Для чего нужен неон

Ещё недавно электровакуумная промышленность и научные лаборатории были единственными потребителями неона. Их нужды могли удовлетворить отделения неоно-гелиевой смеси установок малой и средней мощности.

В последние годы положение стало меняться. На неон как хладагент предъявляет спрос интенсивно развивающаяся криогенная техника, и ей нужно куда больше неона, чем традиционным потребителям. Впрочем, понятие о количествах тут относительное. Даже на установке, перерабатывающей в час 170 тыс. м³ воздуха, за сутки получают всего 8 сорокалитровых баллонов неона (под давлением 150 атм). Сегодня спрос на неон превышает его производство.

Неон применяется в электровакуумной технике для наполнения стабилизаторов напряжения, фотоэлементов и других приборов.

Какие качества неона привлекли к нему внимание криогенщиков? Определённую роль играет нехватка гелия, что заставило искать заменяющие его холодные жидкости. Сжиженный неон создает холод на уровне 43 – 27° абсолютной шкалы. Этого достаточно для криогенной радиоэлектроники (детекторы инфракрасного излучения, мазеры, лазеры) и отраслей электротехники, которые используют в качестве сверхпроводников сплавы с высокими критическими температурами перехода. Правда, такой и даже более сильный холод может дать и жидкий водород, но его применение чревато опасностью взрывов.

Жидкий неон взрывобезопасен, и, кроме того, у него есть сугубо индивидуальные достоинства. Он тяжелее воды, его скрытая теплота испарения в 2 раза больше, чем у водорода, и раз в 20 больше, чем у гелия. Оттого малы потери неона: в современных криостатах он хорошо сохраняется в течение многих месяцев. Неон отводит в 3,3 раза больше тепла, чем такое же по объёму количество жидкого водорода, а если пользоваться твёрдым неоном, то ещё на 20% больше.

В неоновом криостате можно с большой точностью регулировать температуру. Для этого достаточно только поддерживать заданное давление: даже при малых изменениях температуры резко меняется упругость паров над жидким неоном.

При температурах жидкого неона хранят ракетное топливо. В жидком неоне замораживают свободные радикалы, консервируют животные ткани и имитируют условия космического пространства в термобарокамерах. В неоновых криостатах безопасно проводить такие деликатные, не терпящие тепла реакции, как прямой синтез Н2О2 из жидкого озона и атомарного водорода или получение фторидов кислорода (O2F2, O3F2 и O4F2).

Подвижность неона, малая его растворимость в жидкостях организма позволяют заменять гелий в искусственном безазотном воздухе неоно-гелиевой смесью. Таким воздухом дышат океанафты, водолазы, вообще люди, реботающие при повышенных давлениях, чтобы избежать азотной эмболии и азотного наркоза. Лёгкий неоно-гелиевый воздух облегчает также состояние больных, страдающих расстройствами дыхания. У неоно-гелиевого воздуха есть одно преимущество перед воздухом, в котором азот заменён чистым гелием, – он меньше охлаждает организм, так как теплопроводность его меньше.

Неон получают совместно с гелием в качестве побочного продукта в процессе сжижения и разделения воздуха. Разделение гелия и неона осуществляется за счёт адсорбции или конденсации. Адсорбционный метод основан на способности неона в отличие от гелия адсорбироваться активированным углём, охлаждённым жидким азотом. Конденсационный способ основан на вымораживании неона при охлаждении смеси жидким водородом.

На Земле и в Космосе

Неон находят повсюду – «на Земле, в небесах и на море». Наибольшая концентрация его в атмосфере – 0,00182% по объёму. А всего на нашей планете около 6,6 · 10¹º т неона.

Природный неон состоит из трёх стабильных изотопов: ²ºNe, ²¹Ne и²²Ne. Повсеместно преобладает лёгкий ²ºNe. В воздушном неоне его 90,92%, на долю ²¹Ne приходится 0,257%, а на долю ²²Ne – 8,82%.

Среднее содержание неона в земной коре мало – всего 0,00007 г/т. В изверженных породах, составляющих основную массу литосферы, около 3 млрд. т неона. Отсюда, по мере разрушения пород, неон улетучивается в атмосферу. В меньшей мере атмосферу снабжают неоном и природные воды.

Неон – самый малочисленный обитатель Земли из всех элементов своего периода. Это характерно для всех инертных газов, несмотря на то что элементам с чётными номерами обычно присуще большая распространённость. «Земная» диаграмма резко контрастирует с «космической»: в газовых туманностях и некоторых звёздах неона в миллионы раз больше, чем на Земле.

Концентрация неона в мировой материи неравномерно, в целом же по распространённости во Вселенной он занимает пятое или шестое место среди всех элементов. Неон обильно представлен в горячих звёздах – красных гигантах, в газовых туманностях, в атмосфере внешних планет солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. В 1974 году американский астроном М. Харт установил, что атмосфера далёкого Плутона в нижних слоях примерно так же плотна, как земная. Учитывая низкую температуру атмосферы Плутона (около 40 К) Харт вычислил, что в этой атмосфере преобладает неон.

Причину неоновой бедности нашей планеты учёные усматривают в том, что когда-то Земля потеряла свою первичную атмосферу, которая унесла с собой основную массу инертных газов. Они ведь не могли, как кислород и другие газы, химически связаться с другими элементами в минералы и тем самым закрепиться на планете.

До сих пор не выяснен источник главенствующего на Земле лёгкого изотопа ²ºNe. Во многих α-активных минералах содержание тяжёлых ²¹Ne и²²Ne в десятки и сотни раз больше содержания их в воздухе. Уже одно колебание содержания изотопов неона в минералах убеждает, что по меньшей мере часть неона-21 и неона-22 возникла в глубинах Земли; образовались эти изотопы в ядерных превращениях. Одно из них доказано бесспорно: это захват α-частиц ядрами тяжёлого кислорода-18:

8О + 2Не = 10Ne + ¹0n.

Вероятно, и неон, подобно водороду и гелию, но только очень медленно, отлетает из атмосферы в космос. Однако существующие методы исследования недостаточно тонки, чтобы экспериментально подтвердить это положение; полагают, что слои атомарного кислорода и гелия в верхней атмосфере Земли содержат примесь неона.

Считается, что в космосе, как и на Земле, преобладает лёгкий изотоп ²ºNe. Правда, в метеоритах находят немало ²¹Ne и²²Ne, но предполагают, что эти изотопы образовались в самих метеоритах, покуда те странствовали во Вселенной под обстрелом космических лучей.

Из чего возник мировой неон? Этот вопрос – часть общеё проблемы происхождения химических элементов во Вселенной. Физики подсчитали, что ядро неона-20, как и ядра других лёгких элементов с массовыми числами, кратными четырём, легче всего получается при слиянии ядер гелия на горячих звёздах, где температура достигает 150 миллионов градусов и давления колоссальны…