Neon

Neon ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ne und der Ordnungszahl 10. Es ist ein Edelgas. Neon ist ein farbloses, geruchloses, unter Standardbedingungen inertes monatomares Gas mit einer Dichte von etwa zwei Dritteln der Dichte von Luft. Es wurde (zusammen mit Krypton und Xenon) 1898 als eines der drei seltenen inerten Elemente entdeckt, die in trockener Luft zurückbleiben, nachdem Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid entfernt wurden. Neon war das zweite dieser drei seltenen Gase, das entdeckt wurde, und wurde sofort als neues Element aus seinem hellroten Emissionsspektrum erkannt. Der Name Neon leitet sich von dem griechischen Wort νέον ab, der kastrierten Singularform von νέος (neos), was neu bedeutet. Neon ist chemisch inert, und es sind keine ungeladenen Neonverbindungen bekannt. Zu den derzeit bekannten Verbindungen von Neon gehören ionische Moleküle, durch van-der-Waals-Kräfte zusammengehaltene Moleküle und Clathrate.

Während der kosmischen Nukleogenese der Elemente werden große Mengen Neon aus dem Alpha-Einfang-Fusionsprozess in Sternen aufgebaut. Obwohl Neon ein sehr häufiges Element im Universum und im Sonnensystem ist (es steht nach Wasserstoff, Helium, Sauerstoff und Kohlenstoff an fünfter Stelle der kosmischen Häufigkeit), ist es auf der Erde selten. Es setzt sich aus etwa 18,2 ppm Luft im Volumen (dies entspricht etwa dem Molekular- oder Molanteil) und einem kleineren Anteil in der Erdkruste zusammen. Der Grund für die relative Knappheit von Neon auf der Erde und den inneren (terrestrischen) Planeten liegt darin, dass Neon sehr flüchtig ist und keine Verbindungen bildet, um es an Feststoffe zu binden. Infolgedessen entwich es den Planetesimalen unter der Wärme der neu gezündeten Sonne im frühen Sonnensystem. Sogar in der äußeren Atmosphäre des Jupiters ist das Neon etwas verarmt, wenn auch aus einem anderen Grund.

Neon leuchtet deutlich rötlich-orange, wenn es in Niederspannungs-Neonglühlampen, Hochspannungs-Entladungsröhren und Neonreklamen verwendet wird. Die rote Emissionslinie von Neon verursacht auch das bekannte rote Licht von Helium-Neon-Lasern. Neon wird in einigen Anwendungen für Plasmaröhren und Kühlmittel verwendet, hat aber nur wenige andere kommerzielle Anwendungen. Es wird kommerziell durch die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen. Da Luft die einzige Quelle ist, ist es erheblich teurer als Helium.

Geschichte

Neon wurde 1898 von den britischen Chemikern Sir William Ramsay (1852-1916) und Morris W. Travers (1872-1961) in London entdeckt. Neon wurde entdeckt, als Ramsay eine Luftprobe abkühlte, bis sie flüssig wurde, dann die Flüssigkeit erwärmte und die Gase beim Abkochen auffing. Die Gase Stickstoff, Sauerstoff und Argon waren identifiziert worden, aber die verbleibenden Gase wurden in einem Zeitraum von sechs Wochen, beginnend Ende Mai 1898, in etwa in der Reihenfolge ihrer Häufigkeit isoliert. Das erste Gas, das identifiziert wurde, war Krypton. Das nächste, nachdem Krypton entfernt worden war, war ein Gas, das unter spektroskopischer Entladung ein leuchtend rotes Licht abgab. Dieses Gas, das im Juni identifiziert wurde, erhielt den Namen “Neon”, das griechische Analogon des lateinischen novum (“neu”), das von Ramsay’s Sohn vorgeschlagen wurde. Die charakteristische brillante rot-orange Farbe, die das gasförmige Neon bei elektrischer Anregung abgab, wurde sofort bemerkt. Travers schrieb später: “Das Feuer des purpurroten Lichts aus der Röhre erzählte seine eigene Geschichte und war ein Anblick, bei dem man verweilen und ihn nie vergessen konnte”.

Zusammen mit Neon wurde auch über ein zweites Gas berichtet, das ungefähr die gleiche Dichte wie Argon, aber ein anderes Spektrum hatte - Ramsay und Travers nannten es Metargon. Die anschließende spektroskopische Analyse ergab jedoch, dass es mit Kohlenmonoxid verunreinigt war. Schließlich entdeckte dasselbe Team im September 1898 Xenon durch dasselbe Verfahren.

Die Knappheit von Neon verhinderte seine sofortige Anwendung für die Beleuchtung nach dem Vorbild der Moore-Röhren, die mit Stickstoff betrieben und Anfang 1900 kommerzialisiert wurden. Nach 1902 produzierte Georges Claudes Firma Air Liquide industrielle Mengen von Neon als Nebenprodukt seines Luftverflüssigungsgeschäfts. Im Dezember 1910 demonstrierte Claude moderne Neonbeleuchtung auf der Grundlage einer versiegelten Neonröhre. Claude versuchte kurzzeitig, Neonröhren für die Beleuchtung von Innenräumen zu verkaufen, wegen ihrer Intensität, aber der Markt scheiterte, weil Hausbesitzer Einwände gegen die Farbe hatten. 1912 begann Claudes Partner mit dem Verkauf von Neonröhren als auffällige Werbeschilder und war sofort erfolgreicher. Neonröhren wurden 1923 mit zwei großen Neonschildern, die von einem Autohaus in Los Angeles Packard gekauft wurden, in den USA eingeführt. Die leuchtende und auffällige rote Farbe machte die Neonreklame völlig anders als die der Konkurrenz. Die intensive Farbe und Lebendigkeit von Neon wurde mit der amerikanischen Gesellschaft jener Zeit gleichgesetzt, suggerierte ein “Jahrhundert des Fortschritts” und verwandelte die Städte in sensationelle neue Umgebungen voller strahlender Werbung und “elektrografischer Architektur”.

Neon spielte 1913 eine Rolle im grundlegenden Verständnis der Natur der Atome, als J. J. Thomson im Rahmen seiner Erforschung der Zusammensetzung von Kanalstrahlen Ströme von Neon-Ionen durch ein magnetisches und ein elektrisches Feld kanalisierte und die Ablenkung der Ströme mit einer fotografischen Platte maß. Thomson beobachtete zwei getrennte Lichtflecken auf der fotografischen Platte (siehe Bild), was auf zwei verschiedene Ablenkungsparabeln schließen lässt. Thomson kam schließlich zu dem Schluss, dass einige der Atome im Neongas eine höhere Masse hatten als der Rest. Obwohl dies damals von Thomson nicht verstanden wurde, war dies die erste Entdeckung von Isotopen stabiler Atome. Thomsons Gerät war eine grobe Version des Instruments, das wir heute als Massenspektrometer bezeichnen.

Natürliches Vorkommen

Stabile Isotope von Neon werden in Sternen erzeugt. Das am häufigsten vorkommende Neon-Isotop 20Ne (90,48%) entsteht durch die Kernfusion von Kohlenstoff und Kohlenstoff im Kohlenstoffverbrennungsprozess der stellaren Nukleosynthese. Dazu sind Temperaturen über 500 Megakelvin erforderlich, die in den Kernen von Sternen mit mehr als 8 Sonnenmassen auftreten.

Neon kommt in universellem Maßstab häufig vor; es ist nach der Masse nach Wasserstoff, Helium, Sauerstoff und Kohlenstoff das fünfthäufigste chemische Element im Universum (siehe chemisches Element). Seine relative Seltenheit auf der Erde, wie die des Heliums, ist auf seine relative Leichtigkeit, den hohen Dampfdruck bei sehr niedrigen Temperaturen und seine chemische Trägheit zurückzuführen, alles Eigenschaften, die verhindern, dass es in den kondensierenden Gas- und Staubwolken eingeschlossen wird, die die kleineren und wärmeren festen Planeten wie die Erde bildeten.

Neon ist einatomig und damit leichter als die Moleküle von zweiatomigem Stickstoff und Sauerstoff, die den Großteil der Erdatmosphäre bilden; ein mit Neon gefüllter Ballon steigt in Luft auf, wenn auch langsamer als ein Heliumballon.

Die Häufigkeit von Neon im Universum beträgt etwa 1 zu 750; in der Sonne und vermutlich im Nebel des protosolaren Systems etwa 1 zu 600. Die atmosphärische Eintrittssonde der Galileo-Raumsonde fand heraus, dass selbst in der oberen Jupiter-Atmosphäre die Häufigkeit von Neon um etwa den Faktor 10 reduziert (abgereichert) ist, und zwar auf einen Massenanteil von 1 zu 6000. Dies könnte darauf hindeuten, dass sogar die Eisplanetesimale, die Neon aus dem äußeren Sonnensystem in den Jupiter brachten, sich in einer Region bildeten, die zu warm war, um die neonhaltige atmosphärische Komponente zurückzuhalten (die Mengen an schwereren Edelgasen auf dem Jupiter sind um ein Mehrfaches höher als in der Sonne).

Neon besteht aus 1 Teil von 55.000 in der Erdatmosphäre, d.h. 18,2 ppm Volumenanteil (dies entspricht etwa dem Molekül- oder Molanteil), oder 1 Teil von 79.000 der Luftmasse. Es enthält einen kleineren Anteil in der Erdkruste. Er wird industriell durch kryogene fraktionierte Destillation von verflüssigter Luft hergestellt.

Am 17. August 2015 berichteten Wissenschaftler der NASA auf der Grundlage von Studien mit dem Raumfahrzeug LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) über den Nachweis von Neon in der Exosphäre des Mondes.

Produktion

Neon kann als Nebenprodukt der Luftzerlegung nach dem Linde-Verfahren gewonnen werden. Nach der Trennung von Wasser, Kohlendioxid, Sauerstoff, den bei höheren Temperaturen siedenden Edelgasen und dem überwiegenden Teil des Stickstoffs verbleibt ein Gasgemisch, das zu 35 % aus Neon, Helium, Wasserstoff und etwa 50 % Stickstoff (jeweils in molaren Anteilen) besteht. Dieses lässt sich auf verschiedene Weise trennen, so dass am Ende die reinen Gase Neon und Helium erhalten werden. Eine Möglichkeit ist die Trennung der Gase durch Kondensation bei unterschiedlichen Siedepunkten und durch Nutzung des Joule-Thomson-Effekts. Nach der Abtrennung des Wasserstoffs durch katalytische Reaktion mit zugefügtem Sauerstoff und Entfernung des Wassers wird der Stickstoff zunächst bei 30 bar und 66 K verflüssigt und anschließend abgetrennt. Nach Entfernung des restlichen Stickstoffs durch Adsorption an Kieselgel verbleibt ein Gasgemisch aus etwa 76 % Neon und 24 % Helium. Dieses wird zunächst bei Raumtemperatur auf 180 bar komprimiert und stufenweise auf 50 K abgekühlt. Während der Expansion auf 25 bar und dann auf 1,5 bar kondensiert das Neon, während Helium gasförmig bleibt. Anschließend erfolgt eine Feinabscheidung durch Rektifikation.

Eine Alternative ist die Adsorption. Dazu wird das Neon nach Abtrennung des Stickstoffs bei 5 bar und 67 K auf einem Trägermaterial adsorbiert. Dieses Material gibt das Neon bei 3 bar ab, so dass es vom Helium abgetrennt werden kann. Um eine höhere Reinheit zu erreichen, wird das Neon zweimal hintereinander adsorbiert.

Wirtschaftliche Nutzung

Neon wird häufig in Schildern verwendet und erzeugt ein unverwechselbares helles rötlich-oranges Licht. Obwohl Röhrenleuchten mit anderen Farben oft als “Neon” bezeichnet werden, verwenden sie andere Edelgase oder verschiedene Farben von Leuchtstofflampen.

Neon wird in Vakuumröhren, Hochspannungsanzeigern, Blitzableitern, Wellenmesserröhren, Fernsehröhren und Helium-Neon-Lasern verwendet. Verflüssigtes Neon wird kommerziell als kryogenes Kältemittel in Anwendungen verwendet, die nicht den niedrigeren Temperaturbereich erfordern, der mit der extremeren Flüssig-Helium-Kühlung erreichbar ist.

Neon, als Flüssigkeit oder Gas, ist relativ teuer - für kleine Mengen kann der Preis von flüssigem Neon mehr als das 55-fache des Preises von flüssigem Helium betragen. Der treibende Faktor für die Kosten von Neon ist die Seltenheit von Neon, das im Gegensatz zu Helium nur aus Luft gewonnen werden kann.

Die Tripelpunkttemperatur von Neon (24,5561 K) ist ein definierender Fixpunkt in der Internationalen Temperaturskala von 1990.

Biologie

Wie die anderen Edelgase hat Neon aufgrund seiner Trägheit keine biologische Bedeutung und ist auch nicht toxisch. In höheren Konzentrationen wirkt es erstickend, indem es Sauerstoff verdrängt. Bei Drücken von mehr als 110 bar wirkt es narkotisierend.