Неон

Неон - хімічний елемент, що знаходиться під атомним номером 10 в періодичній системі Менделєєва. Неон був відкритий в Англії у 1898 році. Тоді провели експеримент: з рідкого повітря вивели вуглекислий газ, кисень, аргон та водень. Залишився легкий неон.

За поширеністю неон стоїть на 5 місці, поступаючись водню, гелію, кисню та вуглецю. Як одноатомний газ неон не має ні запаху, ні кольору. Він погано розчиняється у воді і має низьку абсорбцію.

Місце проживання

У невеликих кількостях неон знаходиться на Сонці, деяких зірках і навіть в атмосфері таких планет, як Нептун, Сатурн, Юпітер, Уран.

На Землі неон мало поширений сам собою. Даний елемент міститься в земній корі і атмосфері. Неон отримують з повітря за допомогою таких способів, як адсорбція та конденсація.

Хімічні властивості

Неон – інертний газ. Це означає, що він практично ні з чим не входить у активну хімічну реакцію. Але при цьому елемент має високу електропровідність. Неон стає яскраво-червоним, коли через нього пропускають струм.

Неон має 3 стабільні ізотопи і 16 нестабільних: 20 Ne (ізотопна поширеність 90,48 %), 21 Ne (0,27 %) і 22 Ne (9,25 %).

Де застосовується

Неону знайшли широке застосування у промисловій сфері. Даний елемент виступає як охолоджувач у кріогенних установках. Рідкий неон ідеально підходить для створення температури зберігання ракетного палива або для імітації космічних умов.

Завдяки хорошій електропровідності неон використовується в рекламі. Багато людей помилково сприймають написи будь-якого кольору, що світяться, за неонові. Насправді це не так, тому що неон світиться виключно оранжево-червоним або яскраво-червоним.Цей колір добре видно на великій відстані у темну пору доби та під час туману. З цієї причини в лампочках на маяках та аеродромах використовується неон.

Цей інертний газ змішують із гелієм. В результаті виходить суміш, придатна для дихання людей, які працюють за умов підвищеного тиску. Наприклад, океанавти та водолази. Також легке неоново-гелієве повітря допомагає полегшити стан хворих, які страждають на проблеми з дихальними шляхами.

Чистий неон у надто високій концентрації небезпечний для людини. При передозуванні цим газом може виникнути запаморочення, сильний головний біль, нудота, ядуха або втрата свідомості. У гіршому випадку смерть може наступити через асфіксії.

Неон: факти та фактики

Як відкрили неон? На відміну більшості хімічних елементів, неон шукали суворо з науки. Після відкриття гелію та аргону в 8-й групі таблиці Д.І.Менделєєва виникла порожня клітина між цими елементами. Не дивно, що відразу двоє дослідників, француз Лекок де Буабодран у 1895-му та англієць Вільям Рамзай у 1897 році припустили, що її займає ще один інертний газ з атомною вагою 20. Рамзай не обмежився припущенням і довів справу до кінця, а допомогло йому щось обставина, що вже навчилися отримувати рідке повітря. Ось як Рамзай описує своє відкриття (подробиці можна знайти в липневому номері журналу за 1968):

“. Д-р Гампсон (один із творців технології зрідження газів. — Прим. ред.) надіслав нам ще рідкого повітря; це дало можливість перевести аргон у рідкий стан; тепер він був прозорою, як вода, рухомою рідиною.

При перегонці суміші води та етилового спирту перші порції містять майже чистий спирт; та рідина (зазвичай спирт), що кипить при нижчій температурі, випаровується раніше; потім слідують суміші спирту та води, а в кінці йде чиста вода. Цей всім відомий спосіб підказав нам шлях для відкриття найлегшого газу цієї групи; його мала містити та “порція”, яка раніше випаровується. Перші газові бульбашки ми збирали окремо і не обдурилися в очікуваннях. Спектр вийшов блискучий, безперечно новий; трубка світилася яскраво-червоним світлом, що походить від великої кількості червоних ліній.

Коли ми вперше переглядали діапазон, у нас крутився мій дванадцятирічний син.
— Тату,— спитав він,— як цей гарний газ називається?
— Це ще не вирішено,— відповів я.
- Він що, новий? — питав далі хлопчик.
— Нововідкритий,— заперечив я.
— А чому б його в такому разі не назвати novum?
— Не підходить, це не грецьке слово, — відповів я. - Але ми назвемо його "неон"; це грецькою означає "новий".

Отак газ отримав свою назву».

Чому неон став символом світлової реклами? Цей газ дає в розряді напрочуд сильне червоно-оранжеве світло, те саме, що так вразило сина Рамзая. Вразив цей газ і на багатьох винахідників, але аж до виникнення промисловості зріджених газів використовувати неон було неможливо — адже він виходить при перегонці рідкого повітря. Але ось у 1902 компанія «Ер ліквід», заснована французьким винахідником Жоржем Клодом, розпочала промисловий випуск неону, а 1904 року американський винахідник Деніел Мур вигадав газорозрядну лампу — трубку Мура, — у якій світився азот.Клод скористався ідей Мура - створив свою лампу, заповнену неоном, і продемонстрував її 1910 року на автомобільній виставці в Парижі. У 1912 році перша неонова вивіска з'явилася на перукарні бульвару Монпарнас. Світова війна стала на заваді бізнесу в Європі, але вже в 1919 році Паризька опера засяяла червоними – неоновими – і блакитними – аргоновими – вогнями. Але ще 1915 року Клод отримав американський патент, який забезпечив його компанії монополію на постачання неонових ламп. Монополія дуже знадобилася — яскраві трубки, що світяться, яким можна було надавати найхитріші форми, стали основою рекламних вивісок на всій території США, а після війни завоювали весь світ. Потім на зміну їм прийшли вивіски на світлодіодах.

Які ще технології світла створені за допомогою неону? Неонове світло після зникнення неонових реклам не зникло зовсім. По-перше, деякі дизайнери намагаються відродити ретротрубки у сучасних проектах. А по-друге, неонова лампа має цікаву властивість: поріг її свічення настільки малий, що його може викликати сильне електричне поле. Тому неонові лампи використовують як індикатори електрики - напруженість поля, при якій індикатор спрацьовує, тобто починає світитися, задається формою електродів. Крім того, подібні лампи розміщують на проводах ліній електропередач і вони світяться без підведення додаткової енергії. Це потрібно для того, щоб літаки, що низько летять, не зачіпали за дроти. З тією ж метою неонові лампи розміщують і на висотних будовах. Неон хороший ще й тим, що світить у тому самому діапазоні, який слабо поглинається атмосферою, тобто його червоне свічення добре видно на великих відстанях.

Ще одна подібна сфера застосування неону - гелій-неонові лазери. Вони неон становить п'яту частину робочого тіла, але саме йому гелій передає збудження, і збуджений неон потім випромінює світло. Такі лазери є в наукових приладах, їх використовують у голографії, для зчитування штрих-кодів та в багатьох інших областях аж до опромінення насіння, щоб покращити їх схожість. Такий самий лазер американська компанія «Піонер» встановила у першому програвачі лазерних відео-дисків.

Неон мав шанс завоювати великий сектор ринку, коли з'явилися плазмові екрани, де як піксель використовували мініатюрні газорозрядні лампи, зокрема неонові. Але рідкокристалічні екрани швидко витіснили плазму.

Навіщо неон у космосі? Багато космічних приладів, втім, як і наземні, потребують сильного охолодження — за низької температури зникають теплові шуми, падає рівень фону, і в результаті, наприклад, детектор телескопа може розрізнити світло набагато слабшої зірки. Неон має одночасно низьку температуру кипіння - нижче тільки у водню і гелію - і високою теплоємністю: він поглинає тепло втричі краще, ніж гелій.Тому рідкий або твердий неон або сам служить охолоджувачем, або додається до гелієвого охолоджувача як тепловий буфер - для поглинання раптових викидів тепла ("Physics Procedia" - повний текст). Потрібен такий буфер для стабілізації роботи кріосистем, що забезпечують низькотемпературну надпровідність. Взагалі, у середині XX століття кріогенні програми неону випередили за обсягом використання рекламні лампи.

Що таке неонова матриця? При заморожуванні неону до нього можна запровадити молекули різних речовин і далі зайнятися вивченням різних електронних переходів у таких холодних молекулах чи безпосередньо хімією надхолодного стану. В останньому випадку молекули збуджують за допомогою високоенергетичного опромінення, при цьому розриваються одні зв'язки між атомами та виникають інші. Крім неону для таких дослідів використовують інші заморожені інертні гази.

Що таке неоновий мікроскоп? Можливе нове застосування неону - так звана атомна оптика. Вона з'явилася після того, як фізики навчилися працювати із надхолодними атомами; такі атоми поводяться подібно до хвилі де Бройля з відповідною довжиною хвилі — дуже маленькою, якщо порівнювати зі світлом. Працюючи методами атомної оптики з пучками нейтральних атомів, зокрема з неоном, можна отримувати зображення на фоторезисті з високою точністю деталей (Вісник Російської академії наук, 2011, 81, 4). Це, втім, вимагає налагодження всієї апаратури керувати атомними пучками — лінз і дзеркал.

Інше можливе застосування неону – іонна мікроскопія. Цей метод розробляють вивчення тривимірної структури матеріалів, головним чином органічного походження.Пучок прискорених іонів направляють на поверхню зразка, при ударі вони вибивають іони елементів, що знаходяться в досліджуваному матеріалі, а детектор їх збирає та визначає, що це за елемент і з якої глибини він прилетів. Так можна побудувати тривимірну карту розподілу концентрацій елементів та виявити внутрішню будову зразка на глибину у сотні нанометрів. У недавніх дослідах («Beilstein Journal of Nanotechnology» - повний текст) іони неону давали чіткіший профіль концентрації досліджуваних атомів у штучно створеній шаруватій структурі, ніж гелій, при цьому їх було достатньо розігнати всього до 1 кеВ, а більш важкий аргон для отримання того ж результату доводилося розганяти до 20 кеВ. У результаті неон менше руйнує зразок, а це важливо для вивчення біологічних тканин. Є також ідеї використовувати іони неону для витравлювання на поверхні графену різних структур (Nanotechnology).

Чи існують хімічні сполуки неону? Неон хімічно вкрай неактивний, тому, на відміну важких інертних газів на кшталт ксенону, не створює повноцінних молекул. Проте хімічні сполуки з неоном відомі — зазвичай вони виникають завдяки силам Ван дер Ваальса, коли неон освоює якісь пори всередині твердої речовини. Так, неон може бути всередині фулеренів, у льоду або в порах цеолітів. Цікаво передбачуване походження неону у фулеренах метеоритів - кулистих хондритів.Спочатку після вибуху наднової в них потрапив радіоактивний натрій-22, а потім він перетворився на неон-22 — ось чому цього газу в метеоритах у тисячу разів більше, ніж у земних породах.

З іншого боку, неон утворює іонні кластери з металами: кілька іонів неону з'єднуються з атомом металу чи з іоном металу з'єднуються кілька атомів неону. У 2015 році вдалося отримати і поєднання неону з металоорганічним координаційним полімером. У таких полімерах атоми металу і органічні молекули утворюють мережу з пір, що чергуються; їх використовують як каталізатори, для зберігання та поділу та газів. Спроби створити їх з'єднання з неоном мають дві мети: по-перше, з'ясувати деталі взаємодії його атомів з різними елементами, а по-друге, отримати матеріал, здатний видобувати неон з повітря без зрідження останнього. Для криптону та ксенону аналогічні селективні сорбенти вже існують, а отримувати неон таким порівняно дешевим способом поки що не вдається.