NEON: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, RIZIKA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Neon je chemický prvek, který je reprezentován symbolem Ne. Je to ušlechtilý plyn, jehož jméno v řečtině znamená nové, kvalitu, kterou bylo schopno udržet po celá desetiletí nejen kvůli jiskru svého objevu, ale také proto, že zdobilo města světlem, když rozvíjely svou modernizaci.

Všichni jsme někdy slyšeli o neonových světlech, která ve skutečnosti neodpovídají nic víc než červenooranžové; pokud nejsou smíchány s jinými plyny nebo přísadami. Dnes mají ve srovnání s nedávnými osvětlovacími systémy zvláštní vzduch; neon je však mnohem více než jen ohromující moderní světelný zdroj.

Drak vyrobený z trubic naplněných neonem a jinými plyny, které při příjmu elektrického proudu ionizují a emitují charakteristická světla a barvy. Zdroj: AndrewKeenanRichardson.

Tento plyn, který se skládá prakticky z atomů Ne, navzájem lhostejných, představuje nejinertnější a nejušlechtilejší látku ze všech; Je to nejvíce inertní prvek v periodické tabulce a momentálně a formálně není dostatečně stabilní sloučenina známa. Je dokonce ještě inertnější než samotné helium, ale také dražší.

Vysoká cena neonu je způsobena tím, že není extrahována z podloží, jako je tomu u helia, ale z zkapalňování a kryogenní destilace vzduchu; i když je přítomna v atmosféře v dostatečném množství, aby vytvořila obrovský objem neonů.

Je snadnější extrahovat helium z rezerv zemního plynu, než zkapalňovat vzduch a extrahovat z něj neony. Navíc, jeho hojnost je menší než množství hélia, uvnitř i vně Země. Ve vesmíru se neon nachází v novinách a supernovách, stejně jako v oblastech, které jsou dostatečně zmrzlé, aby zabránily úniku.

Ve své kapalné formě je mnohem účinnějším chladivem než kapalné helium a vodík. Podobně je to prvek přítomný v elektronickém průmyslu, pokud jde o lasery a zařízení, které detekují záření.

Dějiny

Kolébka argonu

Historie neonů úzce souvisí s ostatními plyny, které tvoří vzduch, a jejich objevy. Anglický chemik Sir William Ramsay, spolu s jeho mentorem John William Strutt (Lord Rayleigh), se v roce 1894 rozhodl studovat složení vzduchu chemickými reakcemi.

Pomocí vzorku vzduchu se jim podařilo deoxygenovat a denitrogenizovat a získat a objevit argon ušlechtilého plynu. Jeho vědecká vášeň ho také vedla k objevu helia poté, co rozpustil minerální cleveit v kyselém médiu a shromáždil charakterizující uvolněný plyn.

Poté Ramsay měl podezření, že mezi heliem a argonem je chemický prvek, který se věnoval neúspěšným pokusům je najít v minerálních vzorcích. Až nakonec usoudil, že argon by měl být „skrytý“ jiné plyny méně hojné ve vzduchu.

Pokusy, které vedly k objevu neonu, tedy začaly kondenzovaným argonem.

Objev

Ve své práci začal Ramsay za asistence svého kolegy Morrisa W. Traverse s vysoce vyčištěným a zkapalněným vzorkem argonu, který následně podrobil jakému kryogenní a frakční destilaci. V roce 1898 a na University College London se tedy anglickým chemikům podařilo identifikovat a izolovat tři nové plyny: neon, krypton a xenon.

První z nich byl neon, který zahlédl, když ho shromáždili ve skleněné trubici, kde zasáhli elektrický šok; jeho intenzivní červeno-oranžové světlo bylo ještě výraznější než barvy kryptonu a xenonu.

Právě tímto způsobem dal Ramsay tomuto plynu název „neon“, což v řečtině znamená „nový“; z argonu se objevil nový prvek. Krátce poté, v roce 1904 a díky této práci, on a Travers obdrželi Nobelovu cenu za chemii.

Neonová světla

Ramsay pak měl jen málo společného s revolučními aplikacemi neonů, pokud jde o osvětlení. V roce 1902 vytvořil elektrotechnik a vynálezce Georges Claude společně s Paulem Delormem společnost L'Air Liquide, která se věnuje prodeji zkapalněných plynů průmyslovým odvětvím a která brzy viděla světelný potenciál neonů.

Claude, inspirovaný vynálezy Thomase Edisona a Daniela McFarlana Moore, postavil první trubice naplněné neonem, podepsal patent v roce 1910. Prodal svůj produkt prakticky za následujících předpokladů: neonová světla jsou vyhrazena pro města a památky, protože jsou velmi oslňující a atraktivní.

Od té doby jde zbytek historie neonů až do současnosti ruku v ruce se vznikem nových technologií; stejně jako potřeba kryogenních systémů, které je mohou používat jako chladicí kapalina.

Fyzikální a chemické vlastnosti

- Vzhled

Skleněná injekční lahvička nebo injekční lahvička s neonem vzrušená elektrickým výbojem. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Neon je bezbarvý, bez zápachu a bez chuti. Když je však použit elektrický výboj, jeho atomy jsou ionizovány nebo excitovány a emitují fotony energie, které vstupují do viditelného spektra jako červeno-oranžový záblesk (horní obrázek).

Neonová světla jsou tedy červená. Čím vyšší je tlak plynu, tím vyšší je potřebná elektřina a získá se načervenalá záře. Tato světla osvětlující uličky nebo fasády obchodů jsou velmi běžné, zejména v chladném podnebí; protože načervenalá intenzita je taková, že může pronikat mlhou ze značných vzdáleností.

- Molární hmotnost

20,1797 g / mol.

- atomové číslo (Z)

10.

- Bod tání

-248,59 ° C

- Bod varu

-246,046 ° C

- Hustota

- Za normálních podmínek: 0,9002 g / l.

- Z kapaliny, právě při teplotě varu: 1,207 g / ml.

- Hustota par

0,6964 (vzhledem ke vzduchu = 1). Jinými slovy, vzduch je 1,4krát hustší než neon. Pak se do vzduchu zvedne balónek nafouknutý neonem; i když méně rychle ve srovnání s jedním nafukovacím heliem.

- Tlak páry

0,9869 atm při 27 K (-246,15 ° C). Všimněte si, že při tak nízké teplotě neon již vyvíjí tlak srovnatelný s atmosférickým.

- Teplo fúze

0,335 kJ / mol.

- Odpařovací teplo

1,71 kJ / mol.

- Molární tepelná kapacita

20,79 J / (mol · K).

- Ionizační energie

-První: 2080,7 kJ / mol (Ne ⁺ plynný).

-Second: 3952,3 kJ / mol (plyn Ne ²⁺).

-Third: 6122 kJ / mol (Ne ³⁺ plynný).

Ionizační energie pro neony jsou zvláště vysoké. Toto je kvůli obtížnosti odstranit jeden z jeho valenčních elektronů z jeho velmi malého atomu (ve srovnání s ostatními prvky stejné periody).

- oxidační číslo

Jediné pravděpodobné a teoretické číslo nebo oxidační stav pro neon je 0; to znamená, že ve svých hypotetických sloučeninách nezíská nebo neztratí elektrony, ale spíše interaguje jako neutrální atom (Ne ⁰).

Toto je kvůli jeho nulové reaktivitě jako ušlechtilý plyn, který neumožňuje získat elektrony kvůli nedostatku energeticky dostupného orbitálu; a ani to nemůže být ztraceno pozitivním oxidačním číslem kvůli obtížím překonat efektivní jaderný náboj svých deseti protonů.

- Reaktivita

Výše uvedené vysvětluje, proč vzácný plyn není příliš reaktivní. Avšak mezi všemi vzácnými plyny a chemickými prvky je neon vlastníkem skutečné koruny šlechty; Nepřipouští elektrony žádným způsobem ani od nikoho, a nemůže sdílet své vlastní, protože jeho jádro mu brání, a proto netvoří kovalentní vazby.

Neon je méně reaktivní (více ušlechtilý) než helium, protože ačkoli jeho atomový poloměr je větší, efektivní jaderný náboj jeho deseti protonů přesahuje náboj dvou protonů v jádru helia.

Jak jeden sestupuje přes skupinu 18, tato síla klesá, protože atomový poloměr značně se zvětší; A proto další vzácné plyny (zejména xenon a krypton) mohou tvořit sloučeniny.

Sloučeniny

Dosud není známa žádná vzdáleně stabilní směs neonů. Existence polyatomických kationtů, jako jsou: ⁺, WNe ³⁺, RhNe ²⁺, MoNe ²⁺, ⁺ a ^+, však byla ověřena pomocí studií optické a hmotnostní spektrometrie.

Podobně lze zmínit jeho Van der Wallsovy sloučeniny, ve kterých ačkoli neexistují žádné kovalentní vazby (alespoň ne formálně), nekovalentní interakce jim umožňují zůstat soudržné za přísných podmínek.

Některé, jako Van der Walls sloučenin pro neon, jsou například: Ne ₃ (trimer), I ₂ Ne ₂, NeNiCO, NeAuF, řádek, (N ₂) ₆ Ne ₇, NEC ₂₀ H ₂₀ (endohedral fullerenů komplex), atd. A také je třeba poznamenat, že organické molekuly mohou také „třít ramena“ tímto plynem za velmi zvláštních podmínek.

Detail všech těchto sloučenin je, že nejsou stabilní; navíc většina pochází ze středu velmi silného elektrického pole, kde jsou atomy plynných kovů vzrušeny ve společnosti neonů.

Dokonce s kovalentní (nebo iontovou) vazbou se někteří chemici neobtěžují myslet na ně jako na skutečné sloučeniny; a proto je neon nadále vznešeným a inertním prvkem viděným ze všech „normálních“ stran.

Struktura a elektronická konfigurace

Interakční interakce

Atom atomu neon mohl být vizualizován jako téměř kompaktní koule díky své malé velikosti a velkému efektivnímu jadernému náboji svých deseti elektronů, z nichž osm je valencí podle jejich elektronické konfigurace:

1s ² 2s ² 2p ⁶ nebo 2s ² 2p ⁶

Atom Ne tedy interaguje se svým prostředím pomocí svých 2s a 2p orbitálů. Jsou však zcela zaplněny elektrony, které vyhovují slavnému valenčnímu oktetu.

Nemůže získat více elektronů, protože orbitál 3s není energeticky dostupný; Kromě toho je nemůže ztratit ani kvůli malému atomovému poloměru a „úzká“ vzdálenost je odděluje od deseti protonů v jádru. Proto je tento atom Ne nebo koule velmi stabilní a není schopen vytvořit chemické vazby s prakticky žádným prvkem.

Tyto atomy Ne definují plynnou fázi. Vzhledem k tomu, že je elektronický cloud velmi malý, je homogenní a kompaktní, obtížně polarizovatelný, a proto vytváří okamžité dipólové momenty, které indukují ostatní v sousedních atomech; to znamená, že rozptylové síly mezi atomy Ne jsou velmi slabé.

Kapalina a sklo

Proto musí teplota klesnout na -246 ° C, aby neon mohl přecházet z plynného stavu do kapaliny.

Jakmile jsou při této teplotě atomy Ne, jsou dostatečně blízko na to, aby je rozptylové síly spojily dohromady v kapalině; že ačkoli to zjevně není tak působivé jako kvantová tekutina tekutého helia a jeho superfluidita, má chladicí sílu 40krát větší než toto.

To znamená, že systém chlazení kapalinovým neonem je 40krát účinnější než kapalinový helium; rychleji ochlazuje a udržuje teplotu déle.

Důvodem může být skutečnost, že i když jsou atomy Ne těžší než on, bývalý atom se snadněji odděluje a rozptyluje (zahřívá se) než druhý; ale jejich interakce jsou během jejich kolizí nebo střetů tak slabé, že se opět rychle zpomalí (vychladnou).

Jak teplota dále klesá, na -248 ° C, disperzní síly se stávají silnějšími a více směrovými, nyní schopnými He atomům nařídit, aby krystalizovaly do krychlového (fcc) krystalu zaměřeného na obličej. Tento krystal hélia fcc je stabilní za všech tlaků.

Kde najít a získat

Supernovy a ledové prostředí

Při tvorbě supernovy jsou rozptýleny neonové trysky, které nakonec skládají tyto hvězdné mraky a putují do jiných oblastí vesmíru. Zdroj: Pxhere.

Neon je pátý nejhojnější chemický prvek v celém vesmíru. Kvůli jeho nedostatku reaktivity, vysokému tlaku par a lehké hmotě uniká ze zemské atmosféry (i když v menší míře než helium) a málo se rozpustí v mořích. Proto zde má ve zemském vzduchu sotva koncentraci 18,2 ppm objemových.

Aby se uvedená koncentrace neonu zvýšila, je nutné snížit teplotu na okolí absolutní nuly; podmínky možné pouze v Kosmu a v menší míře v ledové atmosféře některých plynných obrů, jako je Jupiter, na skalnatých površích meteoritů nebo v exosféře Měsíce.

Jeho největší koncentrace však leží v novinách nebo supernovách distribuovaných po celém vesmíru; stejně jako ve hvězdách, z nichž pocházejí, objemnější než naše slunce, uvnitř kterých jsou atomy neonů produkovány v důsledku nukleosyntézy mezi uhlíkem a kyslíkem.

Zkapalňování vzduchu

Přestože je jeho koncentrace v našem vzduchu pouze 18,2 ppm, stačí z jakéhokoli domácího prostoru dostat pár litrů neonu.

K jeho výrobě je tedy nutné vzduch zkapalnit a poté provést kryogenní frakční destilaci. Tímto způsobem lze atomy oddělit od kapalné fáze složené z kapalného kyslíku a dusíku.

Izotopy

Nejstabilnější izotop Neonu je ²⁰ Ne, s hojností 90,48%. Má také dva další izotopy, které jsou také stabilní, ale méně hojné: ²¹ Ne (0,27%) a ²² Ne (9,25%). Zbytek jsou radioizotopy a v současné době je jich známých celkem patnáct (^15-19 Ne a ^23-32 Ne).

Rizika

Neon je neškodný plyn z téměř všech možných hledisek. Vzhledem ke své nulové chemické reaktivitě vůbec nezasahuje žádným metabolickým procesem a stejně jako vstupuje do těla, opouští jej bez asimilace. Nemá tedy okamžitý farmakologický účinek; ačkoli to bylo spojeno s možnými anestetickými účinky.

Proto pokud dojde k úniku neonů, nejedná se o znepokojující poplach. Pokud je však koncentrace jeho atomů ve vzduchu velmi vysoká, může vytlačit molekuly kyslíku, které dýcháme, což nakonec způsobí udušení a s ním spojené symptomy.

Kapalná neonová kapalina však může při kontaktu způsobit studené popáleniny, takže není vhodné se jí přímo dotknout. Také, pokud je tlak v nádobách velmi vysoký, může být náhlá trhlina explozivní; ne přítomností plamenů, ale silou plynu.

Neon také nepředstavuje nebezpečí pro ekosystém. Kromě toho je jeho koncentrace ve vzduchu velmi nízká a není problém s jeho dýcháním. A co je nejdůležitější: nejde o hořlavý plyn. Proto nikdy nespálí bez ohledu na to, jak vysoké jsou teploty.

Aplikace

osvětlení

Jak již bylo zmíněno, červená neonová světla jsou přítomna v tisících zařízení. Důvod je ten, že je vyžadován pouze nízký tlak plynu (~ 1/100 atm), aby mohl při elektrickém výboji produkovat své charakteristické světlo, které bylo také umístěno v reklamách různých druhů (reklama, známky silnice atd.).

Zkumavky naplněné neonem mohou být vyrobeny ze skla nebo plastu a mohou nabývat nejrůznějších tvarů nebo forem.

Elektronický průmysl

Neon je v elektronickém průmyslu velmi důležitý plyn. Používá se pro výrobu zářivek a topných lamp; zařízení detekující záření nebo vysoké napětí, televizní kineskopy, Geyserovy počítače a ionizační komory.

Lasery

Spolu s heliem lze duo Ne-He použít pro laserová zařízení, která promítají paprsek červeného světla.

Klatrát

I když je pravda, že neon nemůže tvořit žádné sloučeniny, bylo zjištěno, že za vysokých tlaků (~ 0,4 GPa) jsou jeho atomy zachyceny v ledu za vzniku klatrátu. V něm jsou atomy Ne omezeny na určitý druh kanálu omezeného molekulami vody a uvnitř kterého se mohou pohybovat podél krystalu.

Ačkoli v současné době není mnoho potenciálních aplikací pro toto neonové klatrát, mohlo by to být v budoucnu alternativou jeho skladování; nebo jednoduše slouží jako model pro prohloubení porozumění těmto zmrazeným materiálům. Možná na některých planetách je neon uvězněn v množství ledu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Neon. PubChem Database. CID = 23987. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. J. de Smedt, WH Keesom a HH Mooy. (1930). Na krystalové struktuře Neon. Physical Laboratory ve společnosti Leiden.
4. Xiaohui Yu & col. (2014). Krystalová struktura a dynamika zapouzdření ledu II strukturovaného neonhydrátu. Sborník Národní akademie věd 111 (29) 10456-10461; DOI: 10,1073 / pnas.1410690111
5. Wikipedia. (2019). Neon. Obnoveno z: en.wikipedia.org
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. prosince 2018). 10 Neon Facts - Chemical Element. Obnoveno z: thinkco.com
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta o neonových prvcích. Chemicool. Obnoveno z: chemicool.com
8. Wikipedia. (2019). Neonové sloučeniny. Obnoveno z: en.wikipedia.org
9. Nicola McDougal. (2019). Element Neon: Historie, fakta a použití. Studie. Obnoveno z: study.com
10. Jane E. Boyd a Joseph Rucker. (9. srpna 2012). Blaze of Crimson Light: Příběh neonů. Ústav dějin vědy. Obnoveno z: sciencehistory.org