What is ネオン?
ネオン (symbol Ne) is element 10 on the periodic table, a 希ガス 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.
構造
環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてネオンが118元素の中でどこに位置するかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。
縮尺どおりの大きさ
Radius 38 pm — that is 0.038 nm, so about 13158 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
ネオン is liquid over a 3 K window, from 25 K to 27 K.
物語
放電管内で赤橙色に発光する不活性な希ガスです。
1898年のネオンの発見は、化学史上最も体系的かつ緻密な成果の一つです。アルゴン(1894年)の発見とヘリウム(1895年)の単離ですでに有名だったSir William Ramsayは、University College Londonで若い助手のMorris William Traversと協力し、さらに希ガスを探しました。
1852年にGlasgowで生まれたRamsayは、周期表の空欄に強い関心を抱いていました。Dmitri Mendeleevの周期律は、ヘリウムとアルゴンの間に元素が存在するはずだと予測していましたが、まだ発見されていませんでした。RamsayはMendeleevの原子量の予測を使い、未発見の元素の原子量は約20であるはずだと計算しました。
1898年6月12日、RamsayとTraversは最も意欲的な実験を開始しました。2人は15リットルの液体アルゴンを集めました。これは液体空気を数週間にわたって分留する必要がある膨大な量でした。2人は、より軽い気体や重い気体が蒸発中に分離するはずだと考え、液体アルゴンをゆっくり蒸発させながら、最初と最後の留分を集めました。
画期的な進展は、軽い気体を含む最初の留分を、新たに入手したPlücker管という初期の放電管で調べたときに訪れました。未知の気体に高電圧をかけると、それまで見たことのない鮮やかな橙赤色の発光が生じました。Traversは後に「その光景は喜びに満ちたものでした」と書いています。
Ramsayは、この鮮やかな新元素を発見した興奮を表すため、ギリシャ語で「新しい」を意味する「neos」に由来する「neon」という名前を直ちに提案しました。2人はその後数か月をかけて、ネオンの性質、原子量(20.2)、スペクトル線、化学的不活性を確認しました。
確認には、 painstakingな分光分析が必要でした。各元素は励起されると固有のスペクトル線を生じ、それが原子の指紋として機能します。ネオンのスペクトルには、これまで観測されたことのない特定の波長の線が現れ、2人が新しい元素を単離したことを決定的に証明しました。
Ramsayは1894-1898年にヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンを含む希ガスを発見し、その功績によって1904年のノーベル化学賞を受賞しました。彼の研究は、Mendeleevの周期表が不完全であることを証明し、まったく新しい族である第18族、希ガスの追加につながりました。
この発見はすぐに実用的な意味を持ちました。2年以内に、フランスのGeorges Claudeが最初のネオン照明を開発し、RamsayとTraversが苦労して単離した気体を製品化しました。1910年までには、ネオンサインがParisの街路を照らし、世界中の都市の夜景の変化が始まりました。
ネオンの発見は、商業的用途にとどまらず、原子構造に関する理解を根本的に変えました。希ガスの化学的不活性は、電子殻理論を裏付ける重要な証拠となり、原子が化学結合を形成する理由の理解に役立ちました。ネオンの完全な最外電子殻(2-8配置)は、化学的安定性を理解するためのモデルとなりました。
用途
ネオンの最も有名な用途は、世界中の都市景観に革命をもたらしました。高電圧(3,000-15,000 volts)を低圧(大気圧の0.3%)のネオンガスに通すと、540.1ナノメートルの特徴的な橙赤色の発光が生じます。この現象は、電気エネルギーによってネオン原子がより高いエネルギー状態に励起され、基底状態に戻るときに特定の波長の光子を放出することで起こります。
現代のネオンサインでは、約1,000°Cで熱して形を曲げたガラス管に、純粋なネオンガスまたはネオンとアルゴンの混合物を封入します。管の内側を、ネオンの紫外線放射を受けると蛍光を発する蛍光体粉末でコーティングすることで、さまざまな色を実現します。ネオンに水銀蒸気を混ぜると青色光が生じ、さまざまな蛍光体によって、タイムズスクエアやラスベガスで見られる全色のスペクトルが作り出されます。
1960年にBell LabsのAli Javanによって発明されたヘリウム・ネオン(HeNe)レーザーは、最初の連続波気体レーザーであり、現在も重要な役割を果たしています。これらのレーザーには、低圧のヘリウムとネオンが10:1の割合で混合されています。ヘリウム原子は放電によって励起され、衝突を通じてネオン原子にエネルギーを移し、レーザー発振に必要な反転分布を生み出します。
HeNeレーザーは主に632.8ナノメートル(赤色光)で動作し、バーコードスキャナー、測量機器、ホログラフィー、科学研究に使用されます。民生用途では半導体レーザーに大きく置き換えられていますが、優れたビーム品質と安定性により、精密用途に適しています。
液体ネオンは、液体水素(20K)と液体窒素(77K)の間の温度を必要とする特殊な用途で、特別な低温冷却剤として使用されます。沸点27.1K(-246°C)では、液体ネオンは、ヘリウムでは高価すぎ、窒素では不十分な粒子加速器やMRI装置の超伝導磁石を効率的に冷却します。
European Space Agencyは、宇宙空間に設置する赤外線望遠鏡で液体ネオンを使用しています。中間的な温度と化学的不活性により、ヘリウム再循環システムの複雑さなしに検出器アレイを冷却するのに適しています。
ネオンは高い電離ポテンシャル(21.6 eV)と安定したプラズマ特性を持つため、半導体製造のプラズマエッチング工程で有用です。ネオンプラズマは、下層を損傷させずに特定の材料だけを選択的に除去できるため、コンピューターチップ上にナノスケールの回路パターンを作成するうえで重要です。
真空管やガス封入スイッチでは、ネオンが信頼性の高い電気的絶縁破壊特性をもたらします。ネオン封入電圧安定管は、変化する電流負荷に対して一定の電圧を維持しますが、現代の電子機器では大部分が固体素子に置き換えられています。
由来
0.18 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 44% of elements
ネオンは宇宙で5番目に豊富な元素ですが、原子量が小さく化学的に不活性であるため、地球上では希少です。地球の大気中のネオンはわずか18.2 ppm(0.00182%)で、ヘリウムより豊富ですが、微量気体とされています。
この大気中のネオンは、地球の形成時に閉じ込められた原始ガスと、地球内部から継続的に放出されるガスに由来します。より重い希ガスは保持されやすいのに対し、ネオンは原子量が小さい(20.18 amu)ため、特に地球初期の高温期に大気から大きく逃げ出しました。
ネオンは、質量が太陽の8倍を超える大質量星の最終進化段階で、アルファ過程によって生成されます。炭素12の原子核がアルファ粒子(ヘリウム4の原子核)を捕獲して酸素16を形成し、さらに別のアルファ粒子を捕獲して、最も豊富なネオン同位体であるネオン20(天然ネオンの90.48%)を生成します。
この過程は、星が超新星爆発を起こす直前に、星の中心部で6億Kを超える温度で起こります。生成されたネオンは超新星によって宇宙空間にまき散らされ、最終的に地球のような新しい恒星系や惑星に取り込まれます。
天然のネオンは、3種類の安定同位体、Ne-20(90.48%)、Ne-21(0.27%)、Ne-22(9.25%)から成ります。この同位体分布は、太陽系の形成と初期大気の進化に関する手がかりを与えます。隕石には異なるネオン同位体比が見られ、初期太陽系星雲におけるネオンの供給源が複数あったことを示しています。
深海堆積物や古代の岩石には、地球初期の大気と主要な地質学的事象の時期を科学者が理解するのに役立つネオン同位体の特徴が保存されています。Ne-20とNe-22の比は異なる地質層で変化し、地球化学的な指紋として機能します。
ネオンを含む鉱物は存在しないため、商業的なネオン生産は完全に液体空気の分留に依存しています。この工程は、液体酸素と液体窒素を生産する空気分離プラントで始まります。ネオンを含む残りの希ガスは、「粗ネオン」留分に濃縮されます。
さらに、複数回の蒸留段階によって、ネオンを沸点が最も近いヘリウムやアルゴンから分離します。大規模な空気分離プラントで、意味のある量のネオンを抽出するために必要な膨大な空気を経済的に処理できるウクライナ、ロシア、中国で主に生産されています。
取り扱い
ネオンは化学的に不活性で、生体組織と反応したり有毒な化合物を形成したりしないため、毒性のリスクは最小限です。ただし、すべての不活性ガスと同様に、密閉空間で酸素を置換して窒息を引き起こす可能性があります。主な安全上の懸念は、ネオンサインで使用される高電圧電気機器と、ガラス管による潜在的な物理的危険です。
急性ばく露:ネオンガスへの短時間のばく露によって有害な影響は生じません。一部の希ガスとは異なり、ネオンは高濃度でも、窒素酔いに似た麻酔作用を引き起こしません。
窒息のリスク:密閉空間では、ネオン濃度が70%を超えると酸素欠乏を引き起こし、数分以内に意識を失う可能性があります。症状には、めまい、混乱、速い呼吸、協調運動の喪失などがあります。
OSHAガイドライン:ネオンに特定のばく露限界はありませんが、OSHAは密閉空間の酸素濃度を19.5%超に保つことを求めています。
高電圧の危険:ネオンサイン用変圧器は3,000-15,000 voltsで動作し、深刻な感電のリスクがあります。保守作業の前には、必ず電源を切断してください。
必要な個人用保護具:ネオン照明システムを扱う際は、絶縁手袋、安全眼鏡、電圧検出器を使用してください。
設置要件:有資格の電気技師が、地域の電気規則に従ってネオンシステムを設置してください。
極低温の危険:-246°Cの液体ネオンは、接触すると重度の凍傷を引き起こす可能性があります。保護具には、断熱手袋、フェイスシールド、つま先が覆われた靴が含まれます。
圧力の危険:液体ネオンが急速に温まると、密閉容器内に危険な圧力上昇が生じます。適切な排気システムと圧力逃し弁を使用してください。
保管要件:酸素置換を防ぐため、十分な換気を備えた専用の低温デュワー容器に保管してください。
酸素欠乏:被害者を直ちに新鮮な空気の場所へ移し、可能であれば酸素を補給し、長時間ばく露した場合は医療機関を受診してください。
感電:電源が切断されるまで被害者に触れないでください。必要に応じてCPRを開始し、直ちに救急サービスへ連絡してください。
低温物質との接触:患部をぬるま湯(熱湯ではありません)で洗い流し、凍傷部分をこすらず、重度のばく露の場合は直ちに医療機関を受診してください。
簡単な回答
ネオン (symbol Ne) is element 10 on the periodic table, a 希ガス 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.ネオン melts at 24.6 K (-248.6 °C) and boils at 27.1 K (-246.1 °C).
The standard atomic weight of ネオン is 20.18 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
ネオン is a gas at room temperature; its density is about 0.9 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.
ネオン was discovered in 1898 by Ramsay & Travers. It is named after greek neos, "new".
ネオン makes up about 0.18 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.