ネオン

ネオンは化学元素であり、記号はNe、原子番号は10です。周期表では2番目に希ガスです。 ^{[ 13 ]}ネオンは標準状態では無色無臭の不活性単原子ガスで、密度は空気の約3分の2です。

ネオンは1898年にクリプトンとキセノンとともに発見され、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素を除去した後の乾燥空気中に残る3つの希少な不活性元素の1つとして特定されました。その発見は、特徴的な明るい赤色の発光スペクトルによって特徴づけられ、すぐに新しい元素として認識されました。ネオンという名前は、ギリシャ語のνέον（neos）の単数中性形であり、「新しい」という意味です。ネオンは化学的に不活性なガスです。ネオン化合物は存在しますが、それらは主にイオン分子またはファンデルワールス力で結合した壊れやすい分子です。

宇宙におけるネオンの大部分は、恒星内部での酸素とヘリウムのアルファ捕獲過程による核融合によって合成された。宇宙と太陽系には豊富に存在し、宇宙存在量では水素、ヘリウム、酸素、炭素に次いで5番目に多いにもかかわらず、ネオンは地球上では比較的少ない。地球の大気体積の約18.2 ppmを占め、地殻ではそれよりも少ない割合を占めている。ネオンの高い揮発性と、固体に固定される化合物を形成できないことが、地球および内惑星におけるネオンの存在量が限られている理由である。ネオンの高い揮発性は、初期の太陽系の誕生したばかりの太陽の熱によって微惑星から脱出するのに役立った。 

ネオンの注目すべき用途としては、低電圧ネオングローランプ、高電圧放電管、ネオン広告看板などがあり、独特の赤橙色の光を発します。^{[ 14 ] [ 15 ]}この同じ赤色発光線は、ヘリウムネオンレーザーの特徴的な赤色光の原因となっています。ネオンはプラズマ管や冷媒としていくつかの用途がありますが、商業的な用途は比較的限られています。ネオンは主に液体空気の分留によって得られるため、唯一の供給源が空気であることから、ヘリウムよりもかなり高価です。

ネオンは、1898年にロンドンでイギリスの化学者ウィリアム・ラムゼー卿（1852～1916年）とモリス・トラバース（1872～1961年）によって発見されました。^{[ 10 ]}ラムゼーは、空気のサンプルを液体になるまで冷却し、その後液体を温めて沸騰したガスを捕集したときにネオンを発見しました。窒素、酸素、アルゴンのガスは特定されていましたが、残りのガスは、1898年5月末から始まる6週間の間に、おおよそ存在量の順に分離されました。最初に特定された残りのガスはクリプトンでした。クリプトンが除去された後、次に分光放電で鮮やかな赤い光を発するガスが特定されました。6月に特定されたこのガスは、ラムゼーの息子が提案したラテン語のnovum（「新しい」）のギリシャ語の類似語である「ネオン」と名付けられました。 ^{[ 16 ]}ガス状ネオンが電気的に励起されたときに発する特徴的な鮮やかな赤橙色はすぐに注目された。トラバースは後にこう書いている。「管から放たれる深紅の光はそれ自体が物語を語り、いつまでも心に残る光景だった。」^{[ 17 ]}

ネオンとともに、アルゴンとほぼ同じ密度だがスペクトルが異なる2番目のガスも報告された。ラムゼーとトラバースはそれをメタゴンと名付けた。^{[ 18 ] [ 10 ]}しかし、その後の分光分析により、それは一酸化炭素で汚染されたアルゴンであることが明らかになった。最終的に、同じチームが1898年9月に同じ方法でキセノンを発見した。 ^{[ 18 ]}

ネオンの希少性から、窒素を使用し1900年代初頭に商品化されたムーア管のような照明への迅速な応用は阻まれた。1902年以降、ジョルジュ・クロードの会社エア・リキードは、空気液化事業の副産物として工業規模のネオンを生産した。1910年12月、クロードは密閉されたネオン管を用いた現代的なネオン照明を実演した。クロードは、その明るさから家庭用室内照明としてネオン管を販売しようと試みたが、住宅所有者がその色に反対したため市場は失敗に終わった。1912年、クロードの協力者が人目を引く広告看板としてネオン放電管の販売を開始し、たちまち成功を収めた。ネオン管は1923年にロサンゼルスのパッカード自動車販売店が購入した2つの大型ネオンサインによって米国に導入された。その輝きと目を引く赤色は、ネオン広告を競合他社とは全く異なるものにした。^{[ 19 ]}ネオンの鮮やかな色彩と活気は当時のアメリカ社会を象徴し、「進歩の世紀」を暗示し、都市を放射状の広告と「電子グラフィック建築」で満たされたセンセーショナルな新しい環境へと変貌させた。^{[ 20 ] [ 21 ]}

1913年、JJトムソンは、カナル光線の組成を研究する過程で、ネオンイオンの流れを磁場と電場に通し、写真乾板でその偏向を測定した。ネオンは写真乾板上に2つの異なる光の斑点（図参照）を観察し、これは2つの異なる放物線状の偏向を示唆していた。トムソンは最終的に、ネオンガス中の原子の一部は他の原子よりも質量が大きいと結論付けた。当時トムソン自身は理解していなかったが、これは安定同位体の最初の発見であった。トムソンの装置は、現在質量分析計と呼ばれる装置の原始的なバージョンであった。

ネオンには²⁰ Ne (90.48%)、²¹ Ne (0.27%)、²² Ne (9.25%)の3 つの安定同位体があります。 ^{[ 12 ] 21} Ne と²² Ne は、一部は原始的であり、一部は核生成(つまり、環境中の他の核種と中性子または他の粒子との核反応によって生成される) であり、その自然存在比の変動はよく理解されています。対照的に、^{20 Ne (恒星}核合成で生成される主な原始同位体) は、トリウム 228によるクラスター崩壊の非常にまれなケースで生成される酸素 20の崩壊を除いて、核生成または放射性であることが知られていません。したがって、地球における²⁰ Neの変動の原因は、激しく議論されてきました。 ^{[ 22 ] [ 23 ]}

核生成ネオン同位体を生成する主要な核反応は、²⁴ Mg と²⁵ Mgから始まり、それぞれ中性子捕獲とアルファ粒子の即時放出によって²¹ Ne と²² Neを生成します。反応を生成する中性子は、主にウラン系列崩壊連鎖から生じるアルファ粒子からの二次核破砕反応によって生成されます。その結果、花崗岩などのウランに富む岩石で観察される²⁰ Ne/ ²² Ne 比が低く、²¹ Ne/ ²² Ne 比が高くなる傾向が生じます。^{[ 23 ]}

さらに、露出した地表岩石の同位体分析により、宇宙線による21Neの生成が実証されています。この^{同位体は、}マグネシウム、ナトリウム、ケイ素、アルミニウムの核破砕反応によって生成されます。3つの同位体すべてを分析することで、宇宙線由来の成分をマグマ由来のネオンと核生成由来のネオンから分離することができます。このことから、ネオンは地表岩石や隕石の宇宙線曝露年代を決定する上で有用なツールとなることが示唆されます。^{[ 24 ]}

太陽風中のネオンは、核生成源や宇宙生成源よりも^20Neの割合が高い。^{[ 23 ]}火山ガスやダイヤモンドのサンプルで観測されるネオン含有量も^20Neが濃縮されており、原始的、おそらく太陽起源であることを示唆している。^{[ 25 ]}

ネオンはヘリウムに次いで2番目に軽い希ガスです。他の希ガスと同様に、ネオンは無色無臭です。真空放電管内では赤橙色に光ります。液体ヘリウムの40倍以上、液体水素の3倍の冷却能力（単位体積あたり）があります。^{[ 3 ]}ほとんどの用途では、ヘリウムよりも安価な冷媒です。^{[ 26 ] [ 27 ]}イオン化エネルギーの点ではヘリウムがネオンを上回っていますが、ネオンはすべての元素の中で化学的に最も反応性が低く、ヘリウムよりもさらに低いと理論づけられています。複数の計算研究では、ヘリウムが極限条件下で安定な化学種を形成できることが示唆されています。ヘリウム水素化物イオンHeH⁺_は実験的に観測されており、 Na2Heなどの高圧固体も確認されています。さらに、理論研究では、HeH ⁺から生成される中性化合物であるヘリウム水素化フッ化物 (HHeF) は極度の圧力下で安定である可能性があると予測されているが、類似のネオン化合物 HNeF は結合していないため存在しないと考えられる。対照的に、安定な中性または共有結合性のネオン化合物は、いかなる圧力または温度下でも存在することが知られていない。^{[ 28 ]}ネオンを含む陰イオン錯体 [B ₁₂ (CN) ₁₁ Ne] ^-は理論的に予測されているが、その存在はまだ実験的に証明されておらず、ネオンは化合物が確実に存在することが確認されていない唯一の希ガスとなっている。^{[ 29 ]}

ネオンプラズマは、通常の電圧と電流において、すべての希ガスの中で最も強い発光を示します。この光の平均的な色は、この範囲に多くの線が含まれているため、人間の目には赤橙色に見えます。また、分光器で可視成分を分散させない限り隠れてしまう強い緑色の線も含まれています。^{[ 30 ]}

ネオンの安定同位体は恒星で生成されます。ネオンの最も豊富な同位体である²⁰ Ne (90.48%) は、恒星核合成の炭素燃焼過程における炭素と炭素の核融合によって生成されます。これには 500メガケルビンを超える温度が必要であり、これは太陽質量の 8 倍以上の恒星の中心部で発生します。^{[ 31 ] [ 32 ]}

ネオンは宇宙規模で豊富に存在し、質量では水素、ヘリウム、酸素、炭素に次いで宇宙で5番目に豊富な化学元素です（化学元素を参照）。^{[ 33 ]}ヘリウムと同様に、地球上でのネオンの相対的な希少性は、その相対的な軽さ、極低温での高い蒸気圧、化学的不活性によるものであり、これらの特性により、地球のような小さくて暖かい固体惑星を形成した凝縮ガスや塵の雲に閉じ込められることが少なくなります。ネオンは単原子分子であるため、地球の大気の大部分を構成する二原子窒素や酸素の分子よりも軽く、ネオンを充填した風船は、ヘリウム風船よりもゆっくりではありますが、空中に上昇します。^{[ 34 ]}

宇宙におけるネオンの存在量は質量比で約 750 分の 1 であり、太陽およびおそらくその原始太陽系星雲では約 600 分の 1 である。ガリレオ探査機の大気突入プローブは、木星の上層大気ではネオンの存在量が約 10 分の 1 に減少（枯渇）し、質量比で 6,000 分の 1 のレベルになっていることを発見した。これは、太陽系外から木星にネオンをもたらした氷の微惑星が、ネオンの大気成分を保持するには温度が高すぎる領域で形成されたこと（木星のより重い不活性ガスの存在量は太陽の数倍である）^{[ 35 ]} 、またはネオンが惑星内部に選択的に隔離されていることを示している可能性がある。^{[ 36 ]}

ネオンは地球の大気中に55,000分の1 、体積比で18.2  ppm（これは分子またはモル分率とほぼ同じ）、質量比で空気中の79,000分の1を占めています。地殻にはより少ない割合で存在します。工業的には、液化空気の極低温分留によって生産されます。^{[ 3 ]}

2015年8月17日、NASAの科学者たちは、月大気塵環境探査機（LADEE）による研究に基づき、月の外気圏でネオンが検出されたと報告した。^{[ 37 ]}

ネオンは最初のpブロック希ガスであり、真のオクテット電子を持つ最初の元素です。ネオンは不活性です。より軽い類似元素であるヘリウムの場合と同様に、ネオンを含む強く結合した中性分子は確認されていません。ネオン化合物の例としては、非常に弱いNe–Cr結合を含むCr(CO) _{5Neがあります。} ^{[ 39 ]}イオン[Ne Ar ] ⁺、[Ne H ] ⁺、および[HeNe] ⁺は、光学および質量分析研究から観測されています。^{[ 3 ]}固体ネオンクラスレートハイドレートは、350～480 MPaの圧力と約-30 ℃の温度で水氷とネオンガスから生成されました。 ^{[ 40 ]} Ne原子は水に結合しておらず、この物質中を自由に移動できます。クラスレートを数日間真空チャンバーに入れることでNe原子を抽出でき、水の最も密度の低い結晶形である氷XVIが得られます。^{[ 38 ]}  

おなじみのポーリングの電気陰性度スケールは化学結合エネルギーに基づいているが、不活性なヘリウムとネオンについてはそのような値は明らかに測定されていない。アレンの電気陰性度スケールは（測定可能な）原子エネルギーのみに基づいており、ネオンを最も電気陰性度の高い元素とし、フッ素とヘリウムがそれに続くとしている。^{[ 41 ]}

ネオンの三重点温度（24.5561 K ）は、 1990年の国際温度目盛 における定義固定点である。^{[ 42 ]}

ネオンは極低温空気分離プラントで空気から製造されます。主に窒素、ネオン、ヘリウム、水素からなる気相混合物^{[ 43 ]}が高圧空気分離カラム上部の主凝縮器から取り出され、ネオンの精留のために側塔の下部に供給されます。 ^{[ 44 ]}その後、活性炭と接触させることでヘリウムをさらに精製できます。水素は酸素を加えることでネオンから精製され、水が生成されて凝縮されます。^{[ 43 ]} 88,000ポンド（40,000 kg）の気相混合物を処理することで、1ポンド（0.45 kg）の純粋なネオンを製造できます。 ^{[ 43 ]}  

2022年のロシアによるウクライナ侵攻以前は、世界のネオン供給量の約70%がロシアでの鉄鋼生産の副産物としてウクライナで生産されていた^{[ 45 ] [ 46 ]}。2020年現在、アイスブリック社は、オデッサとモスクワに工場を持ち、世界のネオン生産量の65％、クリプトンとキセノンの15％を供給している。^{[ 47 ] [ 48 ]}

• ネオンに関する動画（ノッティンガム大学提供）
• WebElements.com  – ネオン。
• イッツ・エレメンタル – ネオン
• USGS周期表 – ネオン
• ネオンの原子スペクトル
• ネオンミュージアム、ラスベガス