Неон, Neon, Ne(6): свойства, применение, производство

Статьи о газах

Неон, Neon, Ne(6)

Рубрика: Статьи о газах Ключевые слова: Неон, Neon, Ne(6), свойства неона, примеение неона, производство неона, спектр неона, неон и наука

Неон

Это шестой по распространённости элемент во Вселенной — после водорода, гелия, кислорода, азота и углерода. Его существование предсказали дважды. Он был назван «в честь» греческого слова neos, что значит «новый». И еще — без этого газа наша жизнь вряд ли была бы такой яркой, как сегодня.

В 1898 году в Старом Свете при исследовании с помощью спектроскопа первых порций газа, испаряющихся из жидкого воздуха, шотландский химик Уильям Рамзай (Рэмзи) совместно с Моррисом Уильямом Трейвером  обнаружили в них новый газ Неон (Ne 6) — инертный газ, содержащийся в воздухе в микроскопических количествах. Это был уже третий инертный газ, открытый учёными, — после аргона и гелия.

Неон: история открытия

«Не кажется ли вам, что есть место для газообразных элементов в конце первой колонны периодической системы, т.е. между галогенами и щелочными металлами?» Это слова из письма Рамзая Рэлею. Письмо было написано, когда из всех инертных газов науке были известны лишь гелий и аргон. Место гелия обозначилось в конце первого периода. Аргон заключил третий. А второй?

В 1897 г. Рамзай выступил в Торонто с докладом под названием «Неоткрытый газ». В докладе он предсказал существование простого газа с плотностью по водороду 10, атомным весом 20 и иными, промежуточными между Не и Ar константами. Двумя годами раньше, правда, не столь детально, существование газообразного элемента с атомным весом 20 предсказал французский химик Лекок де Буабодран. Но где искать этот дважды предсказанный элемент?

Вначале Рамзай и его сотрудники занялись минералами, природными водами, даже метеоритами. Результаты анализов неизменно оказывались отрицательными. Между тем – теперь мы это знаем – новый газ в них был. Но методами, существовавшими в конце прошлого века, эти «микроследы» не улавливались.

Исследователи обратились к воздуху. Воздух сжижали, а затем начинали медленно испарять, собирая и исследуя различные фракции. Одним из методов поиска был спектральный анализ: газ помещали в разрядную трубку, подключали ток и по линиям спектра определяли «кто есть кто».

Когда в разрядную трубку поместили первую, самую легкую и низкокипящую фракцию воздуха, то в спектре наряду с известными линиями азота, гелия и аргона были обнаружены новые линии. Из них особенно яркими были красные и оранжевые. Они придавали свету в трубке огненную окраску.

Между аргоном и гелием — свойства неона

У атома неона замкнутая электронная оболочка: на двух энергетических уровнях находятся соответственно 2 и 8 электронов. Химическая инертность неона исключительна. В этом с ним может конкурировать только гелий. Пока не получено ни одного его валентного соединения. Даже так называемые клатратные соединения неона с водой, гидрохиноном и другими веществами (подобные соединения тяжелых благородных газов – радона, ксенона, криптона и даже аргона – широко известны) получить и сохранить очень трудно.

Неон – легкий газ: он легче воздуха в 1,44 раза, аргона — почти в 2 раза, но тяжелее гелия в 5 раз. По комплексу свойств он ближе к гелию, чем к аргону, и вместе с гелием составляет подгруппу легких инертных газов.

Неон сжижается при температуре –245,98°C. Точка плавления неона отстоит от точки кипения всего на 2,6°C– рекордно малый диапазон, свидетельствующий о слабости сил межмолекулярного взаимодействия в неоне. Благодаря этому твердый неон получается без особого труда: достаточно недолго откачивать пары над жидким неоном, чтобы он отвердел.

Растворимость в воде и способность к адсорбции у неона малы. В 100 г воды при 20°C растворяется всего 1,75 см3, или 1,56 мг неона. Все же адсорбция неона на активированном угле при температуре жидкого воздуха уже достаточна, чтобы с ее помощью, многократно повторяя процесс, разделить смесь гелия и неона. При температуре жидкого водорода из смеси этих веществ выпадают кристаллы чистого неона, а газообразный гелий отгоняется. Технике это дало второй – конденсационный способ разделения гелия и неона.

Радиус атома неона – 1,62 Ǻ – достаточно мал, чтобы этот газ мог в тысячи раз быстрее большинства газов диффундировать сквозь тонкие перегородки из кварцевого или боросиликатного стекла (если последние нагреты до 300...400°C, а по обе стороны имеется существенный перепад давления). Сквозь такие перегородки неон проникает примерно в 50 раз хуже, чем гелий, но в сотни тысяч раз лучше, чем аргон, азот и кислород. Именно поэтому диффузионный способ позволяет очищать неон от более тяжелых газов.

Известно, что тяжелые инертные газы оказывают на организм человека и животного наркотическое действие. Неону это свойство также присуще, но в очень малой степени, так как мала растворимость неона в жирах, крови, лимфе и других жидкостях организма.Чтобы появились первые симптомы наркоза, необходимо вдыхать смесь неона с кислородом под давлением не меньше 25 атм.

Для неона характерны также высокая электрическая проводимость и яркое свечение при пропускании электрических разрядов.

Есть у неона черта, резко выделяющая его среди других благородных газов. Это – ярко-красный цвет излучения, причем интенсивность и оттенки свечения неона сильно зависят от напряжения тока, создающего электрический разряд, и примесей других газов.

Спектр неона

Cпектр неона богат: в нем выделено более 900 линий. Наиболее яркие линии составляют пучок в красной, оранжевой и желтой частях спектра на волнах от 6599 до 5400 Ǻ. Эти лучи значительно меньше поглощаются и рассеиваются воздухом и взвешенными в нем частицами, чем лучи коротких волн – голубые, синие, фиолетовые. Оттого свет неоновых ламп виден лучше и дальше, чем свет иных источников, и словосочетание «неоновый свет реклам» стало избитым газетным штампом.

Как работает газосветная лампа и почему светится трубка с неоном? Под действием электрического поля разреженный неон превращается в смесь атомов, ионов и электронов. Положительные ионы – главным образом Ne+ – движутся к аноду, а электроны – к катоду, что создает электрический ток. Сталкиваясь с атомами, быстро движущиеся электроны возбуждают их; отсюда и свечение газа – результат отдачи возбужденными атомами части своей энергии в виде фотонов света.

Где «находят» неон: в космосе его больше

Неон находят повсюду — «на Земле, в небесах и на море. Наибольшая концентрация его в атмосфере – 0,00182% по объему. А всего на нашей планете около 6,6·1010 т неона. У элемента №10 три стабильных изотопа: 20Ne, 21Ne и 22Ne. Повсеместно преобладает легкий 20Ne. В воздушном неоне его 90,92%, на долю 21Ne приходится 0,257%, а на долю 22Ne – 8,82%.

Среднее содержание неона в земной коре мало – всего 7·10–5 г/т. В изверженных породах, составляющих основную массу литосферы, около 3 млрд. т неона. Отсюда, по мере разрушения пород, неон улетучивается в атмосферу. В меньшей мере атмосферу снабжают неоном природные воды.

Неон — самый малочисленный обитатель Земли из всех элементов своего периода. Это характерно для всех инертных газов, несмотря на то, что элементам с четными номерами обычно присуща большая распространенность. «Земная» диаграмма резко контрастирует с «космической»: в газовых туманностях и некоторых звездах неона в миллионы раз больше, чем на Земле.

Концентрация неона в мировой материи неравномерна, в целом же по распространенности во Вселенной он занимает пятое или шестое место среди всех элементов. Неон обильно представлен в горячих звездах – красных гигантах, в газовых туманностях, в атмосфере внешних планет солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. В 1974 г. американский астроном М. Харт установил, что атмосфера далекого Плутона в нижних слоях примерно так же плотна, как земная. Учитывая низкую температуру атмосферы Плутона (около 40°К). Харт вычислил, что в этой атмосфере преобладает неон.

Причину неоновой бедности нашей планеты ученые усматривают в том, что некогда Земля потеряла свою первичную атмосферу, которая и унесла с собой основную массу инертных газов. Они ведь не могли, как кислород и другие газы, химически связаться с другими элементами в минералы и тем самым закрепиться на планете.

Из чего возник мировой неон? Этот вопрос – часть общей проблемы происхождения химических элементов во Вселенной. Физики подсчитали, что ядро неона-20, как и ядра других легких элементов с массовыми числами, кратными четырем, легче всего получается при слиянии ядер гелия на горячих звездах, где температура достигает 150 миллионов градусов и давления колоссальны...

Как получают неон

Воздух— единственный реальный источник неона. Сам газ получают совместно с гелием в качестве побочного продукта в процессе сжижения и разделения воздуха. В этой первичной смеси неона с гелием – от 3 до 10% (остальное — азот). Разделение гелия и неона осуществляется за счет адсорбции и конденсации. Адсорбционный метод основан на способности неона в отличие от гелия адсорбироваться активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. Конденсационный способ основан на вымораживании неона при охлаждении смеси.

Спрос на неон превышает производство

Еще недавно электровакуумная промышленность и научные лаборатории были единственными потребителями неона. Их нужды могли удовлетворить отделения неоногелиевой смеси установок малой и средней мощности.

В последние годы положение стало меняться. На неон как хладагент предъявляет спрос интенсивно развивающаяся криогенная техника; и ей нужно куда больше неона, чем традиционным потребителям. Впрочем, понятие о количествах тут относительное. Даже на установке, перерабатывающей в час 170 тыс. м3 воздуха, за сутки получают всего восемь сорокалитровых баллонов неона (под давлением 150 атм.). Сегодня спрос на неон превышает его производство.

Жидкий неон взрывобезопасен. Он тяжелее воды, его скрытая теплота испарения в два раза больше, чем у водорода, и раз в двадцать больше, чем у гелия. Оттого малы потери неона; в современных криостатах он хорошо сохраняется в течение многих месяцев.

При температурах жидкого неона хранят ракетное топливо. В жидком неоне замораживают свободные радикалы, консервируют животные ткани и имитируют условия космического пространства в термобарокамерах. В неоновых криостатах безопасно проводить такие деликатные, не терпящие тепла реакции, как прямой синтез Н2О2а из жидкого озона и атомарного водорода или получение фторидов кислорода (О2F2, О3F2 и О4F2).

Подвижность неона, малая его растворимость в жидкостях организма позволяют заменять гелий в искусственном безазотном воздухе неоногелиевой смесью. Таким воздухом дышат океанавты, водолазы, вообще люди, работающие при повышенных давлениях, чтобы избежать азотной эмболии и азотного наркоза. Легкий неоногелиевый воздух облегчает также состояние больных, страдающих расстройствами дыхания. У неоногелиевого воздуха есть одно преимущество перед воздухом, в котором азот заменен чистым гелием, – он меньше охлаждает организм, так как теплопроводность его меньше.

Неон – газ для света

Неоном снаряжают лампы, когда газ в них нельзя заменить более дешевым аргоном. Большинство ламп наполняется не чистым неоном, а неоно-гелиевой смесью с небольшой добавкой аргона, чтобы понизить напряжение зажигания. Поэтому свечение ламп имеет оранжево-красный цвет. Оно видно на далекие расстояния, его невозможно спутать с другими источниками света, туман ему не помеха.

Эти качества делают газосветные неоновые лампы незаменимыми для сигнальных устройств разнообразного назначения. Неон светит на маяках, неоновыми лампами обозначают вершины высотных зданий и телевизионных башен, границы аэродромов, водных и воздушных трасс.

В газоразрядных светильниках неон разрежен, так как интенсивность света, вначале нарастающая с давлением, далее начинает падать. Давление неона в трубках 2...5, а в лампах тлеющего свечения — 5...20 мм ртутного столба.

Очевидно, что со временем производители вывесок полностью прекратят использовать неон в качестве внутренней подсветки для объемных букв, и эта ниша будет полностью занята светодиодами. Тем не менее, газосветным трубкам – классическому источнику света в наружной рекламе – еще долгие годы не будет альтернативы в производстве эксклюзивных изделий высокохудожественного дизайна и в вывесках, в которых используется открытый неон.

Неон и тяжелые инертные газы присутствуют в газонаполненных фотоэлементах, ими заполнены тиратроны – электровакуумные ионные приборы, служащие быстродействующими реле и имеющие ряд других назначений.

С недавнего времени миниатюрные газоразрядные приборы с неоном (величиной в четверть спичечной коробки) находят применение в электронно-вычислительных машинах, заменяя радиолампы и полупроводники. Перед первыми они имеют преимущество долговечности и малого расхода электроэнергии, перед вторыми – нечувствительность к резким колебаниям температуры.

Неон и наука

Элемент №10 оказался сопричастен, как минимум, к двум важным научным открытиям. Именно на примере неона в 1913 г. Дж. Томсон впервые установил существование изотопов в стабильном элементе. А в 1964 г. с помощью неона был впервые получен и открыт элемент №104 – курчатовий. В чреве большого дубненского циклотрона происходила реакция

24294Pu + 2210Nе →260104Кu + 410n.

Продукция:

Ассортимент продукции:

Разделы

Криогенные насосы CRYOSTAR

Статьи

Для наиболее качественной сварки легированной стали разумнее всего использовать газовые смеси....

Для лучшей сохранности продуктов продовольствия всё чаще применяется упаковка с пищевыми газами....

Применение аргона делает возможной сварку алюминиевых, титановых, медных и прочих сплавов. ООО...

Перевозка технических газообразных веществ сопряжена с особенным риском, поэтому при выполнении...

Газовые баллоны предназначаются для транспортировки и хранения сжиженных, сжатых, а также...

У обычного человека гелий ассоциируется с разноцветными шариками, которые используются во время...

Некоторые направления развития отрасли промышленных газов в Восточной Европе придерживаются...

Спасибо! Ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка! Повторите попытку отправки позже.
Спасибо! Ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка! Повторите попытку отправки позже.