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Neón

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El neón es un elemento químico ; tiene el símbolo Ne y el número atómico 10. Es el segundo gas noble de la tabla periódica. [ 13 ] El neón es un gas monoatómico incoloro, inodoro e inerte en condiciones estándar , con aproximadamente dos tercios de la densidad del aire.

El neón fue descubierto en 1898 junto con el criptón y el xenón , identificado como uno de los tres elementos inertes raros restantes en el aire seco después de la eliminación del nitrógeno , el oxígeno , el argón y el dióxido de carbono . Su descubrimiento estuvo marcado por el distintivo espectro de emisión rojo brillante que exhibía, lo que llevó a su reconocimiento inmediato como un nuevo elemento. El nombre neón proviene de la palabra griega νέον , una forma singular neutra de νέος ( neos ), que significa 'nuevo'. El neón es un gas químicamente inerte ; aunque existen compuestos de neón , son principalmente moléculas iónicas o moléculas frágiles unidas por fuerzas de van der Waals .

La síntesis de la mayor parte del neón en el cosmos resultó de la fusión nuclear dentro de las estrellas de oxígeno y helio mediante el proceso de captura alfa . A pesar de su abundante presencia en el universo y el Sistema Solar —ocupando el quinto lugar en abundancia cósmica después del hidrógeno, el helio, el oxígeno y el carbono—, el neón es relativamente escaso en la Tierra. Constituye aproximadamente 18,2 ppm del volumen atmosférico terrestre y una fracción menor en la corteza terrestre. La alta volatilidad del neón y su incapacidad para formar compuestos que lo anclen a los sólidos explican su presencia limitada en la Tierra y los planetas terrestres interiores . La alta volatilidad del neón facilitó su escape de los planetesimales bajo el calor del Sol naciente del Sistema Solar primitivo. 

Las aplicaciones más destacadas del neón incluyen su uso en lámparas de neón de bajo voltaje , tubos de descarga de alto voltaje y letreros publicitarios de neón , donde emite un brillo distintivo de color rojo anaranjado. [ 14 ] [ 15 ] Esta misma línea de emisión roja es responsable de la luz roja característica de los láseres de helio-neón . Aunque el neón tiene algunas aplicaciones en tubos de plasma y como refrigerante, sus usos comerciales son relativamente limitados. Se obtiene principalmente mediante la destilación fraccionada del aire líquido , lo que lo hace significativamente más caro que el helio debido a que el aire es su única fuente.

Historia

Lámparas de descarga de gas neón que forman el símbolo del elemento neón.

El neón fue descubierto en 1898 por los químicos británicos Sir William Ramsay (1852–1916) y Morris Travers (1872–1961) en Londres . [ 10 ] El neón fue descubierto cuando Ramsay enfrió una muestra de aire hasta convertirla en líquido, luego calentó el líquido y capturó los gases a medida que se evaporaban. Los gases nitrógeno , oxígeno y argón habían sido identificados, pero los gases restantes fueron aislados aproximadamente en su orden de abundancia, en un período de seis semanas que comenzó a finales de mayo de 1898. El primer gas restante en ser identificado fue el kriptón ; el siguiente, después de que el kriptón fue retirado, fue un gas que dio una luz roja brillante bajo descarga espectroscópica. Este gas, identificado en junio, fue llamado "neón", el análogo griego del latín novum ("nuevo") [ 16 ] sugerido por el hijo de Ramsay. El característico color rojo anaranjado brillante emitido por el neón gaseoso cuando se excita eléctricamente fue notado de inmediato. Travers escribió más tarde: "el resplandor de luz carmesí del tubo contaba su propia historia y era una visión para contemplar y jamás olvidar". [ 17 ]

También se informó de un segundo gas junto con el neón, con una densidad aproximadamente igual a la del argón pero con un espectro diferente; Ramsay y Travers lo denominaron metargón . [ 18 ] [ 10 ] Sin embargo, el análisis espectroscópico posterior reveló que se trataba de argón contaminado con monóxido de carbono . Finalmente, el mismo equipo descubrió el xenón mediante el mismo proceso, en septiembre de 1898. [ 18 ]

La escasez de neón impidió su pronta aplicación en iluminación, al estilo de los tubos Moore , que utilizaban nitrógeno y se comercializaron a principios del siglo XX. Después de 1902, la empresa de Georges Claude , Air Liquide, produjo neón a escala industrial como subproducto de su negocio de licuefacción de aire. En diciembre de 1910, Claude demostró la iluminación de neón moderna basada en un tubo de neón sellado. Claude intentó brevemente vender tubos de neón para iluminación doméstica interior, debido a su intensidad, pero el mercado fracasó porque los propietarios se oponían al color. En 1912, un socio de Claude comenzó a vender tubos de descarga de neón como llamativos letreros publicitarios y tuvo un éxito inmediato. Los tubos de neón se introdujeron en Estados Unidos en 1923 con dos grandes letreros de neón adquiridos por un concesionario de automóviles Packard en Los Ángeles. El brillo y el llamativo color rojo hicieron que la publicidad con neón se diferenciara por completo de la competencia. [ 19 ] El color intenso y la vitalidad del neón se equiparaban con la sociedad estadounidense de la época, sugiriendo un "siglo de progreso" y transformando las ciudades en nuevos entornos sensacionales llenos de anuncios radiantes y "arquitectura electrográfica". [ 20 ] [ 21 ]

El neón desempeñó un papel fundamental en la comprensión de la naturaleza de los átomos en 1913, cuando J.J. Thomson , como parte de su investigación sobre la composición de los rayos canales , canalizó haces de iones de neón a través de un campo magnético y uno eléctrico, y midió la desviación de los haces con una placa fotográfica. Thomson observó dos manchas de luz distintas en la placa (véase la imagen), lo que sugería dos parábolas de desviación diferentes. Finalmente, Thomson concluyó que algunos de los átomos del gas neón tenían mayor masa que el resto. Aunque Thomson no lo comprendió en su momento, este fue el primer descubrimiento de isótopos de átomos estables . El dispositivo de Thomson era una versión rudimentaria del instrumento que hoy conocemos como espectrómetro de masas .

isótopos

La primera evidencia de isótopos de un elemento estable se obtuvo en 1913 mediante experimentos con plasma de neón. En la esquina inferior derecha de la placa fotográfica de J.J. Thomson se aprecian las marcas de impacto correspondientes a los dos isótopos, neón-20 y neón-22.

El neón tiene tres isótopos estables : 20Ne (90,48%), 21Ne (0,27%) y 22Ne (9,25%). [ 12 ] El 21Ne y el 22Ne son en parte primordiales y en parte nucleogénicos (es decir, producidos por reacciones nucleares de otros nucleidos con neutrones u otras partículas del entorno) y sus variaciones en abundancia natural se comprenden bien. En cambio, no se sabe que el 20Ne (el principal isótopo primordial producido en la nucleosíntesis estelar ) sea nucleogénico o radiogénico , excepto por la desintegración del oxígeno-20 , que se produce en casos muy raros de desintegración de cúmulos por torio-228 . Por lo tanto, las causas de la variación del 20Ne en la Tierra han sido objeto de intenso debate. [ 22 ] [ 23 ]

Las principales reacciones nucleares que generan isótopos de neón nucleogénicos parten del 24Mg y el 25Mg , que producen 21Ne y 22Ne respectivamente, tras la captura de neutrones y la emisión inmediata de una partícula alfa . Los neutrones que producen las reacciones se generan principalmente por reacciones de espalación secundarias de partículas alfa, derivadas a su vez de las cadenas de desintegración de la serie del uranio . El resultado neto produce una tendencia hacia menores proporciones de 20Ne / 22Ne y mayores proporciones de 21Ne / 22Ne observadas en rocas ricas en uranio, como los granitos . [ 23 ]

Además, el análisis isotópico de rocas terrestres expuestas ha demostrado la producción cosmogénica (por rayos cósmicos) de 21Ne . Este isótopo se genera mediante reacciones de espalación en magnesio , sodio , silicio y aluminio . Al analizar los tres isótopos, se puede distinguir el componente cosmogénico del neón magmático y del neón nucleogénico. Esto sugiere que el neón será una herramienta útil para determinar las edades de exposición cósmica de rocas superficiales y meteoritos . [ 24 ]

El neón en el viento solar contiene una mayor proporción de 20Ne que las fuentes nucleogénicas y cosmogénicas. [ 23 ] El contenido de neón observado en muestras de gases volcánicos y diamantes también está enriquecido en 20Ne , lo que sugiere un origen primordial, posiblemente solar. [ 25 ]

Características

El neón es el segundo gas noble más ligero, después del helio . Al igual que otros gases nobles, el neón es incoloro e inodoro. Brilla de color rojo anaranjado en un tubo de descarga al vacío . Tiene más de 40 veces la capacidad de refrigeración (por unidad de volumen) del helio líquido y tres veces la del hidrógeno líquido . [ 3 ] En la mayoría de las aplicaciones es un refrigerante menos costoso que el helio. [ 26 ] [ 27 ] A pesar de que el helio supera al neón en términos de energía de ionización , se teoriza que el neón es el menos reactivo químicamente de todos los elementos, incluso menos que el anterior. Múltiples estudios computacionales sugieren que el helio puede formar especies químicas estables en condiciones extremas. El ion hidruro de helio HeH⁺ se ha observado experimentalmente, y también se han confirmado sólidos a alta presión como Na 2 He . Además, trabajos teóricos predicen que el fluoruro de hidruro de helio (HHeF), un compuesto neutro de HeH +, podría ser estable bajo presión extrema, mientras que el compuesto análogo de neón HNeF parece no estar ligado y, por lo tanto, no existe. Por el contrario, no se conocen compuestos de neón estables, ni neutros ni covalentes, bajo ninguna presión ni temperatura. [ 28 ] Si bien se ha predicho teóricamente un complejo aniónico que contiene neón, [B12 ( CN) 11Ne ] - , su existencia aún no se ha demostrado experimentalmente, lo que deja al neón como el único gas noble para el cual no se ha confirmado definitivamente la existencia de compuestos. [ 29 ]

El espectro de emisión del neón muestra longitudes de onda individuales de luz que contribuyen a su color percibido cuando se calienta.

El plasma de neón presenta la descarga de luz más intensa a voltajes y corrientes normales de todos los gases nobles. El color promedio de esta luz para el ojo humano es rojo anaranjado debido a la presencia de numerosas líneas en este rango; además, contiene una intensa línea verde, que permanece oculta a menos que los componentes visuales se dispersen mediante un espectroscopio. [ 30 ]

Aparición

Los isótopos estables del neón se producen en las estrellas. El isótopo más abundante del neón, el 20Ne (90,48%), se crea mediante la fusión nuclear de carbono y carbono en el proceso de combustión del carbono de la nucleosíntesis estelar . Esto requiere temperaturas superiores a 500 megakelvin , que se dan en los núcleos de estrellas de más de 8 masas solares. [ 31 ] [ 32 ]

El neón es abundante a escala universal; es el quinto elemento químico más abundante en el universo por masa, después del hidrógeno, el helio, el oxígeno y el carbono (véase elemento químico ). [ 33 ] Su relativa rareza en la Tierra, al igual que la del helio, se debe a su relativa ligereza, su alta presión de vapor a temperaturas muy bajas y su inercia química, propiedades que tienden a evitar que quede atrapado en las nubes de gas y polvo condensadas que formaron los planetas sólidos más pequeños y cálidos como la Tierra. El neón es monoatómico, lo que lo hace más ligero que las moléculas de nitrógeno y oxígeno diatómicos que forman la mayor parte de la atmósfera terrestre; un globo lleno de neón ascenderá en el aire, aunque más lentamente que un globo de helio. [ 34 ]

La abundancia de neón en el universo es de aproximadamente 1 parte en 750 en masa; en el Sol y presumiblemente en su nebulosa proto-sistema solar, de aproximadamente 1 parte en 600. La sonda de entrada atmosférica de la nave espacial Galileo descubrió que en la atmósfera superior de Júpiter, la abundancia de neón se reduce (agota) en un factor de aproximadamente 10, a un nivel de 1 parte en 6000 en masa. Esto podría indicar que los planetesimales de hielo que trajeron neón a Júpiter desde el sistema solar exterior se formaron en una región demasiado cálida para retener el componente atmosférico de neón (las abundancias de gases inertes más pesados ​​en Júpiter son varias veces mayores que las que se encuentran en el Sol), [ 35 ] o que el neón se encuentra selectivamente secuestrado en el interior del planeta. [ 36 ]

El neón constituye 1 parte en 55 000 en la atmósfera terrestre , o 18,2  ppm en volumen (aproximadamente la misma fracción molecular o molar), o 1 parte en 79 000 de aire en masa. Constituye una fracción menor en la corteza terrestre. Se produce industrialmente mediante destilación fraccionada criogénica de aire licuado. [ 3 ]

El 17 de agosto de 2015, basándose en estudios realizados con la nave espacial Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), científicos de la NASA informaron de la detección de neón en la exosfera de la luna . [ 37 ]

Química

Estructura cristalina del hidrato de clatrato de Ne [ 38 ]

El neón es el primer gas noble del bloque p y el primer elemento con un verdadero octeto de electrones. Es inerte : al igual que su análogo más ligero, el helio , no se han identificado moléculas neutras fuertemente enlazadas que contengan neón . Un ejemplo de un compuesto de neón es Cr(CO) ₅Ne , que contiene un enlace Ne–Cr muy débil. [ 39 ] Los iones [NeAr ] ⁺ , [NeH ] ⁺ y [HeNe] ⁺ se han observado a partir de estudios ópticos y de espectrometría de masas . [ 3 ] El hidrato de clatrato de neón sólido se produjo a partir de hielo de agua y gas neón a presiones de 350–480  MPa y temperaturas de alrededor de −30  °C. [ 40 ] Los átomos de Ne no están enlazados al agua y pueden moverse libremente a través de este material. Se pueden extraer colocando el clatrato en una cámara de vacío durante varios días, lo que produce hielo XVI , la forma cristalina menos densa del agua. [ 38 ]

La conocida escala de electronegatividad de Pauling se basa en las energías de los enlaces químicos, pero es evidente que no se han medido dichos valores para el helio y el neón inertes. La escala de electronegatividad de Allen , que se basa únicamente en las energías atómicas (medibles), identifica al neón como el elemento más electronegativo, seguido de cerca por el flúor y el helio. [ 41 ]

La temperatura del punto triple del neón (24,5561  K) es un punto fijo definitorio en la Escala Internacional de Temperatura de 1990. [ 42 ]

Producción

El neón se produce a partir del aire en plantas criogénicas de separación de aire . Una mezcla en fase gaseosa compuesta principalmente de nitrógeno, neón, helio e hidrógeno [ 43 ] se extrae del condensador principal en la parte superior de la columna de separación de aire de alta presión y se alimenta a la parte inferior de una columna lateral para la rectificación del neón. [ 44 ] Posteriormente, se puede purificar aún más del helio poniéndolo en contacto con carbón activado. El hidrógeno se purifica del neón añadiendo oxígeno, lo que da lugar a la formación de agua, que luego se condensa. [ 43 ] Se pueden producir 0,45 kg (1 libra) de neón puro a partir del procesamiento de 40 000 kg (88 000 libras) de la mezcla en fase gaseosa. [ 43 ]  

Antes de la invasión rusa de Ucrania en 2022 , alrededor del 70% del suministro mundial de neón se producía en Ucrania [ 45 ] como subproducto de la producción de acero en Rusia . [ 46 ] A partir de 2020La empresa Iceblick , con plantas en Odesa y Moscú , suministra el 65% de la producción mundial de neón, así como el 15% del kriptón y el xenón . [ 47 ] [ 48 ]

escasez en 2022

Los precios mundiales del neón aumentaron aproximadamente un 600 % después de la anexión rusa de Crimea en 2014 , [ 49 ] lo que impulsó a algunos fabricantes de chips a comenzar a alejarse de los proveedores rusos y ucranianos [ 50 ] y a dirigirse hacia proveedores en China . [ 48 ] La invasión rusa de Ucrania en 2022 también cerró dos empresas en Ucrania que producían aproximadamente la mitad del suministro mundial: Cryoin Engineering ( en ucraniano : Кріоін Інжинірінг ) e Inhaz ( en ucraniano : ІНГАЗ ), ubicadas en Odesa y Mariupol , respectivamente. [ 49 ] Se predijo que el cierre exacerbaría la escasez de chips de COVID-19 , [ 48 ] [ 47 ] lo que podría desplazar aún más la producción de neón a China. [ 50 ]

Aplicaciones

Iluminación y señalización

Letrero de neón en una floristería de Hamden, Connecticut .

Se utilizan comúnmente dos tipos bastante diferentes de iluminación de neón . Las lámparas de neón suelen ser diminutas, y la mayoría funciona entre 100 y 250 voltios . [ 51 ] Se han utilizado ampliamente como indicadores de encendido y en equipos de prueba de circuitos, pero los diodos emisores de luz (LED) ahora dominan en esas aplicaciones. Estos sencillos dispositivos de neón fueron los precursores de las pantallas de plasma y las pantallas de televisión de plasma . [ 52 ] [ 53 ] Los letreros de neón suelen funcionar a voltajes mucho más altos (2–15 kilovoltios ), y los tubos luminosos suelen tener metros de longitud. [ 54 ] El tubo de vidrio a menudo se moldea en formas y letras para señalización, así como para aplicaciones arquitectónicas y artísticas.

En los letreros de neón , el neón produce una luz inconfundible de color rojo anaranjado brillante cuando la corriente eléctrica pasa a través de él a baja presión. [ 55 ] Aunque a menudo se denomina "neón" a los tubos fluorescentes de otros colores, estos utilizan diferentes gases nobles o distintos colores de iluminación fluorescente ; por ejemplo, el argón produce un tono lavanda o azul. [ 56 ] En 2012, existían más de cien colores disponibles. [ 57 ]

Otro

El neón se utiliza en tubos de vacío , indicadores de alto voltaje, pararrayos , tubos de medición de ondas , tubos de televisión y láseres de helio-neón . Las mezclas de gases que incluyen neón de alta pureza se utilizan en láseres para fotolitografía en la fabricación de dispositivos semiconductores . [ 49 ]

El neón líquido se utiliza comercialmente como refrigerante criogénico en aplicaciones que no requieren el rango de temperaturas más bajas que se puede alcanzar con la refrigeración por helio líquido, que es más extrema .

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  • El neón en la tabla periódica de los vídeos (Universidad de Nottingham)
  • WebElements.com  – Neón .
  • Es Elemental  – Neón
  • Tabla periódica del USGS  – Neón
  • Espectro atómico del neón
  • Museo del Neón, Las Vegas