Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место неон занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 38 pm — that is 0.038 nm, so about 13158 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Неон is liquid over a 3 K window, from 25 K to 27 K.
История
Инертный благородный газ, который светится красно-оранжевым светом в газоразрядных трубках.
Открытие неона в 1898 году стало одним из самых систематических и методичных достижений в истории химии. Sir William Ramsay, уже прославившийся открытием аргона (1894) и выделением гелия (1895), объединился со своим молодым ассистентом Morris William Travers в University College London, чтобы найти дополнительные благородные газы.
Ramsay, родившийся в Глазго в 1852 году, был одержим пробелами в периодической таблице. Периодический закон Dmitri Mendeleev предсказывал существование элементов между гелием и аргоном, но ни один из них не был обнаружен. Используя предсказания Mendeleev относительно атомной массы, Ramsay рассчитал, что неизвестный элемент должен иметь атомную массу около 20.
12 июня 1898 года Ramsay и Travers начали свой самый амбициозный эксперимент. Они собрали 15 литров жидкого аргона — огромное количество, для получения которого требовались недели фракционной перегонки жидкого воздуха. Учёные медленно испаряли жидкий аргон, собирая первую и последнюю фракции, рассуждая, что любые более лёгкие или тяжёлые газы отделятся при испарении.
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 из виденного ими ранее. Позже Travers написал: «Это зрелище было восхитительным».
Ramsay сразу предложил название «neon», образованное от греческого слова «neos», означающего «новый», что отражало их восторг от открытия этого яркого нового элемента. Следующие месяцы они подтверждали свойства неона: атомную массу (20.2), спектральные линии и химическую инертность.
Для подтверждения потребовался кропотливый спектроскопический анализ. Каждый элемент при возбуждении испускает уникальные спектральные линии, служащие атомным отпечатком. Спектр неона показал линии на определённых длинах волн, которые прежде никогда не наблюдались, что окончательно доказало выделение нового элемента.
Открытие Ramsay 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 Mendeleev была неполной, и привела к добавлению целой новой группы — группы 18, благородных газов.
Открытие имело непосредственные практические последствия. В течение двух лет Georges Claude во Франции разработал первое неоновое освещение, превратив в коммерческий продукт газ, который Ramsay и Travers с большим трудом выделили. К 1910 году неоновые вывески освещали улицы Парижа, положив начало преобразованию ночного облика городов по всему миру.
Помимо коммерческого применения, открытие неона фундаментально изменило наше понимание строения атома. Химическая инертность благородных газов дала важные свидетельства в пользу 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 устойчивости.
Применение
Самое известное применение неона произвело революцию в облике городов 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 более высокие энергетические состояния, а при возвращении в основное состояние они испускают фотоны определённых длин волн.
Современные неоновые вывески используют стеклянные трубки, согнутые в нужную форму 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 в смеси с неоном дают синий свет, а различные люминофоры создают полный спектр цветов, видимых 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 применяются в сканерах штрихкодов, геодезическом оборудовании, голографии и научных исследованиях. Исключительное качество и стабильность луча делают их идеальными для прецизионных задач, несмотря на то что в бытовой технике их в значительной степени заменили полупроводниковые лазеры.
Жидкий неон служит экзотическим криогенным охладителем для специализированных задач, 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 делают его идеальным 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 расположенные под ними слои, что крайне важно для создания наноразмерных схем на компьютерных чипах.
В вакуумных лампах и газонаполненных переключателях неон обеспечивает надёжные характеристики электрического пробоя. Газонаполненные неоном стабилизаторы напряжения поддерживают постоянное напряжение при изменяющихся токовых нагрузках, хотя в современной электронике их в значительной степени заменили твердотельные устройства.
Откуда он берётся
0.18 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 44% of elements
Неон является пятым по распространённости элементом во Вселенной, но на Земле встречается редко из-за малой атомной массы и химической инертности. В атмосфере Земли на долю неона приходится лишь 18.2 части на миллион (0.00182%), поэтому его больше, чем гелия, но он всё равно считается примесным газом.
Атмосферный неон происходит из первичного газа, захваченного во время формирования 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 посредством альфа-процесса в массивных звёздах (массой более 8 масс Солнца) на последних 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 изотопное распределение даёт сведения о формировании Солнечной системы и ранней эволюции атмосферы. Метеориты демонстрируют другие соотношения изотопов неона, что указывает на наличие нескольких источников неона в ранней солнечной туманности.
Глубоководные отложения и древние горные породы сохраняют изотопные признаки неона, которые помогают учёным понять состав ранней атмосферы Земли и 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 в Украине, России и Китае, где крупные воздухоразделительные установки могут экономично перерабатывать огромные объёмы воздуха, необходимые для получения значительных количеств неона.
Обращение
Неон представляет минимальный риск токсичности 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 газа неона не вызывает вредных эффектов. В отличие от некоторых благородных газов, неон не вызывает наркоз даже при повышенных концентрациях.
Риск удушья: в замкнутых пространствах концентрация неона выше 70% может вызвать кислородную недостаточность и привести к потере сознания в течение нескольких минут. Симптомы включают головокружение, спутанность сознания, учащённое дыхание и потерю координации.
Рекомендации OSHA: хотя конкретные пределы воздействия для неона не установлены, OSHA требует, чтобы содержание кислорода в замкнутых пространствах оставалось 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 указатели напряжения при работе с системами неонового освещения.
Требования к установке: неоновые системы должны устанавливать лицензированные электрики в соответствии с местными электротехническими нормами.
Опасность сильного холода: жидкий неон при температуре -246°C может вызвать тяжёлое обморожение при контакте. 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 для предотвращения вытеснения кислорода.
Кислородная недостаточность: 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.
Криогенный контакт: промойте поражённый участок чуть тёплой водой (не горячей), не растирайте обмороженные участки и при сильном воздействии немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Краткие ответы
Неон (symbol Ne) is element 10 on the periodic table, a благородный газ 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.Неон melts at 24.6 K (-248.6 °C) and boils at 27.1 K (-246.1 °C).
The standard atomic weight of Неон is 20.18 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Неон is a gas at room temperature; its density is about 0.9 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.
Неон was discovered in 1898 by Ramsay & Travers. It is named after greek neos, "new".
Неон makes up about 0.18 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.