Neón

El neón es un elemento químico de símbolo Ne y número atómico 10. Es un gas noble. El neón es un gas monoatómico inerte, incoloro e inodoro en condiciones estándar, con aproximadamente dos tercios de la densidad del aire. Fue descubierto (junto con el criptón y el xenón) en 1898 como uno de los tres elementos inertes raros residuales que quedan en el aire seco, después de que se eliminaron el nitrógeno, el oxígeno, el argón y el dióxido de carbono. El neón fue el segundo de estos tres gases raros en ser descubierto y fue reconocido inmediatamente como un nuevo elemento de su espectro de emisión de color rojo brillante. El nombre neón se deriva de la palabra griega, νέον, forma singular neutra de νέος (neos), que significa 'nuevo'. El neón es químicamente inerte y no se conocen compuestos de neón sin carga. Los compuestos de neón actualmente conocidos incluyen moléculas iónicas, moléculas unidas por fuerzas de van der Waals y clatratos.

Durante la nucleogénesis cósmica de los elementos, se acumulan grandes cantidades de neón a partir del proceso de fusión de captura alfa en las estrellas. Aunque el neón es un elemento muy común en el universo y el sistema solar (es el quinto en abundancia cósmica después del hidrógeno, el helio, el oxígeno y el carbono), es raro en la Tierra. Compone aproximadamente 18,2 ppm de aire por volumen (esto es aproximadamente lo mismo que la fracción molecular o molar) y una fracción más pequeña en la corteza terrestre. La razón de la relativa escasez de neón en la Tierra y los planetas interiores (terrestres) es que el neón es muy volátil y no forma compuestos para fijarlo a los sólidos. Como resultado, escapó de los planetesimales bajo el calor del Sol recién encendido en el Sistema Solar primitivo. Incluso la atmósfera exterior de Júpiter está algo desprovista de neón, aunque por una razón diferente.

El neón da un brillo anaranjado rojizo distintivo cuando se usa en lámparas incandescentes de neón de bajo voltaje, tubos de descarga de alto voltaje y letreros publicitarios de neón. La línea de emisión roja del neón también provoca la conocida luz roja de los láseres de helio-neón. El neón se usa en algunas aplicaciones de tubos de plasma y refrigerantes, pero tiene pocos otros usos comerciales. Se extrae comercialmente por destilación fraccionada de aire líquido. Dado que el aire es la única fuente, es considerablemente más caro que el helio.

Historia

El neón fue descubierto en 1898 por los químicos británicos Sir William Ramsay (1852–1916) y Morris Travers (1872–1961) en Londres. El neón se descubrió cuando Ramsay enfrió una muestra de aire hasta que se convirtió en líquido, luego calentó el líquido y capturó los gases a medida que se evaporaban. Se habían identificado los gases nitrógeno, oxígeno y argón, pero los gases restantes se aislaron aproximadamente en su orden de abundancia, en un período de seis semanas que comenzó a fines de mayo de 1898. El primero en identificarse fue el criptón. El siguiente, después de haber eliminado el criptón, era un gas que emitía una luz roja brillante bajo una descarga espectroscópica. Este gas, identificado en junio, recibió el nombre de "neón", el análogo griego del latín novum ('nuevo')sugerido por el hijo de Ramsay. El característico color rojo anaranjado brillante emitido por el neón gaseoso cuando se excita eléctricamente se notó de inmediato. Travers escribió más tarde: "el resplandor de la luz carmesí del tubo contó su propia historia y fue un espectáculo para reflexionar y nunca olvidar".

También se informó de un segundo gas junto con el neón, que tiene aproximadamente la misma densidad que el argón pero con un espectro diferente: Ramsay y Travers lo llamaron metargón. Sin embargo, el análisis espectroscópico posterior reveló que estaba contaminado con argón y monóxido de carbono. Finalmente, el mismo equipo descubrió el xenón por el mismo proceso, en septiembre de 1898.

La escasez de neón impidió su pronta aplicación para la iluminación en la línea de los tubos de Moore, que usaban nitrógeno y que se comercializaron a principios del siglo XX. Después de 1902, la compañía Air Liquide de Georges Claude produjo cantidades industriales de neón como subproducto de su negocio de licuefacción de aire. En diciembre de 1910, Claude hizo una demostración de iluminación de neón moderna basada en un tubo de neón sellado. Claude trató brevemente de vender tubos de neón para iluminación interior doméstica, debido a su intensidad, pero el mercado fracasó porque los propietarios objetaron el color. En 1912, el socio de Claude comenzó a vender tubos de descarga de neón como carteles publicitarios llamativos y tuvo un éxito instantáneo. Los tubos de neón se introdujeron en los EE. UU. en 1923 con dos grandes letreros de neón comprados por un concesionario de automóviles Packard de Los Ángeles.El color intenso y la vitalidad del neón equiparaban a 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".

El neón desempeñó un papel en la comprensión básica de la naturaleza de los átomos en 1913, cuando JJ Thomson, como parte de su exploración de la composición de los rayos del canal, canalizó corrientes de iones de neón a través de un campo magnético y eléctrico y midió la desviación del arroyos con una placa fotográfica. Thomson observó dos manchas separadas de luz en la placa fotográfica (ver imagen), lo que sugería dos parábolas de desviación diferentes. Thomson finalmente llegó a la conclusión de que algunos de los átomos del gas neón tenían una masa mayor que el resto. Aunque Thomson no lo entendió en ese momento, este fue el primer descubrimiento de isótopos de átomos estables. El dispositivo de Thomson era una versión tosca del instrumento que ahora llamamos espectrómetro de masas.

Isótopos

El neón es el segundo gas inerte más ligero. El neón tiene tres isótopos estables: Ne (90,48 %), Ne (0,27 %) y Ne (9,25 %). Ne y Ne son en parte primordiales y en parte nucleogénicos (es decir, formados por reacciones nucleares de otros nucleidos con neutrones u otras partículas en el medio ambiente) y sus variaciones en abundancia natural son bien conocidas. Por el contrario, no se sabe que Ne (el principal isótopo primordial producido en la nucleosíntesis estelar) sea nucleogénico o radiogénico. Las causas de la variación de Ne en la Tierra han sido objeto de acalorados debates.

Las principales reacciones nucleares que generan isótopos nucleogénicos de neón parten del Mg y Mg, que producen Ne y Ne respectivamente, tras la captura de neutrones y la emisión inmediata de una partícula alfa. Los neutrones que producen las reacciones son producidos principalmente por reacciones secundarias de espalación de partículas alfa, a su vez derivadas de cadenas de desintegración de la serie de uranio. El resultado neto arroja una tendencia hacia relaciones Ne/Ne más bajas y Ne / Ne más altas observadas en rocas ricas en uranio como los granitos. Ne también se puede producir en una reacción nucleogénica, cuando Ne absorbe un neutrón de varias fuentes de neutrones terrestres naturales.

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

Similar al xenón, el contenido de neón observado en muestras de gases volcánicos está enriquecido en Ne y Ne nucleogénico en relación con el contenido de Ne. El contenido isotópico de neón de estas muestras derivadas del manto representa una fuente de neón no atmosférica. Los componentes enriquecidos con Ne se atribuyen a componentes exóticos primordiales de gases raros en la Tierra, posiblemente representando al neón solar. Las abundancias elevadas de Ne se encuentran en los diamantes, lo que sugiere aún más un depósito de neón solar en la Tierra.

Características

El neón es el segundo gas noble más ligero, después del helio. Brilla de color naranja rojizo en un tubo de descarga de vacío. Además, el neón tiene el rango de líquido más estrecho de todos los elementos: de 24,55 a 27,05 K (-248,45 °C a -245,95 °C, o -415,21 °F a -410,71 °F). Tiene más de 40 veces la capacidad de refrigeración (por unidad de volumen) del helio líquido y tres veces la del hidrógeno líquido. En la mayoría de las aplicaciones es un refrigerante menos costoso que el helio.

Espectro de neón con líneas ultravioleta (a la izquierda) e infrarrojas (a la derecha) mostradas en blanco

El plasma de neón tiene 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 muchas líneas en este rango; también contiene una línea verde fuerte, que está oculta, a menos que los componentes visuales sean dispersados ​​por un espectroscopio.

Dos tipos muy diferentes de luces de neón son de uso común. Las lámparas de neón son generalmente pequeñas y la mayoría opera entre 100 y 250 voltios. Han sido ampliamente utilizados como indicadores de encendido y en equipos de prueba de circuitos, pero los diodos emisores de luz (LED) ahora dominan en esas aplicaciones. Estos simples dispositivos de neón fueron los precursores de las pantallas de plasma y las pantallas de televisión de plasma. Los letreros de neón suelen funcionar con voltajes mucho más altos (2 a 15 kilovoltios) y los tubos luminosos suelen tener varios metros de largo. El tubo de vidrio a menudo se forma en formas y letras para señalización, así como para aplicaciones arquitectónicas y artísticas.

Ocurrencia

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

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

La abundancia de neón en el universo es de aproximadamente 1 parte en 750; en el Sol y presumiblemente en la nebulosa proto-sistema solar, aproximadamente 1 parte en 600. La sonda de entrada atmosférica de la nave espacial Galileo descubrió que incluso en la atmósfera superior de Júpiter, la abundancia de neón se reduce (agota) en un factor de 10 aproximadamente, a un nivel de 1 parte en 6.000 en masa. Esto puede indicar que incluso los planetesimales de hielo, que trajeron neón a Júpiter desde el sistema solar exterior, se formaron en una región que era demasiado cálida para retener el componente atmosférico de neón (la abundancia de gases inertes más pesados ​​en Júpiter es varias veces superior a la que se encuentra en el planeta). Sol).

El neón comprende 1 parte en 55 000 en la atmósfera terrestre, o 18,2 ppm por volumen (esto es aproximadamente lo mismo que la molécula o fracción molar), o 1 parte en 79 000 de aire en masa. Comprende una fracción más pequeña en la corteza. Se produce industrialmente por destilación fraccionada criogénica de aire licuado.

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

Química

El neón es el primer gas noble del bloque p y el primer elemento con un octeto verdadero de electrones. Es inerte: al igual que su análogo más ligero, el helio, no se han identificado moléculas neutras fuertemente unidas que contengan neón. Los iones [NeAr], [NeH] y [HeNe] se han observado a partir de estudios ópticos y de espectrometría de masas. El hidrato de clatrato de neón sólido se produjo a partir de hielo de agua y gas de neón a presiones de 350 a 480 MPa y temperaturas de aproximadamente -30 ° C. Los átomos de Ne no están unidos 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 de agua cristalina menos densa.

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

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

Producción

El neón se produce a partir del aire en plantas criogénicas de separación de aire. Una mezcla de fase gaseosa principalmente de nitrógeno, neón y helio se extrae del condensador principal en la parte superior de la columna de separación de aire a alta presión y se alimenta al fondo de una columna lateral para la rectificación del neón. Luego se puede purificar aún más a partir de helio.

Alrededor del 70% del suministro mundial de neón se produce en Ucrania como subproducto de la producción de acero en Rusia. A partir de 2020, la empresa Iceblick, con plantas en Odessa y Moscú, suministra el 65 % de la producción mundial de neón, así como el 15 % del criptón y el xenón.

2022 escasez

Los precios globales del neón aumentaron alrededor de un 600 % después de la anexión rusa de Crimea en 2014, lo que impulsó a algunos fabricantes de chips a comenzar a alejarse de los proveedores rusos y ucranianos y a proveedores en China. La invasión rusa de Ucrania en 2022 también cerró dos empresas en Ucrania: LLC «Cryoin Engineering» (ucraniano: ТОВ «Кріоін Інжинірінг») y LLC «Ingaz» (ucraniano: ТОВ «ІНГАЗ») ubicadas en Odessa y Mariupol respectivamente; que produjo alrededor de la mitad de la oferta mundial. Se predijo que el cierre probablemente exacerbaría la escasez de chips de COVID-19, lo que podría trasladar aún más la producción de neón a China.

Aplicaciones

El neón se usa a menudo en letreros y produce una inconfundible luz brillante de color naranja rojizo. Aunque las luces de tubo con otros colores a menudo se denominan "neón", utilizan diferentes gases nobles o colores variados de iluminación fluorescente.

El neón se utiliza en tubos de vacío, indicadores de alto voltaje, pararrayos, tubos medidores de ondas, tubos de televisión y láseres de helio-neón. El neón licuado se usa comercialmente como refrigerante criogénico en aplicaciones que no requieren el rango de temperatura más bajo que se puede lograr con una refrigeración de helio líquido más extrema.

El neón, como líquido o gas, es relativamente caro: en pequeñas cantidades, el precio del neón líquido puede ser más de 55 veces superior al del helio líquido. El costo principal del neón es la rareza del neón, que, a diferencia del helio, solo se puede obtener en cantidades utilizables filtrándolo de la atmósfera.

La industria de semiconductores

A partir de 2022, las mezclas de gases que incluyen neón se utilizan para alimentar láseres para litografía EUV.