Neon

Neon is een chemisch element met het symbool Ne en atoomnummer 10. Het is een edelgas. Neon is een kleurloos, reukloos, inert monatomair gas onder standaardomstandigheden, met ongeveer tweederde van de dichtheid van de lucht. Het werd ontdekt (samen met krypton en xenon) in 1898 als een van de drie overgebleven zeldzame inerte elementen in de droge lucht, nadat stikstof, zuurstof, argon en kooldioxide waren verwijderd. Neon was het tweede van deze drie zeldzame gassen dat werd ontdekt en werd onmiddellijk herkend als een nieuw element uit het felrode emissiespectrum. De naam neon is afgeleid van het Griekse woord, νέον, neutrale enkelvoudige vorm van νέος (neos), wat nieuw betekent. Neon is chemisch inert en er zijn geen ongeladen neonverbindingen bekend. De momenteel bekende verbindingen van neon omvatten ionische moleculen, moleculen die door van der Waals krachten bij elkaar worden gehouden en clathraten.

Tijdens de kosmische nucleogenese van de elementen worden grote hoeveelheden neon opgebouwd uit het alfa-vangst fusieproces in sterren. Hoewel neon een veel voorkomend element is in het heelal en het zonnestelsel (het staat op de vijfde plaats in de kosmische overvloed na waterstof, helium, zuurstof en koolstof), is het op aarde zeldzaam. Het bestaat uit ongeveer 18,2 ppm lucht (dit is ongeveer hetzelfde als de moleculaire fractie of de molfractie) en een kleinere fractie in de aardkorst. De reden voor de relatieve schaarste van neon op Aarde en de binnenste (aardse) planeten is dat neon zeer vluchtig is en geen verbindingen vormt om het aan vaste stoffen te binden. Als gevolg daarvan ontsnapte het uit de planetesimalen onder de warmte van de pas ontstoken Zon in het vroege Zonnestelsel. Zelfs de buitenste atmosfeer van Jupiter is enigszins uitgeput van neon, hoewel om een andere reden.

Neon geeft een duidelijke rood-oranje gloed bij gebruik in laagspanningsneongloeilampen, hoogspanningsontladingsbuizen en neonreclameborden. De rode emissielijn van neon veroorzaakt ook het bekende rode licht van helium-neon lasers. Neon wordt gebruikt in sommige plasmabuis- en koelmiddeltoepassingen, maar heeft weinig andere commerciële toepassingen. Het wordt commercieel geëxtraheerd door de gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht. Aangezien lucht de enige bron is, is het aanzienlijk duurder dan helium.

Geschiedenis

Neon werd in 1898 ontdekt door de Britse chemici Sir William Ramsay (1852-1916) en Morris W. Travers (1872-1961) in Londen. Neon werd ontdekt toen Ramsay een luchtmonster afkoelde tot het een vloeistof werd, vervolgens de vloeistof opwarmde en de gassen opving terwijl ze kookten. De gassen stikstof, zuurstof en argon waren geïdentificeerd, maar de resterende gassen werden geïsoleerd in ongeveer hun volgorde van overvloed, in een periode van zes weken die begon aan het einde van mei 1898. Als eerste werd krypton geïdentificeerd. Het volgende, nadat krypton was verwijderd, was een gas dat een briljant rood licht gaf onder spectroscopische ontlading. Dit gas, dat in juni werd geïdentificeerd, werd “neon” genoemd, het Griekse analoog van het Latijnse novum (“nieuw”) dat door de zoon van Ramsay werd voorgesteld. De kenmerkende briljante rood-oranje kleur die door gasvormig neon wordt uitgestraald wanneer het elektrisch wordt opgewekt, werd onmiddellijk opgemerkt. Travers schreef later: “het vuur van het karmijnrode licht uit de buis vertelde zijn eigen verhaal en was een schouwspel om bij stil te staan en nooit te vergeten”.

Een tweede gas werd ook gemeld samen met neon, met ongeveer dezelfde dichtheid als argon, maar met een ander spectrum - Ramsay en Travers noemden het metargon. Echter, latere spectroscopische analyse toonde aan dat het argon verontreinigd was met koolmonoxide. Uiteindelijk ontdekte hetzelfde team xenon door hetzelfde proces, in september 1898.

De schaarste van Neon verhinderde de snelle toepassing ervan voor de verlichting naar het voorbeeld van de Moore buizen, die stikstof gebruikten en die in het begin van de jaren 1900 werden gecommercialiseerd. Na 1902 produceerde Georges Claude’s bedrijf Air Liquide industriële hoeveelheden neon als bijproduct van zijn lucht-liquefactie. In december 1910 demonstreerde Claude moderne neonverlichting op basis van een verzegelde neonbuis. Claude probeerde kortstondig neonbuizen voor binnenhuisverlichting te verkopen, vanwege de intensiteit ervan, maar de markt faalde omdat huiseigenaren bezwaar maakten tegen de kleur. In 1912 begon Claude’s partner met de verkoop van neononontladingsbuizen als opvallende reclameborden en was meteen succesvoller. Neonbuizen werden in 1923 in de VS geïntroduceerd met twee grote neonborden die werden gekocht door een autohandelaar uit Los Angeles Packard. Door de gloed en de opvallende rode kleur werd de neonreclame compleet anders dan die van de concurrentie. De intense kleur en levendigheid van neon werd gelijkgesteld met de Amerikaanse maatschappij in die tijd, wat een “eeuw van vooruitgang” suggereert en steden transformeert in sensationele nieuwe omgevingen vol met uitstralende advertenties en “elektrografische architectuur”.

Neon speelde een rol in het basisbegrip van de aard van de atomen in 1913, toen J. J. Thomson, als onderdeel van zijn onderzoek naar de samenstelling van kanaalstralen, stromen van neon-ionen door een magnetisch en een elektrisch veld leidde en de doorbuiging van de stromen met een fotografische plaat mat. Thomson observeerde twee afzonderlijke lichtvlekken op de fotografische plaat (zie afbeelding), die twee verschillende parabolen van doorbuiging suggereerden. Thomson concludeerde uiteindelijk dat sommige van de atomen in het neongas een hogere massa hadden dan de rest. Hoewel dit destijds niet door Thomson werd begrepen, was dit de eerste ontdekking van isotopen van stabiele atomen. Het apparaat van Thomson was een ruwe versie van het instrument dat we nu een massaspectrometer noemen.

Natuurlijk voorkomen

Stabiele isotopen van neon worden geproduceerd in sterren. Neon’s meest voorkomende isotoop 20Ne (90,48%) ontstaat door de kernfusie van koolstof en koolstof in het koolstofverbrandingsproces van de stellaire nucleosynthese. Hiervoor zijn temperaturen van meer dan 500 megakelvins nodig, die voorkomen in de kernen van sterren van meer dan 8 zonnemassa’s.

Neon is overvloedig aanwezig op universele schaal; het is het vijfde meest voorkomende chemische element in het heelal in massa, na waterstof, helium, zuurstof en koolstof (zie chemisch element). Zijn relatieve zeldzaamheid op Aarde, zoals die van helium, is te wijten aan zijn relatieve lichtheid, hoge dampdruk bij zeer lage temperaturen, en chemische inertie, allemaal eigenschappen die ervoor zorgen dat het niet gevangen zit in de condenserende gas- en stofwolken die de kleinere en warmere vaste planeten zoals de Aarde vormden.

Neon is monatomair, waardoor het lichter is dan de moleculen van diatomeeënaarde stikstof en zuurstof die het grootste deel van de atmosfeer van de Aarde vormen; een ballon gevuld met neon zal in de lucht stijgen, zij het langzamer dan een heliumballon.

De overvloed van neon in het heelal is ongeveer 1 op 750; in de Zon en vermoedelijk in de nevel van het proto-zonnestelsel, ongeveer 1 op 600. De atmosferische ingangssonde van het Galileo ruimtevaartuig vond dat zelfs in de bovenste atmosfeer van Jupiter de overvloed aan neon met ongeveer een factor 10 is afgenomen (uitgeput), tot een niveau van 1 deel op 6.000 door de massa. Dit kan erop wijzen dat zelfs de ijsplaten die neon uit het buitenste zonnestelsel in Jupiter brachten, gevormd zijn in een gebied dat te warm was om de atmosferische component van het neon vast te houden (de overvloed aan zwaardere inerte gassen op Jupiter is een aantal keren zo groot als in de Zon).

Neon bestaat uit 1 deel in 55.000 in de atmosfeer van de Aarde, of 18,2 ppm in volume (dit is ongeveer hetzelfde als de molecule of de molfractie), of 1 deel in 79.000 van de lucht in massa. Het bestaat uit een kleinere fractie in de korst. Het wordt industrieel geproduceerd door cryogene gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht.

Op 17 augustus 2015, op basis van studies met de Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) ruimtevaartuig, meldden NASA-wetenschappers de detectie van neon in de exosfeer van de maan.

Productie

Neon kan worden verkregen als bijproduct van luchtscheiding met behulp van het Linde-proces. Na scheiding van water, kooldioxide, zuurstof, de edelgassen die bij hogere temperaturen koken en het merendeel van de stikstof blijft een gasmengsel over dat bestaat uit 35 % neon, helium, waterstof en ongeveer 50 % stikstof (in beide gevallen in molaire verhoudingen). Dit kan op verschillende manieren worden gescheiden, zodat uiteindelijk de zuivere gassen neon en helium worden verkregen. Een mogelijkheid is om de gassen te scheiden door condensatie op verschillende kookpunten en door gebruik te maken van het Joule-Thomson effect. Na scheiding van de waterstof via een katalytische reactie met toegevoegde zuurstof en verwijdering van het water wordt de stikstof eerst vloeibaar gemaakt bij 30 bar en 66 K en vervolgens gescheiden. Na verwijdering van de resterende stikstof door adsorptie op silicagel blijft een gasmengsel van ongeveer 76 % neon en 24 % helium over. Dit wordt eerst samengeperst tot 180 bar bij kamertemperatuur en stapsgewijs afgekoeld tot 50 K. Tijdens de expansie tot 25 bar en vervolgens tot 1,5 bar condenseert het neon terwijl het helium gasvormig blijft. Vervolgens wordt een fijne scheiding uitgevoerd door middel van rectificatie.

Een alternatief is adsorptie. Hiervoor wordt het neon geadsorbeerd op een dragermateriaal bij 5 bar en 67 K na afscheiding van de stikstof. Dit materiaal geeft het neon vrij bij 3 bar, zodat het van het helium kan worden gescheiden. Om een hogere zuiverheid te bereiken wordt het neon twee keer achter elkaar geadsorbeerd.

Economisch gebruik

Neon wordt vaak gebruikt in borden en produceert een onmiskenbaar helder rood-oranje licht. Hoewel buislampen met andere kleuren vaak “neon” worden genoemd, gebruiken ze verschillende edelgassen of verschillende kleuren fluorescerende verlichting.

Neon wordt gebruikt in vacuümbuizen, hoogspanningsindicatoren, bliksemafleiders, golfbuizen, televisiebuizen en helium-neon-lasers. Vloeibaar neon wordt commercieel gebruikt als cryogeen koelmiddel in toepassingen die niet het lagere temperatuurbereik vereisen dat haalbaar is met meer extreme vloeibaar-heliumkoeling.

Neon, als vloeistof of gas, is relatief duur - voor kleine hoeveelheden kan de prijs van vloeibaar neon meer dan 55 keer die van vloeibaar helium zijn. De prijs van neon is de zeldzaamheid van neon, dat, in tegenstelling tot helium, alleen uit lucht kan worden verkregen.

De drievoudige punttemperatuur van neon (24,5561 K) is een bepalend vast punt in de Internationale Temperatuurschaal van 1990.

Biologie

Net als de andere edelgassen heeft neon geen biologische betekenis door zijn traagheid en is het ook niet giftig. In hogere concentraties heeft het een verstikkend effect door het verplaatsen van zuurstof Bij een druk van meer dan 110 bar heeft het een verdovend effect.