النيون: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، المخاطر ، الاستخدامات - كيمياء - 2026

و النيون هو عنصر كيميائي الذي يمثله رمز ني. إنه غاز نبيل يعني اسمه باليوناني جديد ، وهي صفة تمكن من الحفاظ عليها لعقود ليس فقط بسبب بريق اكتشافه ، ولكن أيضًا لأنه زين المدن بنورها أثناء تطويرها لتحديثها.

لقد سمعنا جميعًا عن أضواء النيون ، والتي لا تتوافق في الواقع مع أكثر من اللون الأحمر البرتقالي ؛ ما لم تختلط مع غازات أو إضافات أخرى. في الوقت الحاضر لديهم هواء غريب مقارنة بأنظمة الإضاءة الحديثة ؛ ومع ذلك ، فإن النيون هو أكثر بكثير من مجرد مصدر إضاءة حديث مذهل.

يتكون التنين من أنابيب مملوءة بالنيون والغازات الأخرى التي ، عند تلقيها تيارًا كهربائيًا ، تتأين وتنبعث منها أضواء وألوان مميزة. المصدر: AndrewKeenanRichardson.

هذا الغاز ، الذي يتكون عمليا من ذرات ني ، غير مبال ببعضها البعض ، يمثل المادة الأكثر خاملة ونبلًا على الإطلاق ؛ إنه العنصر الأكثر خاملة في الجدول الدوري ، وحالياً وبشكل رسمي مركب مستقر بدرجة كافية غير معروف. إنه أكثر خمولًا من الهيليوم نفسه ، ولكنه أيضًا أغلى.

ترجع التكلفة العالية للنيون إلى حقيقة أنه لا يتم استخراجه من باطن الأرض ، كما يحدث مع الهيليوم ، ولكن من التميع والتقطير المبرد للهواء ؛ حتى عندما يكون موجودًا في الغلاف الجوي بكثرة كافية لإنتاج حجم ضخم من النيون.

من الأسهل استخراج الهيليوم من احتياطيات الغاز الطبيعي بدلاً من تسييل الهواء واستخراج النيون منه. بالإضافة إلى ذلك ، فإن وفرته أقل من تلك الموجودة في الهيليوم ، داخل وخارج الأرض. في الكون ، يوجد النيون في المستعرات والمستعرات الأعظمية ، وكذلك في المناطق المجمدة بدرجة كافية لمنعها من الهروب.

في شكله السائل ، يكون المبرد أكثر فعالية من سائل الهيليوم والهيدروجين. وبالمثل ، فهو عنصر موجود في صناعة الإلكترونيات فيما يتعلق بأشعة الليزر والمعدات التي تكشف عن الإشعاع.

التاريخ

مهد الأرجون

يرتبط تاريخ النيون ارتباطًا وثيقًا بتاريخ باقي الغازات التي يتكون منها الهواء واكتشافاتها. قرر الكيميائي الإنجليزي السير ويليام رامزي مع معلمه جون ويليام ستروت (اللورد رايلي) في عام 1894 دراسة تكوين الهواء من خلال التفاعلات الكيميائية.

باستخدام عينة من الهواء ، تمكنوا من إزالة الأكسجين ونزع النتروجين منه ، والحصول على واكتشاف غاز الأرجون النبيل. قاده شغفه العلمي أيضًا إلى اكتشاف الهليوم ، بعد إذابة معدن الكليفايت في وسط حمضي وجمع خصائص الغاز المنطلق.

بعد ذلك ، اشتبه رامزي في وجود عنصر كيميائي بين الهيليوم والأرجون ، مكرسًا محاولات فاشلة للعثور عليهم في عينات معدنية. حتى اعتبر أخيرًا أن الأرجون يجب أن يكون "مخفيًا" غازات أخرى أقل وفرة في الهواء.

وهكذا بدأت التجارب التي أدت إلى اكتشاف النيون بالأرجون المكثف.

اكتشاف

بدأ رامزي في عمله ، بمساعدة زميله موريس دبليو ترافيرز ، بعينة عالية النقاء ومسالة من الأرجون ، والتي أخضعها لاحقًا لنوع من التقطير التجزيئي والمبردة. وهكذا ، في عام 1898 وفي كلية لندن الجامعية ، تمكن الكيميائيون الإنجليز من تحديد وعزل ثلاثة غازات جديدة: النيون والكريبتون والزينون.

أولهم كان النيون ، الذي لمحه عندما جمعوه في أنبوب زجاجي حيث قاموا بصدمة كهربائية ؛ كان ضوءها الأحمر البرتقالي المكثف أكثر لفتًا للانتباه من ألوان الكريبتون والزينون.

وبهذه الطريقة أعطى رامزي هذا الغاز اسم "نيون" ، والذي يعني في اليونانية "جديد" ؛ ظهر عنصر جديد من الأرجون. بعد فترة وجيزة ، في عام 1904 وبفضل هذا العمل ، حصل هو وترافرز على جائزة نوبل في الكيمياء.

أضواء النيون

ثم لم يكن لرامزي علاقة تذكر بالتطبيقات الثورية للنيون فيما يتعلق بالإضاءة. في عام 1902 ، أسس المهندس الكهربائي والمخترع ، جورج كلود ، مع بول ديلورم ، شركة L'Air Liquide ، المكرسة لبيع الغازات المسالة للصناعات والتي سرعان ما شهدت الإمكانات المضيئة للنيون.

قام كلود ، المستوحى من اختراعات توماس إديسون ودانييل ماكفارلان مور ، ببناء الأنابيب الأولى المملوءة بالنيون ، وتوقيع براءة اختراع في عام 1910. وباع منتجه عمليًا وفقًا للفرضية التالية: أضواء النيون مخصصة للمدن والمعالم الأثرية لأنها كذلك مبهر جدا وجذاب.

منذ ذلك الحين ، سارت بقية تاريخ النيون حتى الوقت الحاضر جنبًا إلى جنب مع ظهور التقنيات الجديدة ؛ وكذلك الحاجة إلى أنظمة التبريد التي يمكن استخدامها كسائل تبريد.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

- مظهر خارجي

قنينة زجاجية أو قنينة بها نيون متحمس بتفريغ كهربائي. المصدر: صور عالية الدقة للعناصر الكيميائية

النيون هو غاز عديم اللون والرائحة والمذاق. ومع ذلك ، عندما يتم تطبيق تفريغ كهربائي ، تتأين ذراتها أو تستثار ، وتنبعث منها فوتونات من الطاقة تدخل الطيف المرئي في شكل وميض برتقالي محمر (الصورة العلوية).

لذا فإن أضواء النيون حمراء. كلما زاد ضغط الغاز ، زادت الكهرباء المطلوبة وحصل الوهج المحمر. هذه الأضواء التي تضيء الأزقة أو واجهات المحلات شائعة جدًا ، خاصة في الأجواء الباردة ؛ منذ ذلك الحين ، فإن شدة اللون الأحمر يمكن أن تخترق الضباب من مسافات كبيرة.

- الكتلة المولية

20.1797 جم / مول.

- العدد الذري (Z)

10.

- نقطة الانصهار

-248.59 درجة مئوية.

- نقطة الغليان

246.046 درجة مئوية.

- الكثافة

- تحت الظروف العادية: 0.9002 جم / لتر.

- من السائل عند نقطة الغليان: 1.207 جم / مل.

- كثافة بخار

0.6964 (نسبة إلى الهواء = 1). بعبارة أخرى ، الهواء أكثف 1.4 مرة من النيون. ثم يرتفع بالون منفوخ بالنيون في الهواء ؛ على الرغم من أنها أقل سرعة مقارنةً بالهيليوم.

- ضغط البخار

0.9869 atm عند 27 كلفن (-246.15 درجة مئوية). لاحظ أنه في مثل هذه درجة الحرارة المنخفضة يمارس النيون بالفعل ضغطًا مماثلًا للغلاف الجوي.

- حرارة الانصهار

0.335 كيلوجول / مول.

- حرارة التبخير

1.71 كيلوجول / مول.

- السعة الحرارية المولية

20.79 جول / (مول · ك).

- طاقات التأين

أولاً: 2080.7 كيلوجول / مول (ني ⁺ غازي).

الثاني: 3952.3 كيلوجول / مول (غاز ⁺ ني ²).

الثالث: 6122 كيلوجول / مول (ني ³⁺ غازي).

طاقات التأين للنيون عالية بشكل خاص. ويرجع ذلك إلى صعوبة إزالة أحد إلكترونات التكافؤ من ذرته الصغيرة جدًا (مقارنة بالعناصر الأخرى في نفس الفترة).

- عدد التأكسد

الرقم الوحيد المحتمل والنظري أو حالة الأكسدة للنيون هي 0 ؛ أي أنه في مركباته الافتراضية لا يكتسب أو يفقد الإلكترونات ، بل يتفاعل كذرة محايدة (ني ⁰).

ويرجع ذلك إلى فاعليته الفارغة كغاز نبيل ، مما لا يسمح له باكتساب إلكترونات بسبب عدم وجود مدار متاح بقوة ؛ ولا يمكن فقدها أيضًا من خلال وجود أعداد أكسدة موجبة ، نظرًا لصعوبة التغلب على الشحنة النووية الفعالة لبروتوناتها العشرة.

- التفاعلية

ما سبق يفسر لماذا الغاز النبيل ليس شديد التفاعل. ومع ذلك ، من بين جميع الغازات النبيلة والعناصر الكيميائية ، النيون هو صاحب التاج الحقيقي للنبلاء. فهي لا تقبل الإلكترونات بأي شكل من الأشكال أو من أي شخص ، ولا يمكنها مشاركة الإلكترونات الخاصة بها لأن نواتها تمنعها ، وبالتالي لا تشكل روابط تساهمية.

النيون أقل تفاعلًا (أكثر نبلاً) من الهيليوم لأنه على الرغم من أن نصف قطره الذري أكبر ، فإن الشحنة النووية الفعالة لبروتوناته العشرة تفوق شحنة البروتونات الموجودة في نواة الهليوم.

عندما ينزل المرء عبر المجموعة 18 ، تقل هذه القوة لأن نصف القطر الذري يزداد بشكل ملحوظ ؛ وهذا هو السبب في أن الغازات النبيلة الأخرى (خاصة الزينون والكريبتون) يمكن أن تشكل مركبات.

مجمعات سكنية

حتى الآن ، لا يُعرف أي مركب مستقر عن بعد من النيون. ومع ذلك ، فقد تم التحقق من وجود الكاتيونات متعددة الذرات مثل: ⁺ ، WNe ³⁺ ، RhNe ²⁺ ، MoNe ²⁺ ، ⁺ و ⁺ من خلال دراسات قياس الطيف الضوئي والكتلي.

وبالمثل ، يمكن ذكر مركبات Van der Walls الخاصة بهم ، والتي على الرغم من عدم وجود روابط تساهمية (على الأقل ليس رسميًا) ، تسمح التفاعلات غير التساهمية لها بالبقاء متماسكة في ظل ظروف صارمة.

بعض مركبات Van der Walls للنيون هي ، على سبيل المثال: Ne ₃ (trimer) ، I ₂ Ne ₂ ، NeNiCO ، NeAuF ، LiNe ، (N ₂) ₆ Ne ₇ ، NeC ₂₀ H ₂₀ (مجمع إندوهيدرال فوليرين) ، إلخ. وأيضًا ، تجدر الإشارة إلى أن الجزيئات العضوية يمكنها أيضًا "احتكاك الكتفين" بهذا الغاز في ظل ظروف خاصة جدًا.

تفصيل كل هذه المركبات أنها غير مستقرة. علاوة على ذلك ، تنشأ معظمها في خضم مجال كهربائي قوي للغاية ، حيث تكون ذرات المعادن الغازية متحمسة بصحبة النيون.

حتى مع وجود رابطة تساهمية (أو أيونية) ، لا يكلف بعض الكيميائيين عناء التفكير فيها كمركبات حقيقية ؛ وبالتالي ، يظل النيون عنصرًا نبيلًا وخاملًا يُرى من جميع الجوانب "الطبيعية".

الهيكل والتكوين الإلكتروني

تفاعلات التفاعل

يمكن تصور ذرة النيون على أنها كرة مضغوطة تقريبًا نظرًا لصغر حجمها والشحنة النووية الكبيرة الفعالة لإلكتروناتها العشرة ، ثمانية منها تكافؤ ، وفقًا لتكوينها الإلكتروني:

1s ² 2s ² 2p ⁶ أو 2s ² 2p ⁶

وهكذا ، تتفاعل ذرة Ne مع بيئتها باستخدام مداريها 2s و 2p. ومع ذلك ، فهي مملوءة بالكامل بالإلكترونات ، بما يتوافق مع ثماني بتات التكافؤ الشهير.

لا يمكنه اكتساب المزيد من الإلكترونات لأن المدار 3s غير متوفر بقوة ؛ إلى جانب ذلك ، لا يمكن أن تفقدها إما بسبب نصف قطرها الذري الصغير والمسافة "الضيقة" تفصلها عن البروتونات العشرة في النواة. لذلك ، فإن هذه الذرة أو الكرة مستقرة جدًا ، وغير قادرة على تكوين روابط كيميائية مع أي عنصر تقريبًا.

إن ذرات Ne هذه هي التي تحدد المرحلة الغازية. نظرًا لكونها صغيرة جدًا ، فإن السحابة الإلكترونية الخاصة بها متجانسة ومضغوطة ، ويصعب استقطابها ، وبالتالي ، إنشاء لحظات ثنائية القطب لحظية تحفز الآخرين في الذرات المجاورة ؛ أي أن قوى التشتت بين ذرات ني ضعيفة للغاية.

سائل وزجاج

لهذا السبب يجب أن تنخفض درجة الحرارة إلى -246 درجة مئوية حتى يتمكن النيون من الانتقال من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة.

بمجرد الوصول إلى هذه الدرجة ، تكون ذرات Ne قريبة بدرجة كافية لقوى التشتت لربطها معًا في سائل ؛ أنه على الرغم من أنه ليس مثيرًا للإعجاب مثل السائل الكمومي للهيليوم السائل والميوعة الفائقة ، إلا أنه يتمتع بقوة تبريد أكبر 40 مرة من هذا.

هذا يعني أن نظام التبريد بالنيون السائل أكثر كفاءة 40 مرة من نظام الهيليوم السائل ؛ يبرد بشكل أسرع ويحافظ على درجة الحرارة لفترة أطول.

يمكن أن يكون السبب هو حقيقة أنه حتى مع وجود ذرات ني أثقل منه ، فإن الأولى تنفصل وتتشتت بسهولة (تسخين) أكثر من الثانية ؛ لكن تفاعلاتهم تكون ضعيفة جدًا أثناء الاصطدامات أو المواجهات ، بحيث تتباطأ (تهدأ) بسرعة.

مع انخفاض درجة الحرارة أكثر من ذلك ، إلى -248 درجة مئوية ، تصبح قوى التشتت أقوى وأكثر اتجاهية ، وهي الآن قادرة على ترتيب ذرات He لتتبلور في بلورة مكعبة الوجه (fcc). بلورة الهيليوم fcc مستقرة تحت جميع الضغوط.

أين تجد والحصول عليها

المستعرات الأعظمية والبيئات الجليدية

في تكوين مستعر أعظم ، تتناثر نفاثات النيون ، والتي تنتهي بتكوين هذه السحب النجمية وتنتقل إلى مناطق أخرى من الكون. المصدر: Pxhere.

النيون هو خامس أكثر العناصر الكيميائية وفرة في الكون بأكمله. نظرًا لافتقارها إلى التفاعل ، وارتفاع ضغط البخار ، والكتلة الخفيفة ، فإنها تهرب من الغلاف الجوي للأرض (وإن كانت بدرجة أقل من الهيليوم) ، وقليلًا من الذوبان في البحار. هذا هو السبب في أنه بالكاد يوجد في هواء الأرض تركيز يبلغ 18.2 جزء في المليون من حيث الحجم.

لزيادة تركيز النيون المذكور ، من الضروري خفض درجة الحرارة إلى منطقة الصفر المطلق ؛ الظروف ممكنة فقط في الكون ، وبدرجة أقل ، في الغلاف الجوي الجليدي لبعض عمالقة الغاز مثل كوكب المشتري ، أو على الأسطح الصخرية للنيازك ، أو في الغلاف الخارجي للقمر.

ومع ذلك ، فإن أكبر تركيز لها يكمن في المستعرات أو المستعرات الأعظمية الموزعة في جميع أنحاء الكون. وكذلك في النجوم التي نشأت منها ، وهي أضخم من شمسنا ، حيث يتم إنتاج ذرات النيون نتيجة للتخليق النووي بين الكربون والأكسجين.

تسييل الهواء

على الرغم من أن تركيزه لا يتجاوز 18.2 جزء في المليون في الهواء ، إلا أنه يكفي للحصول على بضعة لترات من النيون من أي مكان بالمنزل.

وبالتالي ، لإنتاجه ، من الضروري إخضاع الهواء لإسالة ثم إجراء التقطير التجزيئي المبرد. وبهذه الطريقة يمكن فصل ذراته عن المرحلة السائلة المكونة من الأكسجين السائل والنيتروجين.

النظائر

أكثر نظائر نيون استقرارًا هو ²⁰ نيون ، وبوفرة 90.48٪. كما أن لديها نظيرين آخرين مستقرين ، لكنهما أقل وفرة: ²¹ ني (0.27٪) و ²² ني (9.25٪). الباقي من النظائر المشعة ، وفي الوقت الحالي خمسة عشر منهم معروفون في المجموع (^{15-19 نيوتن} و ^{23-32 نيوتن}).

المخاطر

النيون هو غاز غير ضار من جميع الجوانب الممكنة تقريبًا. نظرًا لتفاعله الكيميائي العديم ، فإنه لا يتدخل على الإطلاق في أي عملية أيضية ، وكما يدخل الجسم ، فإنه يتركه دون أن يتم استيعابه. لذلك ليس له تأثير دوائي فوري ؛ على الرغم من أنه قد ارتبط بآثار تخدير محتملة.

هذا هو السبب في أنه إذا كان هناك تسرب نيون ، فهذا ليس إنذارًا مقلقًا. ومع ذلك ، إذا كان تركيز ذراته في الهواء مرتفعًا جدًا ، فيمكنه إزاحة جزيئات الأكسجين التي نتنفسها ، مما يؤدي إلى الاختناق وسلسلة من الأعراض المرتبطة به.

ومع ذلك ، يمكن أن يسبب النيون السائل حروقًا باردة عند التلامس ، لذلك لا ينصح بلمسه مباشرة. أيضًا ، إذا كان الضغط في حاوياتك مرتفعًا جدًا ، فقد يكون الشق المفاجئ متفجرًا ؛ ليس بوجود اللهب ولكن بقوة الغاز.

لا يمثل النيون خطرًا على النظام البيئي أيضًا. كما أن تركيزه في الهواء منخفض جدًا ولا توجد مشكلة في تنفسه. والأهم من ذلك أنها ليست غازات قابلة للاشتعال. لذلك ، لن يحترق أبدًا مهما كانت درجات الحرارة عالية.

التطبيقات

إضاءة

كما ذكرنا ، توجد أضواء النيون الحمراء في آلاف المؤسسات. والسبب هو أنه لا يلزم سوى ضغط غاز منخفض (~ 1/100 ضغط جوي) حتى يتمكن من إنتاج الضوء المميز عند التفريغ الكهربائي ، والذي تم وضعه أيضًا في الإعلانات من مختلف الأنواع (الإعلانات ، وعلامات الطريق ، وما إلى ذلك).

يمكن تصنيع الأنابيب المملوءة بالنيون من الزجاج أو البلاستيك ، وتتخذ جميع أنواع الأشكال أو الأشكال.

الصناعة الالكترونية

النيون هو غاز مهم للغاية في صناعة الإلكترونيات. يتم استخدامه لتصنيع مصابيح الفلورسنت والتدفئة. الأجهزة التي تكشف عن الإشعاع أو الفولتية العالية ، مناظير الحركة التلفزيونية ، عدادات السخان وغرف التأين.

الليزر

جنبًا إلى جنب مع الهيليوم ، يمكن استخدام ثنائي Ne-He في أجهزة الليزر ، التي تعرض شعاعًا من الضوء المحمر.

كلاثرات

في حين أنه من الصحيح أن النيون لا يمكن أن يشكل أي مركبات ، فقد وجد أنه تحت ضغوط عالية (~ 0.4 جيجا باسكال) يتم احتجاز ذراته داخل الجليد لتشكيل clathrate. في ذلك ، يتم تقييد ذرات Ne في نوع من القنوات المحدودة بواسطة جزيئات الماء ، والتي يمكن من خلالها التحرك على طول البلورة.

على الرغم من عدم وجود العديد من التطبيقات المحتملة لهذا clathrate النيون في الوقت الحالي ، إلا أنه قد يكون بديلاً لتخزينه في المستقبل ؛ أو ببساطة ، كنموذج لتعميق فهم هذه المواد المجمدة. ربما ، على بعض الكواكب ، النيون محاصر في كتل الجليد.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية. (2019). نيون. قاعدة بيانات PubChem. CID = 23987. تم الاسترجاع من: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. J. de Smedt و WH Keesom و HH Mooy. (1930). على التركيب البلوري للنيون. المختبر الفيزيائي في ليدن.
4. زياوهوي يو & كول. (2014). التركيب البلوري وديناميكيات التغليف لهيدرات النيون المبنية على الجليد II. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 111 (29) 10456-10461 ؛ DOI: 10.1073 / pnas.1410690111
5. ويكيبيديا. (2019). نيون. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
6. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (22 ديسمبر 2018). 10 حقائق النيون - عنصر كيميائي. تم الاسترجاع من: thinkco.com
7. دكتور دوج ستيوارت. (2019). حقائق عن عنصر النيون. كيميكول. تم الاسترجاع من: chemicool.com
8. ويكيبيديا. (2019). مركبات النيون. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
9. نيكولا مكدوجال. (2019). عنصر النيون: التاريخ والحقائق والاستخدامات. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
10. جين إي بويد وجوزيف روكر. (9 أغسطس 2012). شعلة ضوء قرمزي: قصة النيون. معهد تاريخ العلوم. تم الاسترجاع من: sciencehistory.org