Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение неон среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 38 pm — это 0,038 нм, поэтому около 13,16 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Неон находится в жидком состоянии в диапазоне 3 K — от 25 K до 27 K.
История
Инертный благородный газ, который светится красно-оранжевым цветом в газоразрядных трубках.
Открытие неона в 1898 году стало одним из самых систематических и методичных достижений в истории химии. Сэр Уильям Рамзай, уже прославившийся открытием аргона (1894) и выделением гелия (1895), вместе со своим молодым ассистентом Моррисом Уильямом Траверсом из Университетского колледжа Лондона начал поиски дополнительных благородных газов.
Рамзай, родившийся в Глазго в 1852 году, был одержим пробелами в периодической таблице. Периодический закон Дмитрия Менделеева предсказывал существование элементов между гелием и аргоном, но ни один из них не был найден. Используя предсказания Менделеева об атомной массе, Рамзай вычислил, что неизвестный элемент должен иметь атомную массу около 20.
12 июня 1898 года Рамзай и Траверс начали свой самый амбициозный эксперимент. Они собрали 15 литров жидкого аргона — огромное количество, для получения которого потребовались недели фракционной перегонки жидкого воздуха. Учёные медленно испаряли жидкий аргон, собирая первую и последнюю фракции, предполагая, что более лёгкие или более тяжёлые газы отделятся в процессе испарения.
Прорыв произошёл, когда они исследовали первую фракцию (содержащую более лёгкие газы) с помощью недавно приобретённой трубки Плюккера — ранней разновидности газоразрядной трубки. Когда они подали высокое напряжение на неизвестный газ, он дал яркое оранжево-красное свечение, не похожее ни на что виденное ими прежде. Позже Траверс написал: «Это зрелище было радостью для глаз».
Рамзай сразу предложил название «неон», происходящее от греческого слова «neos», означающего «новый», что отражало их восторг от открытия этого яркого нового элемента. В последующие месяцы они подтверждали свойства неона: атомную массу (20.2), спектральные линии и химическую инертность.
Для подтверждения потребовался кропотливый спектроскопический анализ. Каждый элемент при возбуждении создаёт уникальные спектральные линии, служащие атомным отпечатком. В спектре неона обнаружились линии на определённых длинах волн, никогда ранее не наблюдавшиеся, что окончательно доказало выделение нового элемента.
Открытие Рамзаем благородных газов (гелия, неона, аргона, криптона и ксенона) в период с 1894 по 1898 год принесло ему Нобелевскую премию по химии 1904 года. Его работа доказала, что периодическая таблица Менделеева была неполной, и привела к добавлению целой новой группы — группы 18, благородных газов.
Открытие имело немедленные практические последствия. В течение двух лет Жорж Клод во Франции разработал первое неоновое освещение, начав коммерческое использование газа, который Рамзай и Траверс с таким трудом выделили. К 1910 году неоновые вывески освещали улицы Парижа, положив начало преобразованию городских ночных пейзажей по всему миру.
Помимо коммерческого применения, открытие неона коренным образом изменило представления о строении атома. Химическая инертность благородных газов стала важным доказательством теории электронных оболочек и помогла учёным понять, почему атомы образуют химические связи. Заполненная внешняя электронная оболочка неона (конфигурация 2-8) стала моделью для понимания химической стабильности.
Применение
Самое известное применение неона изменило городские пейзажи по всему миру. Когда высокое напряжение (3,000-15,000 вольт) проходит через неон при низком давлении (0.3% атмосферного давления), возникает характерное оранжево-красное свечение на длине волны 540.1 нанометра. Это явление происходит потому, что электрическая энергия переводит атомы неона в состояния с более высокой энергией, а при возвращении в основное состояние они испускают фотоны определённых длин волн.
Современные неоновые вывески используют стеклянные трубки, изгибаемые в горячем состоянии (примерно при 1,000°C), заполненные чистым неоном или смесью неона и аргона. Разные цвета получают, покрывая внутреннюю поверхность трубок люминофорными порошками, которые флуоресцируют под воздействием ультрафиолетового излучения неона. Пары ртути, смешанные с неоном, дают синий свет, а различные люминофоры создают полный спектр цветов, которые можно увидеть на Таймс-сквер и в Лас-Вегасе.
Гелий-неоновые (HeNe) лазеры, изобретённые в 1960 году Али Джаваном в Bell Labs, были первыми газовыми лазерами непрерывного действия и по-прежнему имеют большое значение. Эти лазеры содержат смесь гелия и неона в соотношении 10:1 при низком давлении. Атомы гелия возбуждаются электрическим разрядом и передают энергию атомам неона при столкновениях, создавая инверсию населённостей, необходимую для работы лазера.
HeNe-лазеры работают главным образом на длине волны 632.8 нанометра (красный свет) и используются в сканерах штрихкодов, геодезическом оборудовании, голографии и научных исследованиях. Исключительное качество и стабильность луча делают их идеальными для прецизионных применений, несмотря на то что в потребительской электронике их в значительной степени заменили полупроводниковые лазеры.
Жидкий неон служит экзотическим криогенным хладагентом для специализированных применений, требующих температур между температурами жидкого водорода (20K) и жидкого азота (77K). При температуре кипения 27.1K (-246°C) жидкий неон обеспечивает эффективное охлаждение сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц и аппаратах МРТ, где гелий слишком дорог, а азот недостаточно эффективен.
Европейское космическое агентство использует жидкий неон в космических инфракрасных телескопах, где его промежуточная температура и химическая инертность идеально подходят для охлаждения матриц детекторов без сложных систем регенерации гелия.
Высокий потенциал ионизации неона (21.6 eV) и стабильные характеристики плазмы делают его ценным в процессах плазменного травления при производстве полупроводников. Плазма неона может избирательно удалять определённые материалы, не повреждая нижележащие слои, что крайне важно для создания наноразмерных схем на компьютерных микросхемах.
В вакуумных трубках и газонаполненных переключателях неон обеспечивает надёжные характеристики электрического пробоя. Наполненные неоном стабилизирующие трубки поддерживают постоянное напряжение при различных токовых нагрузках, хотя в современной электронике их в значительной степени заменили твердотельные устройства.
Откуда он происходит
0,18 мг/кг земной коры · более распространён, чем 44% элементов
Неон является пятым по распространённости элементом во Вселенной, но на Земле встречается редко из-за малой атомной массы и химической инертности. В атмосфере Земли содержится лишь 18.2 части на миллион (0.00182%) неона, поэтому он распространён сильнее гелия, но всё же считается примесным газом.
Атмосферный неон происходит из первичного газа, захваченного при формировании Земли, а также из непрерывного выделения газа из недр планеты. В отличие от более тяжёлых благородных газов, которые легче удерживаются, малая атомная масса неона (20.18 а.е.м.) способствует значительной утечке из атмосферы, особенно в ранний жаркий период существования Земли.
Неон образуется в результате альфа-процесса в массивных звёздах (массой более 8 солнечных масс) на заключительных стадиях их эволюции. Ядра углерода-12 захватывают альфа-частицы (ядра гелия-4), образуя кислород-16, который затем захватывает ещё одну альфа-частицу и превращается в неон-20 — самый распространённый изотоп неона (90.48% природного неона).
Этот процесс происходит в ядре звезды при температурах свыше 600 миллионов кельвинов, непосредственно перед взрывом сверхновой. Образовавшийся неон рассеивается в космосе во время взрыва сверхновой и в конечном итоге входит в состав новых звёздных систем и планет, таких как Земля.
Природный неон состоит из трёх стабильных изотопов: Ne-20 (90.48%), Ne-21 (0.27%) и Ne-22 (9.25%). Такое распределение изотопов даёт сведения о формировании Солнечной системы и ранней эволюции атмосферы. В метеоритах обнаружены иные соотношения изотопов неона, что указывает на несколько источников неона в ранней солнечной туманности.
Глубоководные осадки и древние горные породы сохраняют изотопные признаки неона, которые помогают учёным понять, какой была ранняя атмосфера Земли, и установить время крупных геологических событий. Соотношение Ne-20 и Ne-22 различается в разных геологических образованиях и служит геохимическим отпечатком.
Промышленное производство неона полностью основано на фракционной перегонке жидкого воздуха, поскольку минералов, содержащих неон, не существует. Процесс начинается на воздухоразделительных установках, производящих жидкие кислород и азот. Оставшиеся редкие газы, включая неон, концентрируются во фракции «сырого неона».
Дальнейшая очистка включает несколько стадий перегонки для отделения неона от гелия и аргона — ближайших соседей по температуре кипения. Основное производство сосредоточено на Украине, в России и Китае, где крупные воздухоразделительные установки могут экономично перерабатывать огромные объёмы воздуха, необходимые для извлечения значительных количеств неона.
Обращение
Неон представляет минимальный токсикологический риск благодаря своей химической инертности: он не взаимодействует с биологическими тканями и не образует токсичных соединений. Однако, как и все инертные газы, неон может вызвать удушье, вытесняя кислород в замкнутых пространствах. Основные опасности связаны с высоковольтным электрическим оборудованием, используемым в неоновых вывесках, и возможными физическими травмами от стеклянных трубок.
Острое воздействие: кратковременное воздействие неона не вызывает вредных эффектов. В отличие от некоторых благородных газов, неон не вызывает наркоза (эффектов, подобных азотному наркозу) даже при повышенных концентрациях.
Риск удушья: в замкнутых пространствах концентрация неона выше 70% может вызвать недостаток кислорода, приводящий к потере сознания в течение нескольких минут. Симптомы включают головокружение, спутанность сознания, учащённое дыхание и потерю координации.
Рекомендации OSHA: хотя конкретных предельных значений воздействия неона не существует, OSHA требует поддерживать содержание кислорода в замкнутых пространствах выше 19.5%.
Опасность высокого напряжения: трансформаторы неоновых вывесок работают при напряжении 3,000-15,000 вольт, что создаёт серьёзный риск поражения электрическим током. Перед техническим обслуживанием всегда отключайте питание.
Необходимые СИЗ: изолирующие перчатки, защитные очки и детекторы напряжения при работе с системами неонового освещения.
Требования к установке: неоновые системы должны устанавливать лицензированные электрики в соответствии с местными электротехническими нормами.
Опасность экстремального холода: жидкий неон при температуре -246°C при контакте может вызвать тяжёлое обморожение. Защитное оборудование включает утеплённые перчатки, защитные щитки для лица и закрытую обувь.
Опасность давления: быстрое нагревание жидкого неона создаёт опасное повышение давления в герметичных ёмкостях. Используйте надлежащие системы вентиляции и предохранительные клапаны.
Требования к хранению: храните неон в специальных криогенных сосудах Дьюара с достаточной вентиляцией, чтобы предотвратить вытеснение кислорода.
Недостаток кислорода: немедленно вынесите пострадавшего на свежий воздух, при наличии возможности обеспечьте дополнительную подачу кислорода и обратитесь за медицинской помощью при длительном воздействии.
Поражение электрическим током: не прикасайтесь к пострадавшему, пока источник питания не отключён. При необходимости начните сердечно-лёгочную реанимацию и немедленно вызовите экстренные службы.
Контакт с криогенной жидкостью: промывайте поражённый участок чуть тёплой водой (не горячей), не растирайте обмороженные участки и при тяжёлом воздействии немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Краткие ответы
Неон (символ Ne) — элемент 10 в периодической таблице, представитель семейства Благородный газ в 2 периоде, 18 группе. Химически инертный, оптически незабываемый: неон — оранжево-красное свечение, определявшее ночной облик городов XX века. При комнатной температуре это газ.
[He] 2s² 2p⁶; она включает 2 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8. На внешней оболочке находится 8 электронов, что определяет характер химических связей.Неон плавится при 24.6 K (-248.6 °C) и кипит при 27.1 K (-246.1 °C).
Стандартная атомная масса Неон составляет 20.18 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Неон при комнатной температуре — газ; его плотность при 0 °C и давлении 1 атм составляет около 0.9 г/л — он примерно легче воздуха.
Неон был открыт в 1898 году Ramsay & Travers. Назван в честь греческое neos, «новый».
На долю Неон приходится около 0.18 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.