NÉON: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, RISQUES, USAGES - CHIMIE - 2024

Le néon est un élément chimique représenté par le symbole Ne. C'est un gaz rare dont le nom en grec signifie nouveau, une qualité qu'il a su maintenir pendant des décennies non seulement à cause de l'éclat de sa découverte, mais aussi parce qu'il ornait les villes de sa lumière au fur et à mesure de leur modernisation.

Nous avons tous déjà entendu parler de néons, qui ne correspondent en fait qu'à du rouge-orange; à moins qu'ils ne soient mélangés avec d'autres gaz ou additifs. De nos jours, ils ont un air étrange par rapport aux systèmes d'éclairage récents; cependant, le néon est bien plus qu'une simple source lumineuse moderne.

Dragon fait de tubes remplis de néon et d'autres gaz qui, lorsqu'ils reçoivent un courant électrique, ionisent et émettent des lumières et des couleurs caractéristiques. Source: AndrewKeenanRichardson.

Ce gaz, qui consiste pratiquement en atomes de Ne, indifférents les uns aux autres, représente la substance la plus inerte et la plus noble de toutes; C'est l'élément le plus inerte du tableau périodique, et actuellement et formellement un composé suffisamment stable n'est pas connu. Il est encore plus inerte que l'hélium lui-même, mais aussi plus cher.

Le coût élevé du néon est dû au fait qu'il n'est pas extrait du sous-sol, comme c'est le cas avec l'hélium, mais de la liquéfaction et de la distillation cryogénique de l'air; même lorsqu'il est présent dans l'atmosphère en quantité suffisante pour produire un volume énorme de néon.

Il est plus facile d'extraire l'hélium des réserves de gaz naturel que de liquéfier l'air et d'en extraire le néon. De plus, son abondance est inférieure à celle de l'hélium, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de la Terre. Dans l'Univers, le néon se trouve dans les novae et les supernovae, ainsi que dans les régions suffisamment gelées pour l'empêcher de s'échapper.

Sous sa forme liquide, c'est un réfrigérant beaucoup plus efficace que l'hélium et l'hydrogène liquides. De même, c'est un élément présent dans l'industrie électronique en ce qui concerne les lasers et les équipements de détection des rayonnements.

L'histoire

Le berceau de l'argon

L'histoire du néon est étroitement liée à celle du reste des gaz qui composent l'air et de leurs découvertes. Le chimiste anglais Sir William Ramsay, avec son mentor John William Strutt (Lord Rayleigh), décida en 1894 d'étudier la composition de l'air par des réactions chimiques.

À l'aide d'un échantillon d'air, ils ont réussi à le désoxygéner et à le dénitrogéner, obtenant et découvrant l'argon, un gaz rare. Sa passion scientifique l'a également conduit à la découverte de l'hélium, après avoir dissous la cleveite minérale en milieu acide et collecté le gaz libéré.

Ensuite, Ramsay a soupçonné qu'il y avait un élément chimique situé entre l'hélium et l'argon, consacrant des tentatives infructueuses pour les trouver dans des échantillons minéraux. Jusqu'à ce qu'il considère finalement que l'argon doit être «caché» d'autres gaz moins abondants dans l'air.

Ainsi, les expériences qui ont conduit à la découverte du néon ont commencé avec de l'argon condensé.

Découverte

Dans son travail, Ramsay, assisté de son collègue Morris W. Travers, a commencé par un échantillon d'argon hautement purifié et liquéfié, qu'il a ensuite soumis à une sorte de distillation fractionnée et cryogénique. Ainsi, en 1898 et à l'University College London, les deux chimistes anglais parviennent à identifier et isoler trois nouveaux gaz: le néon, le krypton et le xénon.

Le premier d'entre eux était du néon, qu'il aperçut lorsqu'ils le recueillirent dans un tube en verre où ils appliquèrent un choc électrique; sa lumière rouge-orange intense était encore plus frappante que les couleurs du krypton et du xénon.

C'est ainsi que Ramsay a donné à ce gaz le nom de «néon», qui signifie en grec «nouveau»; un nouvel élément est apparu à partir de l'argon. Peu de temps après, en 1904 et grâce à ce travail, lui et Travers reçurent le prix Nobel de chimie.

Néons

Ramsay n'avait alors pas grand-chose à voir avec les applications révolutionnaires du néon en matière d'éclairage. En 1902, l'ingénieur électricien et inventeur Georges Claude crée avec Paul Delorme la société L'Air Liquide, dédiée à la vente de gaz liquéfiés aux industries et qui voit bientôt le potentiel lumineux du néon.

Claude, inspiré par les inventions de Thomas Edison et Daniel McFarlan Moore, construisit les premiers tubes remplis de néon, signant un brevet en 1910. Il vendit son produit pratiquement sous la prémisse suivante: les néons sont réservés aux villes et aux monuments car ils sont très éblouissant et attrayant.

Depuis, le reste de l'histoire du néon jusqu'à nos jours va de pair avec l'apparition des nouvelles technologies; ainsi que le besoin de systèmes cryogéniques pouvant l'utiliser comme liquide de refroidissement.

Proprietes physiques et chimiques

- Apparence

Flacon en verre ou flacon avec néon excité par une décharge électrique. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Le néon est un gaz incolore, inodore et insipide. Cependant, lorsqu'une décharge électrique est appliquée, ses atomes sont ionisés ou excités, émettant des photons d'énergie qui pénètrent dans le spectre visible sous la forme d'un flash orange rougeâtre (image du haut).

Les néons sont donc rouges. Plus la pression du gaz est élevée, plus l'électricité requise et la lueur rougeâtre obtenue sont élevées. Ces lumières éclairant les allées ou les façades des magasins sont très courantes, surtout dans les climats froids; puisque, l'intensité rougeâtre est telle qu'elle peut pénétrer le brouillard à des distances considérables.

- Masse molaire

20,1797 g / mol.

- Numéro atomique (Z)

dix.

- Point de fusion

-248,59 ° C

- Point d'ébullition

-246,046 ° C.

- Densité

-Dans des conditions normales: 0,9002 g / L.

-À partir du liquide, juste au point d'ébullition: 1,207 g / mL.

- Densité de vapeur

0,6964 (par rapport à l'air = 1). En d'autres termes, l'air est 1,4 fois plus dense que le néon. Ensuite, un ballon gonflé de néon montera dans les airs; bien que moins rapidement que celui gonflé à l'hélium.

- La pression de vapeur

0,9869 atm à 27 K (-246,15 ° C). A noter qu'à une température aussi basse le néon exerce déjà une pression comparable à la pression atmosphérique.

- Température de fusion

0,335 kJ / mol.

- Chaleur de vaporisation

1,71 kJ / mol.

- Capacité thermique molaire

20,79 J / (mol · K).

- Énergies d'ionisation

-Premier: 2080,7 kJ / mol (Ne ⁺ gazeux).

-Second: 3952,3 kJ / mol (gaz Ne ²⁺).

-Troisième: 6122 kJ / mol (Ne ³⁺ gazeux).

Les énergies d'ionisation du néon sont particulièrement élevées. Cela est dû à la difficulté de retirer l'un de ses électrons de valence de son très petit atome (par rapport aux autres éléments de sa même période).

- numéro d'oxydation

Le seul nombre ou état d'oxydation probable et théorique du néon est 0; autrement dit, dans ses composés hypothétiques, il ne gagne ni ne perd des électrons, mais interagit plutôt comme un atome neutre (Ne ⁰).

Cela est dû à sa réactivité nulle en tant que gaz rare, qui ne lui permet pas de gagner des électrons en raison de l'absence d'une orbitale disponible en énergie; et il ne peut pas non plus être perdu en ayant des indices d'oxydation positifs, en raison de la difficulté à surmonter la charge nucléaire effective de ses dix protons.

- Réactivité

Ce qui précède explique pourquoi un gaz rare n'est pas très réactif. Cependant, parmi tous les gaz nobles et éléments chimiques, le néon est le propriétaire de la véritable couronne de noblesse; Il n'admet pas d'électrons d'aucune manière ni de personne, et il ne peut pas partager les siens car son noyau l'empêche et, par conséquent, ne forme pas de liaisons covalentes.

Le néon est moins réactif (plus noble) que l'hélium car, bien que son rayon atomique soit plus grand, la charge nucléaire effective de ses dix protons dépasse celle des deux protons du noyau d'hélium.

Au fur et à mesure que l'on descend dans le groupe 18, cette force diminue car le rayon atomique augmente considérablement; Et c'est pourquoi les autres gaz rares (en particulier le xénon et le krypton) peuvent former des composés.

Composés

A ce jour, aucun composé de néon à distance stable n'est connu. Cependant, l'existence de cations polyatomiques tels que: ⁺, WNe ³⁺, RhNe ²⁺, MoNe ²⁺, ⁺ et ⁺ a été vérifiée au moyen d'études de spectrométrie optique et de masse.

De même, on peut citer ses composés de Van der Walls, dans lesquels bien qu'il n'y ait pas de liaisons covalentes (du moins pas formellement), les interactions non covalentes leur permettent de rester cohésives dans des conditions rigoureuses.

Certains de ces composés de Van der Walls pour le néon sont, par exemple: Ne ₃ (trimère), I ₂ Ne ₂, NeNiCO, NeAuF, LiNe, (N ₂) ₆ Ne ₇, NeC ₂₀ H ₂₀ (complexe de fullerène endoédrique), etc. Et aussi, il faut noter que les molécules organiques peuvent également "côtoyer" ce gaz dans des conditions très particulières.

Le détail de tous ces composés est qu'ils ne sont pas stables; de plus, la plupart proviennent d'un champ électrique très puissant, où les atomes de métal gazeux sont excités en compagnie du néon.

Même avec une liaison covalente (ou ionique), certains chimistes ne prennent pas la peine de les considérer comme de vrais composés; et par conséquent, le néon continue d'être un élément noble et inerte vu de tous les côtés «normaux».

Structure et configuration électronique

Interactions d'interaction

L'atome de néon pourrait être visualisé comme une sphère presque compacte en raison de sa petite taille, et de la grande charge nucléaire effective de ses dix électrons, dont huit sont de valence, selon leur configuration électronique:

1s ² 2s ² 2p ⁶ ou 2s ² 2p ⁶

Ainsi, l'atome Ne interagit avec son environnement en utilisant ses orbitales 2s et 2p. Cependant, ils sont complètement remplis d'électrons, respectant le célèbre octet de valence.

Il ne peut pas gagner plus d'électrons car l'orbitale 3s n'est pas disponible énergétiquement; De plus, il ne peut pas non plus les perdre à cause de leur petit rayon atomique et la distance "étroite" les sépare des dix protons du noyau. Par conséquent, cet atome ou cette sphère Ne est très stable, incapable de former des liaisons chimiques avec pratiquement n'importe quel élément.

Ce sont ces atomes de Ne qui définissent la phase gazeuse. Étant très petit, son nuage électronique est homogène et compact, difficile à polariser et, par conséquent, à établir des moments dipolaires instantanés qui en induisent d'autres dans les atomes voisins; c'est-à-dire que les forces de diffusion entre les atomes de Ne sont très faibles.

Liquide et verre

C'est pourquoi la température doit descendre à -246 ºC pour que le néon puisse passer d'un état gazeux à un liquide.

Une fois à cette température, les atomes de Ne sont suffisamment proches pour que les forces de dispersion les lient ensemble dans un liquide; que bien qu'il ne soit apparemment pas aussi impressionnant que le fluide quantique de l'hélium liquide et sa superfluidité, il a une puissance de refroidissement 40 fois supérieure à celle-ci.

Cela signifie qu'un système de refroidissement au néon liquide est 40 fois plus efficace qu'un système à hélium liquide; refroidit plus rapidement et maintient la température plus longtemps.

La raison pourrait être due au fait que, même si les atomes de Ne sont plus lourds que He, les premiers se séparent et se dispersent plus facilement (s'échauffent) que les seconds; mais leurs interactions sont si faibles lors de leurs collisions ou rencontres, qu'ils ralentissent à nouveau (se refroidissent) rapidement.

Au fur et à mesure que la température baisse encore plus, jusqu'à -248 ° C, les forces de dispersion deviennent plus fortes et plus directionnelles, maintenant capables d'ordonner aux atomes He de cristalliser en un cristal cubique à faces centrées (fcc). Ce cristal d'hélium fcc est stable sous toutes les pressions.

Où trouver et obtenir

Supernovae et environnements glacés

Lors de la formation d'une supernova, des jets de néons sont dispersés, qui finissent par composer ces nuages ​​stellaires et voyager vers d'autres régions de l'Univers. Source: Pxhere.

Le néon est le cinquième élément chimique le plus abondant de tout l'Univers. En raison de son manque de réactivité, de sa pression de vapeur élevée et de sa masse légère, il s'échappe de l'atmosphère terrestre (bien qu'à un degré moindre que l'hélium) et se dissout peu dans les mers. C'est pourquoi ici, dans l'air terrestre, il a à peine une concentration de 18,2 ppm en volume.

Pour que ladite concentration de néon augmente, il est nécessaire d'abaisser la température au voisinage du zéro absolu; conditions possibles seulement dans le Cosmos, et à un moindre degré, dans les atmosphères glacées de certaines géantes gazeuses comme Jupiter, sur les surfaces rocheuses des météorites, ou dans l'exosphère de la Lune.

Sa plus grande concentration, cependant, réside dans les novae ou supernovae réparties dans tout l'Univers; ainsi que dans les étoiles dont ils proviennent, plus volumineuses que notre soleil, à l'intérieur desquelles des atomes de néon sont produits à la suite d'une nucléosynthèse entre le carbone et l'oxygène.

Liquéfaction de l'air

Bien que sa concentration ne soit que de 18,2 ppm dans notre air, elle suffit pour obtenir quelques litres de néon de n'importe quel espace domestique.

Ainsi, pour le produire, il est nécessaire de soumettre l'air à une liquéfaction puis de procéder à une distillation fractionnée cryogénique. De cette manière, ses atomes peuvent être séparés de la phase liquide composée d'oxygène liquide et d'azote.

Les isotopes

L'isotope le plus stable du néon est ²⁰ Ne, avec une abondance de 90,48%. Il possède également deux autres isotopes qui sont également stables, mais moins abondants: ²¹ Ne (0,27%) et ²² Ne (9,25%). Le reste sont des radio-isotopes, et à l'heure actuelle quinze d'entre eux sont connus au total (^15-19 Ne et ^23-32 Ne).

Des risques

Le néon est un gaz inoffensif sous presque tous les aspects possibles. En raison de sa réactivité chimique nulle, il n'intervient du tout avec aucun processus métabolique, et au moment où il pénètre dans le corps, il le quitte sans être assimilé. Il n'a donc pas d'effet pharmacologique immédiat; bien qu'il ait été associé à d'éventuels effets anesthésiques.

C'est pourquoi s'il y a une fuite de néon, ce n'est pas une alarme inquiétante. Cependant, si la concentration de ses atomes dans l'air est très élevée, elle peut déplacer les molécules d'oxygène que nous respirons, ce qui finit par provoquer une suffocation et toute une série de symptômes qui lui sont associés.

Cependant, le néon liquide peut provoquer des brûlures par le froid au contact, il n'est donc pas conseillé de le toucher directement. De plus, si la pression dans vos conteneurs est très élevée, une fissure brusque pourrait être explosive; non pas par la présence de flammes mais par la force du gaz.

Le néon ne représente pas non plus un danger pour l'écosystème. De plus, sa concentration dans l'air est très faible et il n'y a aucun problème à le respirer. Et surtout: ce n'est pas un gaz inflammable. Par conséquent, il ne brûlera jamais, quelle que soit la température.

Applications

éclairage

Comme mentionné, les néons rouges sont présents dans des milliers d'établissements. La raison en est qu'une pression de gaz basse n'est guère nécessaire (~ 1/100 atm) pour qu'il puisse produire, à décharge électrique, sa lumière caractéristique, qui a également été placée dans des publicités de différentes natures (publicité, signes de route, etc.).

Les tubes remplis de néon peuvent être en verre ou en plastique et prendre toutes sortes de formes ou de formes.

Industrie électronique

Le néon est un gaz très important dans l'industrie électronique. Il est utilisé pour la fabrication de lampes fluorescentes et chauffantes; les appareils qui détectent les radiations ou les hautes tensions, les kinéscopes de télévision, les compteurs Geyser et les chambres d'ionisation.

Lasers

Avec l'hélium, le duo Ne-He peut être utilisé pour des appareils laser, qui projettent un faisceau de lumière rougeâtre.

Clathrate

S'il est vrai que le néon ne peut former aucun composé, il a été constaté que sous des pressions élevées (~ 0,4 GPa), ses atomes sont piégés dans la glace pour former du clathrate. Dans celui-ci, les atomes de Ne sont confinés à une sorte de canal limité par des molécules d'eau, et dans lequel ils peuvent se déplacer le long du cristal.

Bien que pour le moment il n'y ait pas beaucoup d'applications potentielles pour ce clathrate au néon, il pourrait à l'avenir être une alternative pour son stockage; ou tout simplement servir de modèle pour approfondir la compréhension de ces matières congelées. Peut-être que sur certaines planètes, le néon est piégé dans des masses de glace.

Références

1. Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
2. Centre national d'information sur la biotechnologie. (2019). Néon. Base de données PubChem. CID = 23987. Récupéré de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. J. de Smedt, WH Keesom et HH Mooy. (1930). Sur la structure cristalline du néon. Laboratoire de physique à Leiden.
4. Xiaohui Yu et col. (2014). Structure cristalline et dynamique d'encapsulation de l'hydrate de néon structuré Ice II. Actes de l'Académie nationale des sciences 111 (29) 10456-10461; DOI: 10.1073 / pnas.1410690111
5. Wikipédia. (2019). Néon. Récupéré de: en.wikipedia.org
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 décembre 2018). 10 Faits sur le néon - Élément chimique. Récupéré de: thinkco.com
7. Dr Doug Stewart. (2019). Faits sur les éléments au néon. Chemicool. Récupéré de: chemicool.com
8. Wikipédia. (2019). Composés néon. Récupéré de: en.wikipedia.org
9. Nicola McDougal. (2019). The Element Neon: Histoire, faits et utilisations. Étude. Récupéré de: study.com
10. Jane E. Boyd et Joseph Rucker. (9 août 2012). A Blaze of Crimson Light: L'histoire du néon. Institut d'histoire des sciences. Récupéré de: sciencehistory.org