118 элементов. Глава 10: «νέον» значит «новый»

Элемент: неон (Neon)

Химический символ: Ne

Порядковый номер: 10

Год открытия: 1898

Стандартная атомная масса: 20.1797

Температура плавления: 25.56 К

Температура кипения: 27.104 К

Плотность при стандартных условиях: 0.9002 г/л³

Скорость звука в неоне: 435 м/с

Число стабильных изотопов: 3

Кристаллическая решётка: гранецентрированная кубическая

История открытия 10-го элемента неразрывно связана с открытием всех других инертных газов одной-единственной фамилией. Шотландский химик Уильям Рамзай вошел в историю, как единственный в мире человек, приложивший руку к появлению целого нового столбца в таблице Менделеева. При этом три элемента были открыты всего за полтора месяца 1898 года. Добавим, что гелий Рамзай обнаружил на Земле и лишь показал, что это и есть открытый ранее на Солнце, аргон был открыт вместе с Уильямом Стреттом раньше, а радон — несколько позже троицы, в которую входит неон.

Уильям Рамзай

Об истории открытия гелия на Земле мы уже подробно писали в соответствующей главе. Об открытии аргона мы расскажем позже, а сейчас лишь упомянем, что уже после выделения гелия Рамзай сделал вывод, что им открыта новая группа Периодической таблицы Менделеева. Но тогда, значит, должны быть и другие элементы, относящиеся к этой группе.

Здесьему на помощь пришел Морис Уильям Треверс, который предложил совершенно новый, оригинальный способ выяснить, есть ли в воздухе, помимо аргона, азота и кислорода, еще и другие газы.

Треверс предложил просто сильно охладить воздух – до жидкого состояния – а затем заняться его фракционной перегонкой: постепенно нагревать и выделять фракции по температуре кипения. Каждая затем исследовалась спектральным методом. Так в 1898 году за 42 дня были открыты три новых элемента.

Первым из них стал «скрытный» — криптон. Потом — еще один новый газ, название которому по легенде дал тринадцатилетний сын Рамзая, сказавший, что раз «новый», то пусть будет по-латыни, новум. Рамзай-старший согласился, но решил, что по-гречески будет благозвучнее. Получился неон. А затем появился и «чуждый, чужой» — ксенон.

Пять новых элементов, новая группа таблицы Менделеева. Неудивительно, что свою Нобелевскую премию 1904 года Рамзай получил именно по химии.

Сделаем небольшое примечание: Рамзай и Треверс сообщили об открытии еще одного газа вместе с неоном. Этот газ имел плотность аргона, но другой спектр. Рамзай назвал его метаргоном, но открытие «сорвалось» – оказалось, что в воздухе было немного угарного газа.

Уже после Нобелевской премии своего первооткрывателя именно неон как элемент сыграл важную роль в базовом понимании природы атомов, когда в 1913 году Джозеф Джон Томсон в рамках своего исследования состава анодных направил потоки ионов неона через магнитное и электрическое поля и запечатлел отклонение потоков на фотографической пластиной. Томсон наблюдал два отдельных световых пятна на фотопластинке, которые свидетельствовали о двух разных параболических траекториях отклонения.

Та самая фотопластинка Томсона

Томсон пришел к выводу, что некоторые атомы в неоне имеют большую массу, чем остальные. Хотя в то время Томсон еще не понимал этого, но он оказался первооткрывателем стабильных изотопов. В том же 1913 году Фредерик Содди открыл радиоактивные изотопы. Кстати, устройство Томсона стало предтечей незаменимого ныне в химии и физике прибора, который мы называем масс-спектрометром.

Химия неона, скажем так, до сих пор бедная. Как и гелий (и другие благородные газы), неон обладает полностью заполненной электронной оболочкой и наотрез отказывается принимать или отдавать электроны. Ему хорошо с самим собой.

Правда, силы Ван-дер-Ваальса способны удержать атом неона рядом с другим атомом. Открытымолекулы Ne₂, Ne₃, Ne₄, LiNe, CF₄Ne и CCl₄Ne, Ne₂Cl₂, Ne₃Cl₂, I₂Ne, I₂Ne₂, I₂Ne₃, I₂Ne₄… Одна беда: как только температура оказывается достаточно высокой, тепловое движение безжалостно рвет эти связи – и до свидания, неон снова один. «Достаточно высокой» считается любая температура выше той, при которой неон представляет собой твёрдое тело – 25 кельвинов. А при высоком давлении можно и такую экзотику, как (N₂)₆Ne₇получить. Ну и, конечно же, нельзя не упомянуть клатраты – атомы неона, под давлением вошедшие в кристаллическую решетку льда.

Водно-неоновый клатрат

Тем не менее, несмотря на инертность неона, обнаружилось несколько областей, где этот газ все-таки нашел практическое приложение.

Например, важное значение имеет тройная точка неона (точка схождения кривых двухфазных равновесий на диаграмме «давление-температура», то есть точка, где вещество существует одновременно в трех фазах). Эта точка (24.5561 К) стала одной из «реперных точек» Международной температурной шкалы 1990 года.

Еще одно интересное применение неона стало возможным только после Нобелевской премии Александра Прохорова, Николая Басова и Чарльза Таунса. Гелий-неоновый лазер с длиной волны 632,8 нанометра (красная часть видимого спектра) использует в качестве рабочего тела смесь гелия и неона в пропорции 5 к 1.

Схема работы гелий-неонового лазера

Но, конечно же, самое известное применение неона, сделавшее название этого элемента известным всем – это неоновая реклама.

Отец неоновой рекламы и «французский Эдисон» Жорж Клод родился в 1870 году и поначалу даже не помышлял ни о неоне, ни о сияющих вывесках. Он окончил Высшую школу промышленной физики и химии в Париже, после чего сменил много постов: инспектора по электричеству на кабельной фабрике, лабораторного менеджера по электрическим работам, издателя и автора журнала «Электрическая искра».

Жорж Клод

В 1898 году (как раз в год открытия неона) газосветные лампы, сконструированные Даниэлем МакФарланом Муром, служащим фирмы General Electric, были установлены на часовню на Мэдисон-Сквер-Гарден в Нью-Йорке. «Трубки Мура» были самым удачным из всех вариантов наполнения газосветных ламп: СО₂ давал равномерное свечение, а длина такой лампы могла достигать шести метров. Однако вся конструкция имела существенный недостаток: углекислый газ также вступал в реакцию с веществом электродов, и лампу требовалось часто перезаправлять.

Инертные же газы, которые были отходами производства сжиженного воздуха, которым занимался вышеупомянутый Жорж Клод, на то и инертны, чтобы неохотно вступать в химические реакции. Парижский изобретатель ради интереса попробовал наполнять ими лампы низкого давления. Результат оказался впечатляющим: лампы начинали светиться яркими цветами – в зависимости от газа. Так, аргон горел голубым, а неон — красно-оранжевым. Как выяснилось позднее, все благородные газы имели свой цвет свечения.

Неон в газоразрядной трубке

Знакомый Клода Жан Фонсекью, увидев неоновые огни, предложил использовать такие светильники в качестве наружной рекламы. Первой публичной демонстрацией светящихся трубок стало освещение на парижском автомобильном шоу в декабре 1910 года, в 1911 году технология была запатентована, а в 1912 году первой светящейся рекламой обзавелась небольшая парикмахерская на бульваре Монмартр.

Еще несколько лет спустя, в 1915 году, Клод запатентовал новые электроды с увеличенной сопротивляемостью коррозии, которые дольше служили на улице. В 1919 году сине-красными огнями озарилась Парижская Опера. Технология возникла в самый благоприятный для нее момент. Новые светильники, произведенные Клодом, использовались для рекламы пишущих машинок Remington, сигарет Lucky Strike, батареек Eveready, автомобилей Packard и других продуктов крупных фирм. Поскольку поставлять стеклянные трубки с газом за океан было сложно, Жорж Клод начал продавать лицензии на производство неоновой рекламы.

С недавних пор неон применяется в микроэлектронной промышленности – в ультрафиолетовой фотолитографии при изготовлении микросхем по технологическому процессу менее 180 нанометров.

Неоном даже дышат – его применяют в составе дыхательной смеси для водолазов, работающих на больших глубинах, поскольку неон предотвращает газовую эмболию сосудов и так называемое явление азотного наркоза, когда при больших давлениях азот начинает действовать как наркотик на центральную нервную систему. Раньше для того, чтобы это избежать, азот заменяли гелием, но неон оказался лучше – благодаря более низкой теплопроводности неон меньше охлаждает организм.

Так что, несмотря на свою нейтральность, «новый» элемент не только нашел свою нишу в использовании, но и кардинально изменил облик ночных городов, к которому мы так привыкли. И пусть неоновые огни теперь повсеместно вытесняют светодиоды, реклама в массовом сознании так и останется «неоновой».

Текст: Алексей Паевский при участии Екатерины Мищенко

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.

Материал подготовлен ИОНХ РАН для проекта «Виртуальный музей химии: продолжение осмотра» при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Проект выполняется в рамках Десятилетия науки и технологий