Применение неона. Что такое неон? Особенности химического элемента и его свойства как простого вещества
Химический элемент неон широко распространен во Вселенной, а вот на Земле он считается довольно редким. Тем не менее, его научились получать и без визитов в открытый космос, и теперь его применяют в промышленности, для изготовления радио- и фототехники, а также для глубоководного дайвинга. Что такое неон? Какими свойствами и особенностями он обладает? Об этом мы и поговорим.
Что такое неон?
В Периодической таблице Менделеева этот элемент располагается в восьмой группе под номером десять. Он обозначается символом Ne. В качестве простого вещества он представляет собой одноатомный газ, который не имеет запаха, цвета и вкуса.
Он существует в виде трех изотопов 20 Ne, 21 Ne и 22 Ne, стабильных по своей природе. Чаще всего встречается именно нуклид 20 Ne. В атмосфере нашей планеты его распространенность составляет почти 90%, а то время как у изотопа 22 Ne - 9,25 %, а у изотопа 21 Ne - только 0,27 %. Последние два изотопа образуются в основном благодаря космическому излучению, которое воздействует на ядра натрия, кремния, алюминия и других элементов. Именно поэтому на Земле они чаще всего присутствуют в воздухе, а не в воде или земной коре. Источник образования на нашей планете Неона-20 до сих пор не известен. Кроме этих изотопов, известно выделяют около 16 нестабильных нуклидов с периодом распада от 9 зептосекунд до 3,38 минуты.
История открытия
О том, что такое неон, стало известно только в конце XIX века. До этого наука открыла лишь два инертных газа - аргон и гелий, занимающих первый и третий периоды таблицы Менделеева. При этом место второго периода оставалось пустым, поэтому исследователи предполагали о существовании в природе, как минимум еще одного подобного вещества. В 1997 году шотландский химик Рамзай даже посвятил ему доклад, который так и назывался «Неоткрытый газ». А уже в следующем году ему посчастливилось обнаружить недостающий элемент.
Чтобы найти его, ученый анализировал гелий и арагон, изучал состав минералов, но успех пришел, когда тот обратился к воздуху. Он сжижал и медленно испарял газовую смесь, а затем по фракциям пропускал ее через специальную разрядную трубку с электрическим током. Неоткрытое вещество должно было иметь свойства близкие к гелию, поэтому Рамзай надеялся обнаружить его в самой легкой фракции, которая испарится раньше всего.
Так и произошло. Взаимодействуя с электронами в трубке, первая фракция воздуха начала светиться, и рядом со спектром гелия и аргона ученый увидел и другие линии. Они стали подтверждением того, что существования ранее неизвестного газа. Открытому элементу Рамзай дал греческое название «неон», что в переводе означает «новый».
Свойства
О том, что такое неон, лучше всего судить исходя из его физических и химических свойств. Этот газ является одним из самых легких. Его плотность составляет 0,0089999 г/см³. Закипает он при температуре −246,05 °C, а плавится при −248,6 °C.
Неон практически не реагирует с другими веществами. Он с трудом отдает или присоединяет к себе электроны, поэтому его относят к благородным газам. По инертности с ним может сравниться только гелий. До сих пор не удалось получить ни одного его валентного соединения. Он слабо растворяется в воде, но неплохо адсорбируется активированным углем.
Как и другие благородные газы, он обладает хорошей электропроводностью. Если провести через него ток высокого напряжения - он начнет светиться. В спектре газа насчитывается около 900 линий разных цветов, но самые яркие из них - красные и оранжевые. Такое свойство неона нашло широкое применение в сфере наружной рекламы. Уже через двенадцать лет после его открытия на улицах стали появляться красные светящиеся вывески с названиями магазинов и кафе. Первый патент на них оформила компания Claude Neon Lights Inc.
Распространение в природе
Неон, или Ne, можно назвать внеземным газом, ведь в открытом космосе и на других астрономических объектах его гораздо больше, чем на нашей планете. Особенно много его в атмосфере Урана, Нептуна, Сатурна, Юпитера, в туманностях и очень горячих звездах. Кроме того, он содержится в метеоритах и других космических телах.
Во всей Вселенной газ занимает пятое место по распространенности, уступая пальму первенства водороду, гелию, кислороду и углероду. Его содержание по массе составляет примерно 0,13 % по массе.
На Земле он считается редким элементом. В земной коре его содержится около 7·10 −9 %, примерно 2·10 −8 % - в водах океана и соленых водоемах. Наибольшая концентрация этого химического элемента наблюдается в атмосфере планеты, там его содержание составляет 1,82·10 −3 % по объему.
Как его получают?
Из-за небольшой распространенности неона в горных породах и воде, его основным источником является атмосферный воздух. Из него газ получают при помощи сильного охлаждения. При температуре жидкого азота неон кристаллизуется и легко отделяется от гелия, который при этом остается в газообразном состоянии.
Его также получают в качестве побочного продукта, во время добычи из воздуха азота и кислорода. В таком случае, для отделения газа используют адсорбции активированным углем. Для определения неона обычно применяется спектральное излучение или хроматографический анализ.
Сферы использования
Химический элемент неон до сих пор применяется в вывесках и рекламных баннерах, при этом для получения разных цветов его смешивают и с другими веществами. Вместе с гелием он используется при изготовлении лазеров, самостоятельно - для производства фотоаппаратуры.
Жидкий неон обладает лучшей теплоемкостью, чем гелий, и стоит гораздо дешевле. Вместе с водородом его применяют в качестве хладагента для различных холодильных установок. Криогенные камеры на основе этих газов необходимы в медицине для замораживания живых тканей. Смесь неона и гелия используется для облегчения состояния пациентов с затруднением дыхания, для этого ее распространяют в комнатах которые наполняют безазотным воздухом.
/моль)
(первый электрон)
(по Полингу)
| Ne | 10 |
| 20,1797 | |
| 2s 2 2p 6 | |
| Неон | |
Неон — элемент главной подгруппы восьмой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 10. Обозначается символом Ne (Neon). Пятый по распространённости элемент во Вселенной (после водорода, гелия, кислорода и углерода). Простое вещество неон (CAS-номер: 7440-01-9) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Неон открыли в июне 1898 года шотландский химик Уильям Рамзай и английский химик Морис Траверс. Они выделили этот инертный газ «методом исключения», после того, как кислород, азот, и все более тяжёлые компоненты воздуха были превращены в жидкость. Элементу дали незамысловатое название «неон», что в переводе с греческого означает «новый». В декабре 1910 года французский изобретатель Жорж Клод сделал газоразрядную лампу, заполненную неоном.
Происхождение названия
Название происходит от греч. νέος — новый.
Существует легенда, согласно которой название элементу дал тринадцатилетний сын Рамзая — Вилли, который спросил у отца, как тот собирается назвать новый газ, заметив при этом, что хотел бы дать ему имя novum (лат. — новый). Его отцу понравилась эта идея, однако он посчитал, что название neon , образованное от греческого синонима, будет звучать лучше.
Распространение
В мировой материи неон распределен неравномерно, однако в целом по распространенности во Вселенной он занимает пятое место среди всех элементов — около 0,13 % по массе. Наибольшая концентрация неона наблюдается на Солнце и других горячих звездах, в газовых туманностях, в атмосфере внешних планет Солнечной системы — Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. В атмосфере многих звезд неон занимает третье место после водорода и гелия.
Земная кора
Из всех элементов второго периода неон — самый малочисленный на Земле. В рамках восьмой группы неон по содержанию в земной коре занимает третье место — после аргона и гелия. Газовые туманности и некоторые звезды содержат неона во много раз больше, чем его находится на Земле.
На Земле наибольшая концентрация неона наблюдается в атмосфере — 1,82·10 −3 % по объему, а его общие запасы оцениваются в 7,8·10 14 м³. В 1 м³ воздуха содержится около 18,2 см³ неона (для сравнения: в том же объеме воздуха содержится только 5,2 см³ гелия). Среднее содержание неона в земной коре мало − 7·10 −9 % по массе. Всего на нашей планете около 6,6·10 10 т неона. В изверженных породах находится около 10 9 т этого элемента. По мере разрушения пород газ улетучивается в атмосферу. В меньшей мере атмосферу снабжают неоном и природные воды.
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, которые не могли, как кислород и другие газы, химически связаться с другими элементами в минералы и тем самым закрепиться на планете.
Определение
Качественно неон определяют по спектрам испускания (характеристические линии 585,25 нм и 540,05 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа.
Физические свойства
- Благородные газы — бесцветные одноатомные газы без цвета и запаха.
- Инертные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся, в частности неон огненно-красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.
Эмиссионный спектр неона (слева направо: от ультрафиолетовых до инфракрасных линий, показанных белым цветом)
- Насыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.
Химические свойства
Все благородные газы имеют завершенную электронную оболочку , поэтому они химически инертны. 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 (Ne·6Н 2 О), гидрохиноном и другими веществами (подобные соединения тяжелых благородных газов — радона, ксенона, криптона и даже аргона — широко известны) получить и сохранить очень трудно.
Источник преобладающего на Земле лёгкого нуклида 20 Ne до сих пор не установлен.
Считается, что в космическом пространстве неон также преимущественно представлен лёгким нуклидом 20 Ne. В метеоритах обнаруживают немало 21 Ne и 22 Ne, но эти нуклиды предположительно образуются в самих метеоритах под воздействием космических лучей за время странствий во Вселенной.
Кроме трех стабильных нуклидов неона, существует еще шестнадцать нестабильных.
Получение
Неон получают совместно с гелием в качестве побочного продукта в процессе сжижения и разделения воздуха. Разделение гелия и неона осуществляется за счет адсорбции и конденсации. Адсорбционный метод основан на способности неона в отличие от гелия адсорбироваться (содержание Ne + He до 70 %); степень извлечения смеси газов 0.5-0.6. Последнюю очистку от N 2 и разделение Ne и Не можно осуществлять либо селективной адсорбцией при температуре жидкого N 2 , либо конденсационными методами — с помощью жидких Н 2 или. Ранее неон применялся в промышленности в качестве инертной среды, но был вытеснен более дешёвым аргоном.
Символ элемента, выполненный из неоновых трубок
Неоном наполняют газоразрядные лампы, сигнальные лампы в радиотехнической аппаратуре, фотоэлементы, выпрямители.
Смесь неона и гелия используют как рабочую среду в газовых лазерах (гелий-неоновый лазер).
Трубки, заполненные смесью неона и азота, при пропускании через них электрического разряда дают красно-оранжевое свечение, в связи с чем они широко используются в рекламе.
Неоновые лампы используют для сигнальных целей на маяках и аэродромах, так как их красный цвет очень мало рассеивается туманом и мглой.
Биологическая роль
Неон не играет никакой биологической роли.
Физиологическое действие
Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотическое воздействие неона (как и гелия) при нормальном давлении в опытах не регистрируется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД).
В связи с этим, наряду с гелием, неон в составе неоно-гелиевой смеси используется для дыхания океанавтов, водолазов, людей, работающих при повышенных давлениях, чтобы избежать газовой эмболии и азотного наркоза. Преимущество смеси в том, что она меньше охлаждает организм, так как теплопроводность неона меньше, чем гелия.
Лёгкий неоно-гелиевый воздух облегчает также состояние больных, страдающих расстройствами дыхания.
«Неоновые огни» оправдывают своё название только в случае свечения красного цвета. Для получения других цветов используют ртуть и фосфор в определённых пропорциях или другие благородные газы.
Неон, Neon, Nе (10)
Химический элемент неон
был открыт Рамзаем и Траверсом в 1898 г., через несколько дней после открытия криптона. Ученые отобрали первые пузырьки газа, образующегося при испарении жидкого аргона, и установили, что спектр этого газа указывает на присутствие нового элемента. Рамзай так рассказывает о выборе названия для этого элемента: «Когда мы впервый раз рассматривали его спектр, при этом находился мой 12-летний сын.»
Отец, — сказал он — как называется этот красивый газ
?
Это еще не решено — ответил я.
Он новый? — полюбопытствовал сын.
Новооткрытый
— возразил я.
Почему бы в таком случае не назвать его Novum
, отец?
Это не подходит, потому что novum
не греческое слово — ответил я.
Мы назовем его неоном, что по гречески значит новый, таким то образом газ получил свое название.
Среди всех элементов химической таблицы Менделеева интересными свойствами обладает такая группа, как инертные газы. К ним относится аргон, неон, гелий и некоторые другие вещества. Что такое неон, и где в современном мире этот газ нашел широкое применение?
История открытия неона
Таблица Менделеева не была сразу заполнена всеми химическими элементами, поэтому в некоторых группах и периодах оставались пробелы. Так, ученые-химики предсказывали открытие новых веществ, что и произошло с неоном. Первым ученым, который задумался о существовании неона, стал химик Рамзай Рэлей. На то время были открыты два ближайших инертных газа: аргон и гелий, однако промежуточная ячейка в таблице была пуста. Ученый предположил, что новый элемент будет обладать атомной массой 20 и плотностью по водороду 10, однако, что такое неон в природе, не было известно.
Каким образом Рамзай смог выделить неон и доказать его существование? В его эксперименте использовался обычный который сначала сжижали, а потом медленно испаряли. Полученные, таким образом, газообразные фракции изучали в разрядной трубке, что давало возможность увидеть линии спектра веществ. По этим линиям и нашли новый элемент.
Во вселенной шестым по счету наиболее распространенным элементом является неон. Значение слова с греческого переводится как «новый». Изначально сын Рамзая Вилли предложил назвать новый элемент новум, что также означало «новый», однако отец решил немного поменять это слово на неон, что, по его мнению, звучало лучше.
Свойства неона
Этот инертный газ находится в таблице Менделеева между аргоном и гелием, что придает ему промежуточные свойства этих веществ. Неон имеет два энергетических уровня, на которых располагаются 2 и 8 электронов. Эта особенность напрямую влияет на реакционную способность газа, т.к. он не образует соединений с другими элементами.
Что такое неон с точки зрения химии? Это легкий газ, который сжижается при температуре -245,98 °С, а планка кипения находится на отметке 2,6 °С. Растворимость газа в воде очень мала, однако адсорбция неона на активированном угле позволяет отделять чистый газ от его примесей.
Что такое неон с точки зрения физики? Это газ, который под воздействием тока разделяется на яркие красные и оранжевые спектры. Свет неона, который он излучает при этом, очень устойчивый и яркий. Физика этого явления заключается в ударении электронов об атомы неона, что заставляет последних выделять фотоны света.
Где находится неон
Во вселенной неон стоит на 6 месте по распространенности после гелия, водорода и ряда других элементов. Этот инертный газ занимает относительно большие объемы звезд и красных планет. При исследовании Плутона было выдвинуто предположение, что его атмосфера полностью состоит из неона, и в нижних слоях этот газ сжижается из-за критически низких температур на этой планете.
Что касается Земли, то неона больше всего содержится в атмосфере (0,00182%) и совсем немного в земной коре. Предполагают, что неспособность инертных газов связываться с другими элементами и образовывать минералы была основной причиной, по которой эти вещества на Земле остались в малом количестве.
Использование неона
Сейчас в производстве очень вырос спрос на неон, что означает его постоянную нехватку. Это связано с тем, что выделение чистого инертного газа занимает достаточно много времени, а его содержание в воздухе очень низкое.
Неон используется в промышленности как хладагент в криогенной технике. При температурах жидкого неона хранят ракетное топливо, замораживают животные и растительные ткани, химические вещества. В неоновых кристаллах создаются оптимальные условия для протекания очень сложных реакций, которые не терпят действие тепла (синтез Н2О2, фторидов кислорода и т.д.).
В некоторых лампах и светильниках также используется неон. Значение этого газа как источника света очень велико, т.к. его свечение видно на большие расстояния. используются для установки на маяк, аэродромные полосы, высотные башни. Некоторые текстовые рекламы подсвечиваются лампами на основе неона.
В таких светильниках неон не находится в чистом виде. Он всегда смешивается в нужных пропорциях с аргоном, что придает свету оранжевый цвет. Однако это никак не ухудшает свойства хорошей видимости, т.к. такие лампы заметны при любых неблагоприятных погодных условиях и на больших расстояниях.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Неон - десятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ne от латинского «neon». Расположен во втором периоде, VIIIА группе. Относится к группе инертных (благородных) газов. Заряд ядра равен 10.
Неон представляет собой бесцветный, трудносжижаемый газ. Содержание неона в воздухе составляет 0,0015% (об.). Он практически не растворяется в воде,плохо растворяется в этаноле. Образует клатрат состава 8Ne×46Н 2 О. Химически инертный, не реагирует со всеми другими веществами (простыми и сложными).
Атомная и молекулярная масса неона
Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.
Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).
Поскольку в свободном состоянии неон существует в виде одноатомных молекул Ne, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 20,1797.
Изотопы неона
Неон может находиться в виде трех изотопов 20 Ne (90,48%), 21 Ne (0,27%) и 22 Ne (9,25%). Их массовые числа равны 20, 21 и 22 соответственно. Ядро атома изотопа неона 20 Ne содержит десять протонов и десять нейтронов, а изотопов 21 Ne и 22 Ne- такое же количество протонов, одиннадцать и двенадцать нейтронов соответственно.
Существует также шестнадцать не стабильных изотопов неона.
Ионы неона
Как и гелий при сильном возбуждении атомов неон образует молекулярные ионы типа Ne 2 + :
σ s 2 σ s * σ z 2 π 4 x,y π *4 x,y σ z *1 .
Молекула и атом неона
В свободном состоянии неон существует в виде одноатомных молекул Ne.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
История открытия:
В 1897 г. У. Рамзай, пользуясь "методом нашего учителя Менделеева", предсказал существование простого газа с промежуточными между Не и Ar константами. Год спустя, У. Рамзай и М. Траверс, исследуя спектры фракций медленно испаряющегося жидкого воздуха, в спектре самой легкой и низкокипящей фракции, наряду с известными линиями азота, гелия и аргона, обнаружили красные и оранжевые линии, принадлежавшие новому элементу.
Название происходит от греческого "neos" - новый. Существует легенда, согласно которой название новому элементу дал двенадцатилетний сын Рамзая: увидев необычное ярко-красное излучение, испускаемое веществом в трубке для проведения спектрального анализа, он воскликнул: «Новый!».
Нахождение в природе и получение:
Неон - пятый по распространённости элемент во Вселенной, в атмосфере Солнца и многих других звезд неон занимает третье место после водорода и гелия. Природный неон состоит из трех стабильных нуклидов: 20 Ne (90,92% по объему), 21 Ne (0,257%) и 22 Ne (8,82%).
Содержание неона в атмосферном воздухе составляет 1,82*10 -3 % по объему (общие запасы 7,8·10 14 м 3). В 1 м 3 воздуха содержится около 18,2 см 3 неона. В земной коре содержится 7·10 -9 % неона, в морской воде - 2·10 -8 %.
Неон получают как побочный продукт при крупномаштабном разделении жидкого воздуха на кислород и азот. Образующуюся при этом «неоно-гелиевую» смесь разделяют несколькими способами за счет адсорбции, конденсации и низкотемпературной ректификации. Адсорбционный метод основан на способности неона в отличие от гелия адсорбироваться активированным углем, охлаждаемым жидким азотом.
Физические свойства:
Бесцветный газ. Температура кипения неона (при нормальном давлении) -245,9°C, температура плавления -248,6°C. Плотность при нормальных условиях 1,444 кг/м3. В 100 мл воды при 20°C растворяется около 10 мл неона. Аллотропии не имеет. При пропускании тока в газоразрядной трубке, заполненной неоном, неон ярко светится огненно-красным светом, так как самые яркие линии его спектра лежат в красной части.
Химические свойства:
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 (Ne·6Н 2 О), гидрохиноном и другими веществами получить и сохранить очень трудно.
Однако, с помощью методов оптической спектроскопии и масс-спектрометрии установлено существование ионов Ne + , (NeAr) + , (NeH) + , и (HeNe) + . Известны содержащие неон так называемые эксимерные молекулы Ne 2 и NeF. На переходах этих молекул из метастабильного состояния в несвязанное генерируется лазерное излучение.
Важнейшие соединения:
Клатрат неона, Ne·6Н 2 O - соединение включения
Применение:
Жидкий неон используют в качестве охладителя в криогенных установках. Ранее неон применялся в промышленности в качестве инертной среды, но был вытеснен более дешёвым аргоном. Смесь неона и гелия используют в качестве рабочей среды в газовых лазерах.
Неон применяют для наполнения газоразрядных трубок, индикаторных ламп. Трубки, заполненные смесью неона и азота (так называемые неоновые трубки, содержащие около 10 объемных % неона), при пропускании через них электрического разряда испускают красное свечение и широко используются в рекламе. Неоновые лампы используют для сигнальных целей на маяках и аэродромах, так как их красный цвет очень слабо рассеивается туманом и мглой. "Неоновыми" часто называют трубки испускающие другой цвет, где а реальности используется свечение люминофоров или других инертных газов.
Неон в составе неоно-гелиевой-кислородной смеси используется для дыхания океанавтов, водолазов, людей, работающих при повышенных давлениях, чтобы избежать газовой эмболии и азотного наркоза. Преимущество неона перед гелием в том, что смесь меньше охлаждает организм, так как теплопроводность неона меньше, чем гелия. Лёгкий неоно-гелиевый воздух облегчает также состояние больных, страдающих расстройствами дыхания.
Митриковская Л.
ТюмГУ, 501 группа, 2013 г.
Читать также:
Источники: Неон (химический элемент)/Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия URL: http://www.megabook.ru/Article.asp?AID=655520 (дата обращения: 1.07.2013).
Неон (элемент) // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Неон (дата обращения: 1.07.2013).
