霓虹灯：历史，属性，结构，风险，用途 - 化学 - 2025

的氖是由符号氖表示的化学元素。它是一种稀有气体，在希腊语中的名字意味着新的气体，这种气体之所以能够保持几十年，不仅是因为其发现的火花，而且还因为它在现代化建设中为城市增光添彩。

我们都听说过霓虹灯，它实际上只不过是橘红色。除非它们与其他气体或添加剂混合。与最近的照明系统相比，如今它们的空气很奇怪。但是，霓虹灯不仅仅是令人惊叹的现代光源。

由充满氖气和其他气体的管子制成的龙，在接收电流时会电离并发出特征性的光和颜色。资料来源：安德鲁·基南·理查森。

这种气体实际上由彼此无关的Ne原子组成，是所有气体中最惰性和最稀有的物质。它是元素周期表中最惰性的元素，目前和形式上足够稳定的化合物是未知的。它比氦气本身更惰性，但也更昂贵。

霓虹灯的高昂成本是由于它不是像氦那样从土壤中提取出来的，而是从空气的液化和低温蒸馏中提取的；即使它在大气中的存在量足以产生大量氖气也是如此。

从天然气储藏中提取氦气比将空气液化并从中提取氖更容易。此外，在地球内部和外部，其丰度都小于氦。在宇宙中，氖存在于新星和超新星以及冻结到足以阻止其逸出的区域中。

以液态形式，它是一种比液态氦和氢更有效的制冷剂。同样，它是电子工业中与检测辐射的激光器和设备有关的元素。

历史

氩气的摇篮

霓虹灯的历史与构成空气及其发现的其余气体的历史息息相关。英国化学家威廉·拉姆齐爵士和他的导师约翰·威廉·斯特鲁特（雷利勋爵）于1894年决定通过化学反应研究空气的成分。

他们使用空气样本对空气进行脱氧和脱氮，获得并发现稀有气体氩气。他的科学热情也使他发现了氦，这是因为将矿物锂镁铝石溶解在酸性介质中并收集了释放出的气体的特征。

然后，拉姆齐（Ramsay）怀疑氦和氩之间存在化学元素，这表明在矿物样品中找不到它们的尝试未成功。直到最后，他认为氩应该被“隐藏”空气中不那么丰富的其他气体。

因此，导致发现氖的实验始于冷凝氩。

发现

在他的工作中，拉姆齐在他的同事莫里斯·特拉弗斯（Morris W. Travers）的协助下，首先从高度纯化和液化的氩气样品开始，随后对其进行了低温和分馏。因此，在1898年以及在伦敦大学学院，两位英国化学家都设法鉴定并分离出三种新气体：氖气，k气和氙气。

他们中的第一个是霓虹灯，当他将它们收集在玻璃管中并施加电击时，他瞥见了它。其强烈的橙红色光比than和氙气的颜色更为醒目。

拉姆齐就是通过这种方式将这种气体命名为“霓虹灯”，在希腊语中意为“新”。氩气中出现了一个新元素。此后不久，由于这项工作，他和Travers于1904年获得了诺贝尔化学奖。

霓虹灯

拉姆齐则在照明方面与霓虹灯的革命性应用无关。1902年，电气工程师和发明家Georges Claude与Paul Delorme共同创立了L'Air Liquide公司，该公司致力于向工业销售液化气，并很快看到了霓虹灯的巨大潜力。

受托马斯·爱迪生（Thomas Edison）和丹尼尔·麦克法兰（Daniel McFarlan Moore）的发明启发，克劳德（Claude）制造了第一批充满氖气的灯管，并于1910年签署了一项专利。他在以下前提下出售了他的产品：氖气灯是为城市和古迹保留的，因为它们是非常令人眼花attractive乱。

从那时起，直到现在，霓虹灯的其余历史与新技术的出现并存。以及需要将其用作冷却液的低温系统。

物理和化学特性

-外观

玻璃小瓶或通过放电激发氖气的小瓶。来源：化学元素的高分辨率图像

霓虹灯是一种无色，无味，无味的气体。但是，在施加放电时，其原子被离子化或激发，发出能量的光子以橘红色的闪光形式进入可见光谱（上图）。

所以霓虹灯是红色的。气压越高，所需的电力就越高，并且获得的红色辉光也越高。这些照亮商店小巷或门面的灯非常普遍，尤其是在寒冷的气候下；因为，微红色的强度使得它可以从相当远的距离穿透雾。

- 摩尔质量

20.1797克/摩尔

- 原子序数（Z）

10。

- 熔点

-248.59°C

-沸点

-246.046℃。

-密度

-在正常条件下：0.9002 g / L。

-从液体开始，仅在沸点：1.207 g / mL。

-蒸气密度

0.6964（相对于空气= 1）。换句话说，空气的密度是氖的1.4倍。然后，充满氖气的气球将升入空中；尽管速度比充气氦气快。

- 蒸汽压力

0.927 atm在27 K（-246.15°C）下。注意，在这样的低温下，氖已经施加了与大气压相当的压力。

-融合热

0.335 kJ /摩尔

-汽化热

1.71 kJ /摩尔

摩尔热容

20.79 J /（mol·K）。

-电离能

-首先：2080.7 kJ / mol（Ne ⁺气态）。

-第二：3952.3kJ / mol（Ne ²⁺气体）。

-第三：6122 kJ / mol（Ne ³⁺气态）。

氖的电离能特别高。这是由于难以从其很小的原子中除去其价电子之一（与同期的其他元素相比）。

-氧化数

氖的唯一可能的理论数或氧化态为0；也就是说，在其假设的化合物中，它不会获得或失去电子，而是作为中性原子（Ne ⁰）相互作用。

这是由于其作为稀有气体的无效反应性，由于缺乏能量可利用的轨道而使其无法获得电子；由于难以克服其十个质子的有效核电荷，具有正的氧化数也不会使其丢失。

-反应性

前述解释了为什么稀有气体不是很活泼的原因。然而，在所有稀有气体和化学元素中，氖是真正贵族的王者；它不允许以任何方式或来自任何人的电子进入，并且它不能共享自己的电子，因为它的原子核阻止了它，因此不会形成共价键。

氖的反应性比氦弱（更高贵），因为尽管其原子半径更大，但十个质子的有效核电荷超过了氦原子核中两个质子的核电荷。

当一个原子通过第18组下降时，该力减小了，因为原子半径大大增加了。这就是为什么其他稀有气体（尤其是氙和k）可以形成化合物的原因。

化合物

迄今为止，还没有遥远稳定的氖化合物。然而，已经通过光学和质谱研究证实了多原子阳离子如：⁺，WNe ³⁺，RhNe 2 ⁺，MoNe 2 ⁺，⁺和^+的存在。

同样，可以提及其范德华尔化合物，其中尽管没有共价键（至少不是形式上的），但非共价键的相互作用使它们在严格的条件下仍保持内聚性。

一些这样的用于氖的范德华斯化合物为：Ne ₃（三聚体），I ₂ Ne ₂，NeNiCO，NeAuF，LiNe，（N ₂）₆ Ne ₇，NeC ₂₀ H ₂₀（内表面富勒烯络合物） ）等 而且，应该指出，在非常特殊的条件下，有机分子也可以用这种气体“擦肩”。

所有这些化合物的细节在于它们不稳定。而且，大多数源于非常强的电场，在该电场中，氖气陪伴着气态金属原子被激发。

即使具有共价键（或离子键），一些化学家也不会理会它们是真正的化合物。因此，从所有“正常”方面来看，霓虹灯仍然是一种高贵而惰性的元素。

结构和电子配置

互动互动

氖原子尺寸小，并且十个电子的有效核电荷很大，根据其电子构型，其中八个为价原子，可以将其可视化为几乎紧凑的球体：

1s ² 2s ² 2p ⁶或2s ² 2p ⁶

因此，Ne原子使用其2s和2p轨道与其环境相互作用。但是，它们完全充满了电子，符合著名的价八位字节。

它不能获得更多的电子，因为3s轨道没有能量可用。此外，由于它们的原子半径小，并且它的“窄”距离将它们与原子核中的十个质子隔开，它也不会丢失。因此，该Ne原子或球非常稳定，几乎不能与任何元素形成化学键。

正是这些Ne原子定义了气相。它的电子云非常小，是均匀且紧凑的，难以极化，因此，它会建立瞬时偶极矩，从而在相邻原子中感应出其他偶极矩。即，Ne原子之间的散射力非常弱。

液体和玻璃

这就是为什么温度必须降至-246ºC以便氖能从气态变为液态的原因。

一旦达到这个温度，Ne原子就足够接近以产生弥散力，从而将它们在液体中结合在一起。尽管它显然不如液态氦的量子流体及其超流动性令人印象深刻，但它的冷却能力却是其的40倍。

这意味着液态氖冷却系统的效率是液态氦冷却系统的40倍；冷却速度更快，保持温度的时间更长。

原因可能是由于以下事实：即使Ne原子比He重，前者也比He分离和散布（加热）更容易。但是在碰撞或相遇期间，他们的互动是如此微弱，以至于他们再次迅速减速（冷却）。

随着温度进一步下降至-248°C，色散力变得更强且更具方向性，现在能够使He原子结晶为面心立方（fcc）晶体。这种氦气fcc晶体在所有压力下都是稳定的。

在哪里找到和获得

超新星和冰冷的环境

在超新星的形成过程中，散布着霓虹灯，这些霓虹灯最终组成了这些恒星云并传播到了宇宙的其他区域。资料来源：Pxhere。

氖是整个宇宙中第五大最丰富的化学元素。由于缺乏反应性，高蒸气压和轻质物质，它从地球大气中逸出（尽管程度小于氦气），几乎没有在海洋中溶解。这就是为什么在地球的空气中，其体积含量仅为18.2 ppm。

为了增加所述氖的浓度，有必要将温度降低到绝对零附近。这种情况只有在宇宙中才可能发生，而在较小程度上，在某些气体巨星如冰星的冰层大气中，在陨石的岩石表面上或在月球的外层中。

然而，它的最大集中在于遍布整个宇宙的新星或超新星。以及在它们起源的恒星中，其体积比我们的太阳还要庞大，在其中由于碳和氧之间的核合成而产生了氖原子。

空气液化

尽管它在我们的空气中的浓度仅为18.2 ppm，但足以从任何家庭空间中吸收几升氖气。

因此，为了生产它，必须使空气液化，然后进行低温分馏。这样，其原子可与由液态氧和氮组成的液相分离。

同位素

霓虹灯最稳定的同位素是²⁰ Ne，其丰度为90.48％。它还有两个其他同位素也很稳定，但含量却较低：²¹ Ne（0.27％）和²² Ne（9.25％）。其余为放射性同位素，目前总共已知15种（^15-19 Ne和^23-32 Ne ）。

风险性

霓虹灯几乎所有方面都是无害气体。由于其无效的化学反应性，它根本不干预任何代谢过程，并且当它进入人体时，它就不会被吸收而离开人体。因此，它没有立即的药理作用。尽管它与可能的麻醉作用有关。

这就是为什么如果有氖气泄漏，这并不是令人担忧的警报。但是，如果其原子在空气中的浓度很高，它就会置换我们呼吸的氧气分子，最终导致窒息和一系列与之有关的症状。

但是，液态氖可能在接触时引起冷灼伤，因此建议不要直接接触它。另外，如果您的容器中的压力很高，则突然的裂缝可能会爆炸。不是由于火焰的存在，而是由于气体的力量。

霓虹灯也不会对生态系统构成威胁。此外，其在空气中的浓度非常低，并且呼吸没有问题。最重要的是：它不是易燃气体。因此，无论温度高高，它都不会燃烧。

应用领域

照明

如前所述，数以千计的场所都设有红色霓虹灯。原因是几乎不需要低气压（〜1/100 atm），这样它就可以在放电时产生其特征性的光，这种光也被放置在各种广告中（广告，道路等）。

氖管可以由玻璃或塑料制成，并具有各种形状或形式。

电子业

霓虹灯是电子工业中非常重要的气体。用于制造荧光灯和加热灯；检测辐射或高压的设备，电视显像管，间歇泉计数器和电离室。

雷射

Ne-He二重奏与氦气一起可用于激光设备，该设备投射一束微红色的光。

包合物

尽管氖不能形成任何化合物是正确的，但已发现在高压下（约0.4 GPa），其原子被困在冰中形成了笼形物。在其中，Ne原子被限制在一种受水分子限制的通道中，并且它们可以在其中沿晶体移动。

尽管目前这种霓虹包合物的潜在应用并不多，但将来可能会替代它的存储。或者简单地作为模型，加深对这些冷冻材料的理解。也许在某些行星上，氖被困在冰块中。

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