Neon

Il neon è un elemento chimico con il simbolo Ne e il numero atomico 10. È un gas nobile. Il neon è un gas monatomico incolore, inodore, inerte, in condizioni standard, con circa due terzi della densità dell’aria. Fu scoperto (insieme a krypton e xenon) nel 1898 come uno dei tre rari elementi inerti residui che rimangono nell’aria secca, dopo la rimozione di azoto, ossigeno, argon e anidride carbonica. Il neon è stato il secondo di questi tre gas rari ad essere scoperto ed è stato immediatamente riconosciuto come un nuovo elemento dal suo spettro di emissione rosso vivo. Il nome neon deriva dalla parola greca νέον, forma neutra singolare di νέος (neos), che significa nuovo. Il neon è chimicamente inerte, e non sono noti composti di neon non caricati. I composti del neon attualmente conosciuti includono molecole ioniche, molecole tenute insieme dalle forze di van der Waals e clatrati.

Durante la nucleogenesi cosmica degli elementi, grandi quantità di neon sono accumulati dal processo di fusione alfa-cattura nelle stelle. Sebbene il neon sia un elemento molto comune nell’universo e nel sistema solare (è il quinto in abbondanza cosmica dopo idrogeno, elio, ossigeno e carbonio), è raro sulla Terra. Comprende circa 18,2 ppm di aria in volume (è all’incirca lo stesso della frazione molecolare o della frazione molare) e una frazione più piccola nella crosta terrestre. La ragione della relativa scarsità del neon sulla Terra e sui pianeti interni (terrestri) è che il neon è altamente volatile e non forma composti che lo fissino ai solidi. Di conseguenza, è fuggito dai planetesimi sotto il calore del Sole appena acceso nel primo Sistema Solare. Anche l’atmosfera esterna di Giove è in qualche modo impoverita di neon, anche se per un motivo diverso.

Il neon dà un chiaro bagliore rossastro-arancio quando viene usato nelle lampade al neon a bassa tensione, nei tubi a scarica ad alta tensione e nelle insegne pubblicitarie al neon. La linea di emissione rossa del neon provoca anche la ben nota luce rossa dei laser ad elio-neon. Il neon è usato in alcune applicazioni di tubi al plasma e refrigeranti, ma ha pochi altri usi commerciali. Viene estratto commercialmente dalla distillazione frazionata dell’aria liquida. Poiché l’aria è l’unica fonte, è considerevolmente più costosa dell’elio.

Storia

Il neon fu scoperto nel 1898 dai chimici inglesi Sir William Ramsay (1852-1916) e Morris W. Travers (1872-1961) a Londra. Il neon fu scoperto quando Ramsay raffreddò un campione d’aria fino a quando non divenne un liquido, poi riscaldava il liquido e catturava i gas mentre bollivano. I gas azoto, ossigeno e argon erano stati identificati, ma i gas rimanenti furono isolati nel loro ordine di abbondanza, in un periodo di sei settimane a partire dalla fine di maggio 1898. Il primo ad essere identificato fu il krypton. Il successivo, dopo che il krypton era stato rimosso, fu un gas che dava una luce rossa brillante sotto scarica spettroscopica. Questo gas, identificato in giugno, fu chiamato “neon”, l’analogo greco del latino novum (“nuovo”) suggerito dal figlio di Ramsay. Il caratteristico colore rosso-arancio brillante emesso dal neon gassoso quando eccitato elettricamente è stato immediatamente notato. Travers più tardi scrisse: “la fiammata di luce cremisi proveniente dal tubo raccontava la sua storia ed era uno spettacolo su cui soffermarsi e non dimenticare mai”.

Un secondo gas fu anche riportato insieme al neon, che aveva all’incirca la stessa densità dell’argon ma con uno spettro diverso - Ramsay e Travers lo chiamarono metargon. Tuttavia, le successive analisi spettroscopiche hanno rivelato che si trattava di argon contaminato da monossido di carbonio. Infine, la stessa squadra ha scoperto lo xeno con lo stesso processo, nel settembre 1898.

La scarsità del neon ne precludeva la rapida applicazione per l’illuminazione lungo le linee dei tubi Moore, che utilizzavano l’azoto e che furono commercializzati all’inizio del 1900. Dopo il 1902, la società Air Liquide di Georges Claude produsse quantità industriali di neon come sottoprodotto della sua attività di purificazione dell’aria. Nel dicembre 1910 Claude dimostrò un’illuminazione moderna al neon basata su un tubo di neon sigillato. Claude cercò brevemente di vendere tubi al neon per l’illuminazione domestica interna, a causa della loro intensità, ma il mercato fallì perché i proprietari di case si opposero al colore. Nel 1912, il socio di Claude iniziò a vendere tubi a scarica di neon come accattivanti insegne pubblicitarie ed ebbe immediatamente più successo. I tubi al neon furono introdotti negli Stati Uniti nel 1923 con due grandi insegne al neon acquistate da una concessionaria di auto di Los Angeles Packard. Il colore rosso brillante e accattivante rendeva la pubblicità al neon completamente diversa da quella della concorrenza. Il colore intenso e la vivacità del neon equivaleva alla società americana dell’epoca, suggerendo un “secolo di progresso” e trasformando le città in nuovi ambienti sensazionali, pieni di pubblicità irradianti e di “architettura elettrografica”.

Il neon ha avuto un ruolo nella comprensione di base della natura degli atomi nel 1913, quando J. J. Thomson, nell’ambito della sua esplorazione della composizione dei raggi del canale, incanalò flussi di ioni neon attraverso un campo magnetico e uno elettrico e misurò la deflessione dei flussi con una lastra fotografica. Thomson osservò due distinte macchie di luce sulla lastra fotografica (vedi immagine), che suggerivano due diverse parabole di deflessione. Alla fine Thomson concluse che alcuni degli atomi nel gas neon erano di massa più elevata rispetto al resto. Anche se all’epoca non fu compreso da Thomson, questa fu la prima scoperta di isotopi di atomi stabili. Il dispositivo di Thomson era una versione grezza dello strumento che oggi chiamiamo spettrometro di massa.

Occorrenza naturale

Isotopi stabili di neon sono prodotti in stelle. L’isotopo 20Ne più abbondante del neon (90,48%) è creato dalla fusione nucleare di carbonio e carbonio nel processo di carbonizzazione della nucleosintesi stellare. Ciò richiede temperature superiori a 500 megakelvin, che si verificano nei nuclei delle stelle di oltre 8 masse solari.

Il neon è abbondante su scala universale; è il quinto elemento chimico più abbondante dell’universo per massa, dopo l’idrogeno, l’elio, l’ossigeno e il carbonio (vedi elemento chimico). La sua relativa rarità sulla Terra, come quella dell’elio, è dovuta alla sua relativa leggerezza, all’alta pressione di vapore a temperature molto basse e all’inerzia chimica, tutte proprietà che tendono ad impedirgli di rimanere intrappolato nelle nubi di gas e polveri condensanti che formavano i pianeti solidi più piccoli e più caldi come la Terra.

Il neon è monatomico, il che lo rende più leggero delle molecole di azoto e ossigeno diatomico che formano la maggior parte dell’atmosfera terrestre; un pallone riempito di neon salirà in aria, anche se più lentamente di un pallone ad elio.

L’abbondanza del neon nell’universo è di circa 1 parte su 750; nel Sole e presumibilmente nella nebulosa del sistema proto-solare, circa 1 parte su 600. La sonda di ingresso nell’atmosfera della navicella spaziale Galileo ha scoperto che anche nell’atmosfera superiore di Giove l’abbondanza di neon è ridotta (impoverita) di circa un fattore 10, ad un livello di 1 parte su 6.000 per massa. Questo può indicare che anche i pianeti-ghiaccio che hanno portato il neon in Giove dal sistema solare esterno, si sono formati in una regione troppo calda per trattenere la componente atmosferica del neon (le abbondanze di gas inerti più pesanti su Giove sono diverse volte quelle che si trovano nel Sole).

Il neon comprende 1 parte su 55.000 nell’atmosfera terrestre, o 18,2 ppm in volume (è circa lo stesso della molecola o frazione di mole), o 1 parte su 79.000 di aria in massa. Comprende una frazione più piccola nella crosta. È prodotta industrialmente dalla distillazione criogenica frazionata dell’aria liquefatta.

Il 17 agosto 2015, sulla base di studi con la navicella spaziale LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), gli scienziati della NASA hanno riportato il rilevamento del neon nell’esosfera lunare.

Produzione

Il neon può essere ottenuto come sottoprodotto della separazione dell’aria utilizzando il processo Linde. Dopo la separazione di acqua, anidride carbonica, ossigeno, i gas nobili che bollono a temperature più elevate e la maggior parte dell’azoto, rimane una miscela di gas che consiste per il 35 % di neon, elio, idrogeno e circa il 50 % di azoto (in ogni caso in proporzioni molari). Questo può essere separato in modi diversi, in modo che alla fine si ottengono i gas puri neon ed elio. Una possibilità è quella di separare i gas per condensazione in diversi punti di ebollizione e utilizzando l’effetto Joule-Thomson. Dopo la separazione dell’idrogeno tramite reazione catalitica con aggiunta di ossigeno e rimozione dell’acqua, l’azoto viene prima liquefatto a 30 bar e 66 K e poi separato. Dopo la rimozione dell’azoto rimanente mediante adsorbimento su gel di silice, rimane una miscela di gas di circa il 76 % di neon e il 24 % di elio. Questa viene prima compressa a 180 bar a temperatura ambiente e raffreddata gradualmente a 50 K. Durante l’espansione a 25 bar e poi a 1,5 bar, il neon si condensa mentre l’elio rimane gassoso. Una separazione fine viene poi effettuata per rettifica.

Un’alternativa è l’adsorbimento. A questo scopo, il neon viene adsorbito su un materiale vettore a 5 bar e 67 K dopo la separazione dell’azoto. Questo materiale rilascia il neon a 3 bar, in modo che possa essere separato dall’elio. Per ottenere una purezza più elevata, il neon viene adsorbito due volte di seguito.

Uso economico

Il neon è spesso utilizzato nelle insegne e produce un’inconfondibile e brillante luce rossiccia-arancione. Anche se le luci tubolari con altri colori sono spesso chiamate “neon”, utilizzano diversi gas nobili o vari colori di illuminazione fluorescente.

Il neon è usato nei tubi a vuoto, negli indicatori ad alta tensione, nei parafulmini, nei tubi per la misurazione delle onde, nei tubi per la televisione e nei laser ad elio-neon. Il neon liquefatto è usato commercialmente come refrigerante criogenico in applicazioni che non richiedono il più basso intervallo di temperatura raggiungibile con la refrigerazione di elio liquido più estrema.

Il neon, come liquido o gas, è relativamente costoso - per piccole quantità, il prezzo del neon liquido può essere più di 55 volte quello dell’elio liquido. La spesa del neon è la rarità del neon, che, a differenza dell’elio, può essere ottenuto solo dall’aria.

La temperatura a triplo punto del neon (24,5561 K) è un punto fisso nella Scala Internazionale di Temperatura del 1990.

Biologia

Come gli altri gas nobili, il neon non ha alcun significato biologico a causa della sua inerzia e non è nemmeno tossico. In concentrazioni più elevate ha un effetto soffocante per effetto del dislocamento dell’ossigeno. A pressioni superiori a 110 bar ha un effetto narcotico.