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氖   10Ne
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外觀
氣體:無色;在高壓電場發出橙紅色光芒


氖的光譜線
概況
名稱·符號·序數 氖(Neon)·Ne·10
元素類別 稀有气体
·週期· 18 ·2·p
標準原子質量 20.1797(6)
電子排布

1s2 2s2 2p6
2, 8

氖的电子層(2, 8)
歷史
預測 威廉·拉姆齐(1897年)
發現 威廉·拉姆齐和莫里斯·特拉弗斯[1][2](1898年)
物理性質
物態 氣體
密度 (0 °C, 101.325 kPa
0.9002 g/L
沸點時液體密度 1.207[3] g·cm−3
熔點 24.56 K,-248.59 °C,-415.46 °F
沸點 27.07 K,-246.08 °C,-410.94 °F
三相點 24.5561 K(−249 °C),43[4][5] kPa
臨界點 44.4 K,2.76 MPa
熔化熱 0.335 kJ·mol−1
汽化熱 1.71 kJ·mol−1
比熱容 20.786 J·mol−1·K−1

蒸氣壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 12 13 15 18 21 27
原子性質
氧化態 未知
電離能

第一:2080.7 kJ·mol−1
第二:3952.3 kJ·mol−1
第三:6122 kJ·mol−1

更多
共價半徑 58 pm
范德華半徑 154 pm
雜項
晶體結構 面心立方
磁序 反磁性[6]
熱導率 49.1x10-3  W·m−1·K−1
聲速 (气体,0 °C)435 m·s−1
體積模量 654 GPa
CAS號7440-01-9
最穩定同位素

主条目:氖的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
20Ne 90.48% 穩定,帶10個中子
21Ne 0.27% 穩定,帶11個中子
22Ne 9.25% 穩定,帶12個中子

(舊譯作,訛作)是一种化学元素,它的化学符号是Ne,它的原子序数是10。在標準狀態下是一種無色無味的惰性單原子氣體[7],其密度是空氣的三分之二。它在1898年被發現為三種空氣中就有的稀有惰性氣體之一(另外兩種是),氖是上述三種稀有氣體中第二個被發現的,因為它亮紅的放射譜線,它馬上就被認出是一個新元素。氖這個名字是從希臘文翻譯過來的,意思是新的。氖是惰性的,且沒有任何不帶電的氖的化合物曾被發現。目前所知的氖的化合物僅有離子化合物,而它們是被凡得瓦力束縛在一起的。

在宇宙的核合成的過程中,大量的氖從恆星的氦核作用中產生。雖然氖在宇宙和太陽系中十分常見(氖在宇宙的含量為第5多,僅低於),但其在地球上十分稀少,大約只佔總空氣體積的18.2ppm(大約與其莫耳分率相同),且在地球表面上含量更少。因為氖為高度揮發的物質且無法合成固態的化合物,所以其在地球及其他類地行星都十分稀少。氖會在新生太陽的溫暖下從微行星逸散。雖然和前述原因不同,但氖甚至在木星的外層大氣略有些消耗。氖也比空氣還要輕[8],使其甚至能從地球的大氣層逸散。

氖在低電壓的氖燈、高電壓放電管和霓虹燈下會發出明顯的紅橙色光[9] [10]。氖也應用在電漿管跟冷凍設備中,也有少數的商業用途。它的商業來源主要由液態空氣分餾而來。因為空氣是唯一的來源,所以氖氣較氦氣為貴。

特性[编辑]

氖是第二輕的惰性氣體,僅次於。它在真空放電管裡發出橙紅色的光。氖也擁有所有元素中最小的液態溫度範圍:24.55K到27.05K(-248.45 °C到-245.95 °C,或-415.21°F到-410.71 °F)。在單位體積中,它的製冷能力高出液態氦40倍,比液態高三倍。[3]在大多數情況下,它是一種較氦廉價的冷卻劑[11][12]氖是非常典型的氣體,非常不容易變成液體或固體,必須要在-248.6°C時才會凝固成固態。氖是一種非常不活潑的元素,幾乎不和其他元素相化合,屬於惰性氣體的一種。氖的汽化膨脹比(液體時體積,和在室溫一大氣壓力下,氣體時體積的比)為1:1445,是氣體中最高的[13]

在所有惰性氣體中,氖的放電在等電壓和電流情況下是最強烈的。氖在真空放電管中的顏色為肉眼可見的橙紅色,是因許多放射譜線在此範圍內所導致。氖亦有一條明亮的綠色譜線,但在一般情況下無法辨識,需以分光器色散後才可看出。[14]

日常生活中有兩種常見的氖照明應用。氖燈體積普遍較小,大多在100~250伏特的電壓下運作。[15]它們被廣泛運用在不斷電指示燈和電路測試設備,但發光二極體(LED)如今取代了氖燈在上述應用中的地位。這些簡單的氖燈裝置是電漿顯示器電漿電視的先驅。[16][17]通常填充氖的霓虹燈在更高的電壓下運作(2~15千伏特),而其燈管一般有數公尺長。[18]燈管經常被塑造成各種形狀和文字作為招牌,以及應用在建築和藝術方面。

应用[编辑]

氖常被用作霓虹灯,它发典型的红橙色的亮光。其它颜色都是使用汞蒸汽放电来激发磷发的磷光

氖經常被使用在霓虹燈做廣告,散發出顯眼的亮橙紅色光。雖然其它顏色的霓虹燈經常被稱為氖燈,但它們使用不同種類的惰性氣體或不同顏色的螢光燈。其它应用有:

液態和氣態氖相對較昂貴,液態氖的價格可超過液態氦的55倍以上。造成氖價格高昂的主因是氖蘊含量的稀少,與氦不同,氖只能從空氣中取得。

氖的三相點溫度(24.5561 K)在國際實用溫標中被定義為一固定值。[19]

历史[编辑]

氖在1898年被英國化學家威廉·拉姆齊爵士(1872-1961)和 莫理斯·特拉維斯(1872-1961)在倫敦發現[20] 。拉姆齊爵士冷凝空氣形成液體後,逐漸加熱液態空氣,使組成空氣的物質因沸點不同,沸騰時分離。從1898年的五月底開始,拉姆齊爵士進行了六個星期的實驗。實驗結果得到了已被發現的,並將剩餘的氣體大致按其豐度分離。剩餘氣體中,第一個被發現的是,在氪被分離後,發現一種在輝光放電下會發出明亮紅光的氣體。此氣體在六月被確定它的存在,被命名為氖,為希臘文中類似拉丁語novum(意為“新的”)[21]的字,此命名由拉姆齊兒子建議。當氣態氖在激發態時會放出明亮的紅橘色光。特拉維斯後來寫到:「來自管子中的赤紅色火焰是一個令人難以忘記而且不言而喻的一幕。」[22]

第二種氣體和氖一起在報告中被提到,和氬有大約相同的密度但有不同的光譜,拉姆齊和特拉維斯將它命名為metargon。[23] 但是,隨後的光譜分析顯示metargon其實是混雜一氧化碳的氬氣。最後,在1898的九月,這個研究團隊用相同的方法發現了[23]

因氖在自然界的含量不高,這點阻礙它在 Moore tubes的應用, Moore tubes為一種使用氮氣且在十九世紀早期被商業化的照明。1902之後,喬治·克勞德的公司─法國液空集團生產工業用氖當作他空氣液化事業的副產品。在1910的十二月,演示了以密封氖氣管為基礎的現代霓虹燈。克勞德曾短暫地售出用於室內居家照明的霓虹燈管在1912,克勞德的協會開始銷售氖放電管做為一種吸引目光的廣告標誌,效果比上次成功。氖放電管在1923年被引入美國,由於洛杉磯洛杉磯帕卡德汽車經銷商購買了兩個大型霓虹燈標誌。發光和引人注目的紅色使得霓虹燈廣告完全不同於競爭對手。[24]霓虹燈的強烈色彩和活力等同於當時的美國社會,暗示著“進步的世紀”,並將城市轉變為充滿了發光廣告和“電子燈板建築”的令人轟動的新環境。[25][26],雖然霓虹燈亮度高,但市場不大,因為屋主多半不喜歡霓虹燈光的顏色。

氖在對瞭解原子本質的基礎研究上發揮作用:當J.J.湯木生在研究陰極射線的組成時,將氖離子流打入電場和磁場中,用照相底片觀察它的偏轉。湯木生觀察到有兩片分開的光在照相底片上。(如圖)湯木生最後做出結論:有些在氖氣中的氖原子質量比剩餘者高。雖然湯木生當時不太瞭解這個現象,但這是歷史上第一次發現穩定原子的同位素。湯木生的裝置則是我們現代質譜儀的簡略版。

在辉光球作用下发光的氖气

出现[编辑]

标准状态下氖是单原子的气体。在地球大气层中氖非常稀少,只占其65,000分之一。工业使用液化空气冷却分离的方法来生产氖。

氖的穩定同位素可在某些星球中產生。Ne-20可由碳的核融合反應或恆星核合成中的碳聚變反應產生。此反應需在1億克氏溫度以上的環境下進行,因此只有質量超過太陽三倍以上之星球的核心符合條件。[27][28]

氖在宇宙中大量存在;它是宇宙中總質量第五大的化學元素,排序於氫﹅氦﹅氧和碳之後(見化學元素)。[29]氖和氦相同,在地球中相對稀少,因其相對較輕,在極低溫時的高蒸氣壓及安定的化學性質,其性質可避免聚集可壓縮的氣體及塵雲,因而形成了如地球般較小而溫暖的固體星球。

氖為單原子氣體,因此其分子量會比主要構成地球大氣的雙原子氮和氧小;填充氖氣的氣球在空氣中將會上升,但速度比氦氣球慢。[30]

氖在宇宙中約占1/750;在太陽和原星系中的星雲則約佔1/600。伽利略號太空船在大氣探測中發現即使在木星的高層大氣,氖的含量仍約為太陽的十分之一,只佔1/6000。這可能代表著就算是從外太陽系帶氖到木星的冰雪構成微行星,還是因為溫度過高以至於無法維持大氣中氖含量(木星上其它更重的惰性氣體含量是太陽的數倍)。[31]

氖在地球大氣層占體積的1/55000或18.2ppm(約略等於其莫耳分率),或空氣質量的1/79000。它在地殼中含量較少。工業上利用低溫分餾液態空氣的方式製造氖氣。[3]


在2015年的8月17日,根據月球大氣與粉塵環境探測器(LADEE)的探測結果,NASA的科學家報告在月球散逸層(外氣層)偵測到氖。[32]

化合物[编辑]

氖是第一個p區元素的惰性氣體,第一個真正符合八隅體的元素。它是惰性的(就像比它輕的同族元素-一樣),沒有發現具有與氖原子形成共價鍵的中性分子。使用光谱和质谱分析观察到的含氖的离子包括Ne+(NeAr)+(NeH)+(HeNe)+。氖的水合物很不稳定。[3]固態氖籠型水合物是用冰和氖氣在0.35–0.48 GPa和−30 °C環境下所製造出來的。[33] 其中,氖原子並不是和水鍵結,並且它可自由地穿透這種材料。若要從該籠型水和物中得到氖,可以將它放入真空室好幾天,就會得到 Ice XVI(最不緻密的水晶型)和氖。[34]

常見的鮑林電負度標度是依化學鍵能量,但這種方法顯然不適用於測量惰性的氦和氖。不過,在(Allen electronegativity scale),是以原子能量去定義電負度。其中,Allen定義氖為電負度最高的元素,緊跟在後的是氟和氦。

同位素[编辑]

氖是第二輕的惰性氣體。已知的氖的同位素共有11种,包括氖17至氖27,其中有三個穩定同位素:氖-20(90.48%)、氖-21(0.27%)和氖-22(9.25%)。氖-21和氖-22 部分自然存在、部分由核分裂產生 (即由其他帶有中子核素或其他環境中的粒子的核反應產生),它們的豐度變化是已知的。相較之下,氖-20(由恆星的核融合反應產生的主要原始同位素)不被認為是核分裂產物或放射性核素。地球上氖-20含量變化的原因一直被激烈地爭論。[35]

產生氖同位素的主要核反應來自鎂-24和鎂-25的中子捕獲α衰變,其產物分別是氖-21和氖-22。α衰變主要是從衰變系列而來的,而中子則是由α衰變的次級反應產生。這個反應系列導致在含鈾岩石中(比如花崗岩)可以觀察到較高比例的氖-21和氖-22。[36] 氖-21也可能是由氖-20從自然界吸收一個中子而產生。

此外,在裸露岩層中的同位素分析證實了放射性(宇宙射線)氖-21的生成。這個同位素是由的散裂反應產生的。藉由分析這三種同位素,可以將宇宙部分的氖與岩漿裡的氖和核反應產生的氖區分開來。這表示氖可能可以用來成為測定宇宙中岩石和隕石的暴露時間。[37]

類似於火山氣體含有的氖中,氖-20及氖-21的含量相對高於氖-22。這些地函中的氖同位素含量與大氣中的氖不同。氖-20的高含量相異於地球上的其他稀有氣體,可能是來自太陽產生的氖。金剛石中氖-20的含量也比較高,進一步說明這個高含量可能確實是來自於地球形成前的太陽系星雲。[38] [39]

參考資料[编辑]

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外部連結[编辑]