Néon

Le néon est un élément chimique portant le symbole Ne et le numéro atomique 10. C’est un gaz noble. Le néon est un gaz incolore, inodore, inerte et monatomique dans des conditions normales, avec une densité d’environ deux tiers de celle de l’air. Il a été découvert (avec le krypton et le xénon) en 1898 comme l’un des trois rares éléments inertes résiduels restant dans l’air sec, après élimination de l’azote, de l’oxygène, de l’argon et du dioxyde de carbone. Le néon a été le deuxième de ces trois gaz rares à être découvert et a été immédiatement reconnu comme un nouvel élément de son spectre d'émission rouge vif. Le nom néon est dérivé du mot grec νέον, forme neutre singulière de νέος (neos), qui signifie nouveau. Le néon est chimiquement inerte, et aucun composé néon non chargé n’est connu. Les composés du néon actuellement connus comprennent des molécules ioniques, des molécules maintenues ensemble par les forces de van der Waals et des clathrates.

Au cours de la nucléogenèse cosmique des éléments, de grandes quantités de néon sont accumulées par le processus de fusion par capture alpha dans les étoiles. Bien que le néon soit un élément très commun dans l’univers et le système solaire (il est le cinquième en abondance cosmique après l’hydrogène, l’hélium, l’oxygène et le carbone), il est rare sur Terre. Il compose environ 18,2 ppm d’air en volume (c’est à peu près la même chose que la fraction moléculaire ou molaire) et une fraction plus petite dans la croûte terrestre. La raison de la rareté relative du néon sur la Terre et les planètes intérieures (terrestres) est que le néon est très volatil et ne forme aucun composé pour le fixer aux solides. Par conséquent, il s’est échappé des planétésimaux sous la chaleur du Soleil nouvellement allumé au début du système solaire. Même l’atmosphère extérieure de Jupiter est quelque peu appauvrie en néon, mais pour une raison différente.

Le néon donne une lueur rouge-orange distincte lorsqu’il est utilisé dans des lampes à incandescence au néon à basse tension, des tubes à décharge à haute tension et des enseignes publicitaires au néon. La ligne d'émission rouge du néon provoque également la lumière rouge bien connue des lasers hélium-néon. Le néon est utilisé dans certaines applications de tubes à plasma et de réfrigérants, mais a peu d’autres utilisations commerciales. Il est extrait commercialement par la distillation fractionnée de l’air liquide. Comme l’air est la seule source, il est considérablement plus cher que l’hélium.

Historique

Le néon a été découvert en 1898 par les chimistes britanniques Sir William Ramsay (1852-1916) et Morris W. Travers (1872-1961) à Londres. Le néon a été découvert lorsque Ramsay a refroidi un échantillon d’air jusqu'à ce qu’il devienne liquide, puis a réchauffé le liquide et a capté les gaz en les faisant bouillir. Les gaz azote, oxygène et argon avaient été identifiés, mais les gaz restants ont été isolés à peu près dans leur ordre d’abondance, sur une période de six semaines à partir de la fin mai 1898. Le krypton a été le premier à être identifié. Le suivant, après que le krypton ait été retiré, était un gaz qui donnait une lumière rouge brillante sous décharge spectroscopique. Ce gaz, identifié en juin, a été nommé “néon”, l’analogue grec du latin novum (“nouveau”) suggéré par le fils de Ramsay. La couleur rouge-orange brillante caractéristique émise par le néon gazeux lorsqu’il est excité électriquement a été immédiatement notée. Travers écrivit plus tard : “le flamboiement de la lumière cramoisie du tube racontait sa propre histoire et était un spectacle sur lequel il fallait s’attarder et ne jamais oublier”.

Un second gaz a également été signalé en même temps que le néon, ayant approximativement la même densité que l’argon mais avec un spectre différent - Ramsay et Travers l’ont appelé métargon. Cependant, une analyse spectroscopique ultérieure a révélé qu’il s’agissait d’argon contaminé par du monoxyde de carbone. Finalement, la même équipe a découvert le xénon par le même procédé, en septembre 1898.

La rareté du néon a empêché son application rapide pour l'éclairage sur le modèle des tubes de Moore, qui utilisaient l’azote et qui ont été commercialisés au début des années 1900. Après 1902, la société Air Liquide de Georges Claude a produit des quantités industrielles de néon comme sous-produit de son activité de liquéfaction de l’air. En décembre 1910, Claude a fait la démonstration d’un éclairage au néon moderne basé sur un tube de néon scellé. Claude a brièvement essayé de vendre des tubes au néon pour l'éclairage domestique intérieur, en raison de leur intensité, mais le marché a échoué parce que les propriétaires s’opposaient à la couleur. En 1912, l’associé de Claude a commencé à vendre des tubes à décharge au néon comme signes publicitaires accrocheurs et a connu un succès immédiat. Les tubes au néon ont été introduits aux États-Unis en 1923 avec deux grandes enseignes au néon achetées par un concessionnaire automobile Packard de Los Angeles. La lueur et la couleur rouge saisissante ont rendu la publicité au néon complètement différente de celle de la concurrence. La couleur intense et la vivacité du néon correspondaient à la société américaine de l'époque, suggérant un “siècle de progrès” et transformant les villes en de nouveaux environnements sensationnels remplis de publicités rayonnantes et d’“architecture électrographique”.

Le néon a joué un rôle dans la compréhension de base de la nature des atomes en 1913, lorsque J. J. Thomson, dans le cadre de son exploration de la composition des rayons des canaux, a canalisé des flux d’ions de néon à travers un champ magnétique et un champ électrique et a mesuré la déviation des flux avec une plaque photographique. Thomson a observé deux taches de lumière distinctes sur la plaque photographique (voir image), ce qui a suggéré deux paraboles de déviation différentes. Thomson a finalement conclu que certains des atomes du gaz néon avaient une masse plus élevée que le reste. Bien que Thomson ne l’ait pas compris à l'époque, c’est la première découverte d’isotopes d’atomes stables. L’appareil de Thomson était une version rudimentaire de l’instrument que nous appelons aujourd’hui un spectromètre de masse.

Présence naturelle

Les isotopes stables du néon sont produits dans les étoiles. L’isotope le plus abondant du néon, 20Ne (90,48%), est créé par la fusion nucléaire du carbone et du carbone dans le processus de combustion du carbone de la nucléosynthèse stellaire. Ce processus nécessite des températures supérieures à 500 mégakelvins, qui se produisent dans les noyaux des étoiles de plus de 8 masses solaires.

Le néon est abondant à l'échelle universelle ; il est le cinquième élément chimique le plus abondant dans l’univers en termes de masse, après l’hydrogène, l’hélium, l’oxygène et le carbone (voir élément chimique). Sa rareté relative sur Terre, comme celle de l’hélium, est due à sa légèreté relative, à sa pression de vapeur élevée à très basse température et à son inertie chimique, toutes propriétés qui tendent à l’empêcher d'être piégé dans les nuages de gaz et de poussière qui se condensent et qui ont formé les planètes solides plus petites et plus chaudes comme la Terre.

Le néon est monatomique, ce qui le rend plus léger que les molécules d’azote et d’oxygène diatomiques qui forment la majeure partie de l’atmosphère terrestre ; un ballon rempli de néon s'élèvera dans l’air, bien que plus lentement qu’un ballon d’hélium.

L’abondance du néon dans l’univers est d’environ 1 partie sur 750 ; dans le Soleil et probablement dans la nébuleuse du système proto-solaire, environ 1 partie sur 600. La sonde d’entrée dans l’atmosphère du vaisseau spatial Galileo a découvert que même dans la haute atmosphère de Jupiter, l’abondance du néon est réduite (épuisée) d’un facteur de 10 environ, à un niveau de 1 partie sur 6 000 en masse. Cela peut indiquer que même les planétésimaux de glace qui ont apporté le néon sur Jupiter depuis le système solaire extérieur, se sont formés dans une région trop chaude pour retenir la composante atmosphérique du néon (les abondances de gaz inertes plus lourds sur Jupiter sont plusieurs fois supérieures à celles que l’on trouve dans le Soleil).

Le néon représente 1 partie sur 55 000 dans l’atmosphère terrestre, soit 18,2 ppm en volume (c’est à peu près la même chose que la molécule ou la fraction molaire), ou 1 partie sur 79 000 de l’air en masse. Il comprend une plus petite fraction dans la croûte. Il est produit industriellement par distillation fractionnée cryogénique de l’air liquéfié.

Le 17 août 2015, sur la base d'études réalisées avec le vaisseau spatial LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), les scientifiques de la NASA ont signalé la détection de néons dans l’exosphère de la Lune.

Production

Le néon peut être obtenu comme sous-produit de la séparation de l’air grâce au procédé Linde. Après séparation de l’eau, du dioxyde de carbone, de l’oxygène, des gaz rares bouillant à haute température et de la majeure partie de l’azote, il reste un mélange gazeux qui se compose de 35 % de néon, d’hélium, d’hydrogène et d’environ 50 % d’azote (dans chaque cas en proportions molaires). Ce mélange peut être séparé de différentes manières, de sorte qu’on obtient finalement les gaz purs que sont le néon et l’hélium. Une possibilité est de séparer les gaz par condensation à différents points d'ébullition et en utilisant l’effet Joule-Thomson. Après la séparation de l’hydrogène par réaction catalytique avec de l’oxygène ajouté et l'élimination de l’eau, l’azote est d’abord liquéfié à 30 bar et 66 K, puis séparé. Après élimination de l’azote restant par adsorption sur gel de silice, il reste un mélange gazeux d’environ 76 % de néon et 24 % d’hélium. Celui-ci est d’abord comprimé à 180 bar à température ambiante et refroidi par étapes jusqu'à 50 K. Lors de l’expansion à 25 bar puis à 1,5 bar, le néon se condense tandis que l’hélium reste gazeux. Une séparation fine est ensuite effectuée par rectification.

Une alternative est l’adsorption. Pour cela, le néon est adsorbé sur un matériau support à 5 bar et 67 K après séparation de l’azote. Ce matériau libère le néon à 3 bars, de sorte qu’il peut être séparé de l’hélium. Pour obtenir une plus grande pureté, le néon est adsorbé deux fois de suite.

Utilisation économique

Le néon est souvent utilisé dans les enseignes et produit une lumière rouge-orange brillante caractéristique. Bien que les tubes lumineux d’autres couleurs soient souvent appelés “néons”, ils utilisent différents gaz nobles ou des couleurs variées d'éclairage fluorescent.

Le néon est utilisé dans les tubes à vide, les indicateurs à haute tension, les parafoudres, les tubes de mesure des ondes, les tubes de télévision et les lasers hélium-néon. Le néon liquéfié est utilisé commercialement comme réfrigérant cryogénique dans des applications ne nécessitant pas la plage de température la plus basse que l’on peut atteindre avec une réfrigération à l’hélium liquide plus extrême.

Le néon, sous forme liquide ou gazeuse, est relativement cher - pour de petites quantités, le prix du néon liquide peut être plus de 55 fois supérieur à celui de l’hélium liquide. La rareté du néon, qui, contrairement à l’hélium, ne peut être obtenu qu'à partir de l’air, est à l’origine de son coût.

La température du point triple du néon (24,5561 K) est un point fixe déterminant dans l'Échelle internationale de température de 1990.

Biologie

Comme les autres gaz nobles, le néon n’a pas de signification biologique en raison de son inertie et n’est pas non plus toxique. A des concentrations plus élevées, il a un effet suffocant en déplaçant l’oxygène. A des pressions supérieures à 110 bar, il a un effet narcotique.