تعرضها لانبعاث النيون فوق البنفسجي. وينتج بخار الزئبق المخلوط بالنيون ضوءً أزرق، بينما تُنشئ الفوسفورات المختلفة الطيف الكامل للألوان المشاهدة في Times Square وLas Vegas.
كانت ليزرات الهيليوم-نيون (HeNe)، التي اخترعها Ali Javan في Bell Labs عام 1960، أول ليزرات غازية مستمرة الموجة، ولا تزال مهمة حتى اليوم. تحتوي هذه الليزرات على خليط بنسبة 10:1 من الهيليوم والنيون عند ضغط منخفض. تُثار ذرات الهيليوم بالتفريغ الكهربائي وتنقل الطاقة إلى ذرات النيون من خلال التصادم، مما ينشئ انقلاباً سكانياً ضرورياً لعمل الليزر.
تعمل ليزرات HeNe أساساً عند 632.8 nanometers (ضوء أحمر)، وتُستخدم في ماسحات الرموز الشريطية، ومعدات المسح، والتصوير المجسم، والبحث العلمي. وتجعل جودة حزمها وثباتها الاستثنائيان منها مثالية للتطبيقات الدقيقة، رغم استبدالها إلى حد كبير بليزرات أشباه الموصلات في التطبيقات الاستهلاكية.
يُستخدم النيون السائل كمبرد مبردي متقدم لتطبيقات متخصصة تتطلب درجات حرارة بين الهيدروجين السائل (20K) والنيتروجين السائل (77K). وعند نقطة غليانه البالغة 27.1K (-246°C)، يوفر النيون السائل تبريداً فعالاً للمغناطيسات فائقة التوصيل في مسرعات الجسيمات وأجهزة MRI، حيث يكون الهيليوم باهظ التكلفة أو يكون النيتروجين غير كافٍ.
تستخدم European Space Agency النيون السائل في التلسكوبات الفضائية العاملة بالأشعة تحت الحمراء، إذ تجعل درجة حرارته المتوسطة وخموله الكيميائي منه مثالياً لتبريد صفائف الكواشف دون تعقيد أنظمة إعادة تدوير الهيليوم.
تجعل طاقة التأين العالية للنيون (21.6 eV) وخصائص بلازمته المستقرة منه ذا قيمة في عمليات الحفر بالبلازما لتصنيع أشباه الموصلات. ويمكن لبلازما النيون إزالة مواد محددة انتقائياً دون إتلاف الطبقات الموجودة أسفلها، وهو أمر حاسم لإنشاء أنماط دوائر نانوية على رقائق الحاسوب.
في أنابيب التفريغ والمفاتيح المملوءة بالغاز، يوفر النيون خصائص موثوقة للانهيار الكهربائي. وتحافظ أنابيب تنظيم الجهد المملوءة بالنيون على جهد ثابت عبر أحمال تيار متغيرة، رغم استبدالها إلى حد كبير بأجهزة الحالة الصلبة في الإلكترونيات الحديثة.
مصدره
0.18 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 44% of elements
يحتل النيون المرتبة الخامسة بين أكثر العناصر وفرةً في الكون، لكنه يظل نادراً على الأرض بسبب كتلته الذرية المنخفضة وخموله الكيميائي. وفي الغلاف الجوي للأرض، لا يتجاوز النيون 18.2 جزءاً في المليون (0.00182%)، مما يجعله أوفر من الهيليوم، لكنه لا يزال يُعد غازاً نادراً.
ينشأ هذا النيون الجوي من الغاز البدائي المحتجز أثناء تكوّن الأرض، ومن الانبعاث الغازي المستمر من باطن الكوكب. وعلى خلاف الغازات النبيلة الأثقل التي يمكن الاحتفاظ بها بسهولة أكبر، تسمح الكتلة الذرية الخفيفة للنيون (20.18 amu) بتسرب جوي كبير، ولا سيما خلال الفترة الحارة المبكرة للأرض.
يتكوّن النيون من خلال عملية ألفا في النجوم الضخمة (أكبر من 8 كتل شمسية) خلال مراحل تطورها النهائية. تلتقط نوى الكربون-12 جسيمات ألفا (نوى الهيليوم-4) لتكوين الأكسجين-16، الذي يلتقط بدوره جسيم ألفا آخر ليكوّن النيون-20، وهو أكثر نظائر النيون وفرةً (90.48% من النيون الطبيعي).
تحدث هذه العملية في قلب النجم عند درجات حرارة تتجاوز 600 مليون Kelvin، قبيل خضوع النجم لانفجار مستعر أعظم. وينتشر النيون الناتج في الفضاء أثناء المستعر الأعظم، ثم يندمج في النهاية في أنظمة نجمية وكواكب جديدة مثل الأرض.
يتكوّن النيون الطبيعي من ثلاثة نظائر مستقرة: Ne-20 (90.48%)، وNe-21 (0.27%)، وNe-22 (9.25%). ويوفر هذا التوزيع النظائري دلائل حول تكوّن النظام الشمسي والتطور المبكر للغلاف الجوي. وتُظهر النيازك نسباً مختلفة لنظائر النيون، مما يشير إلى مصادر متعددة للنيون في السديم الشمسي المبكر.
تحفظ رواسب المحيطات العميقة والصخور القديمة بصمات نظائر النيون التي تساعد العلماء على فهم الغلاف الجوي المبكر للأرض وتوقيت الأحداث الجيولوجية الكبرى. وتختلف نسبة Ne-20 إلى Ne-22 في التكوينات الجيولوجية المختلفة، فتعمل كبصمة جيوكيميائية.
يعتمد إنتاج النيون التجاري كلياً على التقطير التجزيئي للهواء السائل، إذ لا توجد معادن تحتوي على النيون. تبدأ العملية في مصانع فصل الهواء التي تنتج الأكسجين والنيتروجين السائلين. وتُركّز الغازات النادرة المتبقية، ومنها النيون، في جزء "النيون الخام".
يتضمن التنقية اللاحقة مراحل تقطير متعددة لفصل النيون عن الهيليوم وآرغون، وهما أقرب جيرانه في نقطة الغليان. ويحدث الإنتاج الرئيسي في أوكرانيا وروسيا والصين، حيث تستطيع مصانع فصل الهواء واسعة النطاق معالجة الأحجام الهائلة من الهواء اللازمة لاستخلاص كميات مفيدة من النيون اقتصادياً.
التعامل
يمثل النيون مخاطر سمية ضئيلة بسبب خموله الكيميائي؛ فهو لا يتفاعل مع الأنسجة الحيوية ولا يكوّن مركبات سامة. ومع ذلك، يمكن للنيون، شأنه شأن جميع الغازات الخاملة، أن يسبب الاختناق بإزاحة الأكسجين في الأماكن المحصورة. وتشمل مخاوف السلامة الأساسية معدات الجهد العالي الكهربائية المستخدمة في لافتات النيون، والمخاطر الفيزيائية المحتملة من الأنابيب الزجاجية.
التعرض الحاد: لا يسبب التعرض القصير لغاز النيون أي آثار ضارة. وعلى خلاف بعض الغازات النبيلة، لا يسبب النيون التخدير (تأثيرات شبيهة بتخدير النيتروجين) حتى عند التراكيز المرتفعة.
خطر الاختناق: في الأماكن المحصورة، يمكن لتراكيز النيون التي تتجاوز 70% أن تسبب نقص الأكسجين، مما يؤدي إلى فقدان الوعي خلال دقائق. وتشمل الأعراض الدوار، والارتباك، والتنفس السريع، وفقدان التناسق.
إرشادات OSHA: رغم عدم وجود حدود تعرض محددة للنيون، تشترط OSHA بقاء مستويات الأكسجين أعلى من 19.5% في الأماكن المحصورة.
مخاطر الجهد العالي: تعمل محولات لافتات النيون عند 3,000-15,000 volts، مما يشكل مخاطر جسيمة للصعق الكهربائي. افصل الطاقة دائماً قبل الصيانة.
معدات الوقاية الشخصية المطلوبة: قفازات عازلة، ونظارات واقية، وكاشفات الجهد عند العمل مع أنظمة إضاءة النيون.
متطلبات التركيب: ينبغي للكهربائيين المرخصين تركيب أنظمة النيون وفقاً للقوانين الكهربائية المحلية.
مخاطر البرد الشديد: يمكن للنيون السائل عند -246°C أن يسبب قضمة صقيع شديدة عند ملامسته. وتشمل معدات الوقاية القفازات العازلة، وواقيات الوجه، والأحذية المغلقة.
مخاطر الضغط: يؤدي التسخين السريع للنيون السائل إلى تراكم ضغط خطير في الحاويات المحكمة. استخدم أنظمة تهوية مناسبة وصمامات لتخفيف الضغط.
متطلبات التخزين: يُخزن في أوعية Dewar مبردية متخصصة مع تهوية كافية لمنع إزاحة الأكسجين.
نقص الأكسجين: انقل المصاب إلى الهواء النقي فوراً، ووفر أكسجيناً إضافياً إن كان متاحاً، واطلب الرعاية الطبية عند التعرض المطول.
التلامس الكهربائي: لا تلمس المصاب حتى يُفصل مصدر الطاقة. ابدأ الإنعاش القلبي الرئوي عند الحاجة واتصل بخدمات الطوارئ فوراً.
التلامس المبردي: اغسل المنطقة المصابة بالماء الفاتر (وليس الساخن)، ولا تفرك المناطق المصابة بقضمة الصقيع، واطلب العناية الطبية الفورية عند التعرض الشديد.
إجابات سريعة
نيون (symbol Ne) is element 10 on the periodic table, a غاز نبيل in period 2, group 18. Chemically inert, optically unforgettable: neon is the orange-red glow that defined the twentieth-century city at night. At room temperature it is a gas.
[He] 2s² 2p⁶, giving 2 occupied shells holding 2, 8 electrons respectively. Its outer shell holds 8 electrons, which is what sets its bonding behaviour.نيون melts at 24.6 K (-248.6 °C) and boils at 27.1 K (-246.1 °C).
The standard atomic weight of نيون is 20.18 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
نيون is a gas at room temperature; its density is about 0.9 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.
نيون was discovered in 1898 by Ramsay & Travers. It is named after greek neos, "new".
نيون makes up about 0.18 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.