What is 氖?
氖 (symbol Ne) is element 10 on the periodic table, a 稀有气体 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.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示氖在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 38 pm — that is 0.038 nm, so about 13158 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
氖 is liquid over a 3 K window, from 25 K to 27 K.
故事
在放电管中发出橙红色光的惰性稀有气体。
1898年发现氖,是化学史上最系统、最有条理的成就之一。Sir William Ramsay因发现氩(1894年)和分离出氦(1895年)而早已闻名,他与年轻助手Morris William Travers在伦敦大学学院合作,寻找其他稀有气体。
Ramsay于1852年出生在格拉斯哥,他一直对元素周期表中的空缺着迷。Dmitri Mendeleev的周期律预测氦和氩之间应存在元素,但一直没有找到。利用Mendeleev对原子量的预测,Ramsay计算出一种尚未发现的元素,其原子量应约为20。
1898年6月12日,Ramsay和Travers开始了他们最具雄心的实验。他们收集了15升液氩——这是一个巨大的数量,需要数周时间从液态空气中进行分馏蒸馏。两人缓慢蒸发液氩,同时收集最先和最后蒸出的馏分,推断任何较轻或较重的气体都会在蒸发过程中分离出来。
突破出现在他们使用新购置的Plücker管(一种早期放电管)检查第一馏分(含有较轻气体)时。当他们对这种未知气体施加高电压,它产生了前所未见的耀眼橙红色光。Travers后来写道:“这景象令人喜悦。”
Ramsay立即提议使用希腊语“neos”(意为“新的”)命名为“neon”,以表达他们发现这种耀眼新元素时的兴奋。在接下来的几个月里,他们确认了氖的性质:原子量(20.2)、光谱线和化学惰性。
确认过程需要细致的光谱分析。每种元素在受到激发时都会产生独特的光谱线,犹如原子指纹。氖的光谱在从未被观察到的特定波长处显示出谱线,确凿证明他们分离出了一种新元素。
Ramsay在1894-1898年间发现稀有气体(氦、氖、氩、氪和氙),并因此获得1904年诺贝尔化学奖。他的工作证明Mendeleev的元素周期表并不完整,并促成了一个全新族的加入——第18族,即稀有气体。
这一发现很快产生了实际影响。两年内,法国的Georges Claude开发出第一种霓虹灯,使Ramsay和Travers费力分离出的气体实现商业化。到1910年,霓虹灯已经照亮巴黎街道,开启了世界城市夜景的转变。
除了商业应用,氖的发现还从根本上改变了我们对原子结构的认识。稀有气体的化学惰性为电子层理论提供了关键证据,并帮助科学家理解原子为何形成化学键。氖完整的外层电子层(2-8构型)成为理解化学稳定性的模型。
应用
氖最著名的应用彻底改变了世界各地的城市景观。当高电压(3,000-15,000伏)通过低压(大气压的0.3%)氖气时,会在540.1纳米处产生特征性的橙红色光。这一现象的原因是电能使氖原子跃迁到更高能级,而当它们返回基态时,会发出特定波长的光子。
现代霓虹灯使用趁热弯曲成各种形状的玻璃管(约1,000°C),内部充入纯氖气或氖氩混合气体。通过在管内涂覆荧光粉,可以获得不同颜色;荧光粉受到氖发出的紫外线照射时会产生荧光。氖中混入汞蒸气会产生蓝光,而各种荧光粉则能形成时代广场和拉斯维加斯所见的完整色谱。
氦氖(HeNe)激光器由Bell Labs的Ali Javan于1960年发明,是首批连续波气体激光器,至今仍十分重要。这些激光器在低压下含有比例为10:1的氦和氖混合气体。氦原子受到放电激发,并通过碰撞将能量传递给氖原子,从而形成激光作用所必需的粒子数反转。
HeNe激光器主要在632.8纳米(红光)处工作,用于条形码扫描器、测量设备、全息摄影和科学研究。其卓越的光束质量和稳定性使其非常适合精密应用,尽管在消费应用中已大多被半导体激光器取代。
液氖可作为特殊应用中的特种低温冷却剂,用于需要介于液氢(20K)和液氮(77K)之间温度的场合。在其沸点27.1K(-246°C)下,液氖可为粒子加速器和MRI设备中的超导磁体提供高效冷却;在这些设备中,氦成本过高,而氮的冷却能力不足。
欧洲空间局在空间红外望远镜中使用液氖,其适中的温度和化学惰性使其非常适合冷却探测器阵列,同时无需采用复杂的氦回收系统。
氖具有较高的电离能(21.6 eV)和稳定的等离子体特性,因此在半导体制造的等离子体刻蚀工艺中很有价值。氖等离子体可以选择性地去除特定材料而不损伤下方的层,这对于在计算机芯片上形成纳米级电路图案至关重要。
在真空管和充气开关中,氖可提供可靠的电击穿特性。充氖稳压管能够在不同电流负载下保持恒定电压,不过在现代电子设备中已大多被固态器件取代。
来源
0.18 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 44% of elements
氖是宇宙中含量第五丰富的元素,但由于原子量小且化学性质惰性,在地球上仍然稀少。在地球大气中,氖仅占18.2百万分之一(0.00182%),含量高于氦,但仍被视为痕量气体。
大气中的氖源自地球形成时捕获的原始气体,以及地球内部持续释放的气体。与更重、较易保留的稀有气体不同,氖较小的原子量(20.18 amu)使其能够大量逃逸出大气,尤其是在地球早期的高温时期。
氖在大质量恒星(大于8个太阳质量)的最后演化阶段,通过α过程形成。碳-12原子核捕获α粒子(氦-4原子核)形成氧-16,随后氧-16再捕获一个α粒子,生成氖-20;氖-20是含量最丰富的氖同位素(占天然氖的90.48%)。
这一过程发生在恒星核心中,温度超过600百万K,就在恒星发生超新星爆炸之前。产生的氖在超新星爆炸期间散布到整个太空,最终融入新的恒星系统和像地球这样的行星。
天然氖由三种稳定同位素组成:Ne-20(90.48%)、Ne-21(0.27%)和Ne-22(9.25%)。这种同位素分布为太阳系形成和早期大气演化提供了线索。陨石显示出不同的氖同位素比值,表明早期太阳星云中的氖有多个来源。
深海沉积物和古老岩石保留着氖同位素特征,帮助科学家了解地球早期大气以及重大地质事件发生的时间。不同地质构造中的Ne-20与Ne-22比值有所不同,可作为地球化学指纹。
商业氖的生产完全依靠液态空气的分馏蒸馏,因为不存在含氖矿物。该过程始于生产液氧和液氮的空气分离厂。包括氖在内的剩余稀有气体会在“粗氖”馏分中富集。
进一步纯化需要经过多个蒸馏阶段,将氖与氦和氩分离;氦和氩的沸点与氖最为接近。主要生产地包括乌克兰、俄罗斯和中国,这些地区的大型空气分离厂能够经济地处理提取大量氖所需的巨量空气。
处理
由于化学性质惰性,氖的毒性风险极低——它不会与生物组织反应,也不会形成有毒化合物。然而,与所有惰性气体一样,氖在密闭空间中置换氧气后可能导致窒息。主要安全问题包括霓虹灯使用的高压电气设备,以及玻璃管可能造成的物理伤害。
急性暴露:短暂接触氖气不会造成有害影响。与某些稀有气体不同,即使在较高浓度下,氖也不会引起麻醉作用(类似氮麻醉的影响)。
窒息风险:在密闭空间中,氖浓度超过70%可能导致缺氧,并在数分钟内造成失去意识。症状包括头晕、意识混乱、呼吸急促和协调能力丧失。
OSHA指南:虽然氖没有具体的暴露限值,但OSHA要求密闭空间中的氧气含量保持在19.5%以上。
高压危险:霓虹灯变压器的工作电压为3,000-15,000伏,存在严重的触电风险。维护前务必断开电源。
必需的PPE:使用霓虹灯系统时,应佩戴绝缘手套、安全眼镜并使用电压检测器。
安装要求:霓虹灯系统应由持证电工按照当地电气规范进行安装。
极寒危险:-246°C的液氖接触皮肤可造成严重冻伤。防护设备包括绝缘手套、面罩和包头鞋。
压力危险:液氖快速升温会在密闭容器中造成危险的压力积聚。应使用适当的通风系统和泄压阀。
储存要求:应储存在通风良好的专用低温杜瓦瓶中,以防止氧气被置换。
缺氧:立即将受害者转移到新鲜空气处;如有条件,提供补充氧气;若暴露时间较长,应就医。
电接触:在断开电源前不要触碰受害者。如有需要,开始进行心肺复苏,并立即呼叫急救服务。
低温接触:用温水(不要用热水)冲洗受影响部位,不要揉搓冻伤部位;严重暴露时应立即就医。
快速回答
氖 (symbol Ne) is element 10 on the periodic table, a 稀有气体 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.氖 melts at 24.6 K (-248.6 °C) and boils at 27.1 K (-246.1 °C).
The standard atomic weight of 氖 is 20.18 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
氖 is a gas at room temperature; its density is about 0.9 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.
氖 was discovered in 1898 by Ramsay & Travers. It is named after greek neos, "new".
氖 makes up about 0.18 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.