Неон окружает нас почти каждый день, но часто мы его просто не замечаем. Он светится красным в вывесках на фасадах кафе, он зажигается в лампах-вспышках фотоаппаратов, он помогает охлаждать самое чувствительное оборудование. И при этом неон - один из самых редкостных и «нелюдимых» газов на Земле. Он почти не вступает в реакции, не имеет запаха, не имеет цвета в обычном состоянии. Но стоит пропустить через него электрический ток - и он вспыхивает ярким оранжево-красным пламенем, которое видно за километры.
Что же такое неон на самом деле? Как его добывают, зачем он нужен и почему без него не обходится ни современная наука, ни городская реклама? Попробуем разобраться с подсказками из интернета.
Часть 1. Просто газ, но не совсем обычный
С точки зрения химии неон - это элемент под номером 10 в таблице Менделеева. Он относится к так называемым благородным газам. В эту же компанию входят гелий, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Все они похожи в одном - им очень не нравится вступать в химические связи с другими элементами. Неон в этом смысле - рекордсмен по скромности. На сегодняшний день не известно ни одного стабильного химического соединения, где неон был бы связан с другим атомом. Ни одной молекулы с его участием в природе не существует. Он всегда один, всегда отдельно.
В обычных условиях неон - это газ без цвета и без запаха. Он в 1,5 раза тяжелее воздуха, но это не мешает ему рассеиваться в атмосфере. Неон не горюч, не взрывоопасен, не ядовит. Если бы вы вдохнули немного чистого неона, ничего плохого бы не случилось - разве что голос стал бы выше, как после вдоха гелия, но чуть менее забавно. Впрочем, дышать одним неоном нельзя без кислорода, но это относится к любому газу.
Самое удивительное свойство неона проявилось, когда учёные пропустили через него электрический разряд. Газ засветился характерным красным светом с оранжевым оттенком. Этот цвет - визитная карточка неона. Другие благородные газы светятся иначе: аргон даёт бледно-фиолетовый или голубой цвет, гелий - жёлто-розовый, криптон - зеленовато-синий, ксенон - сине-белый. Но именно неоновый оттенок стал настолько узнаваемым, что им назвали целый стиль городской подсветки.
Часть 2. Рождение открытия
Неон был открыт в 1898 году. Это сделали два британских химика - Уильям Рамзай и Моррис Траверс. К тому моменту они уже выделили из воздуха аргон и гелий, но заметили, что после удаления этих газов остаётся ещё одна странная фракция. Когда они пропустили электрический ток через этот остаток, тот загорелся огнём, которого никто раньше не видел. Траверс позже вспоминал: «Вспышка красного цвета, которой не было равных, рассказала нам историю, которую мы не могли пропустить».
Своё открытие они назвали от греческого слова «неос» - новый. Рамзай предложил имя неон. Сын Траверса, которому тогда было 12 лет, заметил, что новое слово легко выговаривать и оно хорошо звучит. Так газ получил имя, под которым известен сегодня.
Важно понимать, что неон не создают в лаборатории из других веществ. Его добывают прямо из воздуха, потому что он там есть, хоть и в очень малом количестве. В сухом атмосферном воздухе неона всего 0,0018 процента по объёму. Это 18 литров на миллион кубометров воздуха. Для сравнения, углекислого газа в воздухе почти в 20 раз больше. Но даже такого крошечного содержания хватает для промышленной добычи, потому что воздух есть везде и бесплатен.
Чтобы получить неон, воздух сначала сжижают - охлаждают до минус 190 градусов Цельсия. Затем жидкий воздух начинают медленно нагревать. Разные газы испаряются при разных температурах. Азот уходит первым, затем аргон, а потом наступает очередь неона и гелия. Дальше их разделяют с помощью ещё более глубокого охлаждения или специальных ловушек. Весь процесс очень энергозатратный, поэтому жидкий неон стоит дорого - в разы дороже, чем аргон или азот.
Часть 3. Где живёт неон
Неон не только земной газ. Он широко распространён во Вселенной. По космическим меркам он входит в пятёрку самых распространённых элементов - после водорода, гелия, кислорода и углерода. Но наша планета устроена так, что почти весь первичный неон, который был при её формировании, улетучился в космос. Земля слишком мала и горяча, чтобы удержать лёгкие газы вроде неона и гелия. Поэтому их мало в атмосфере, зато они накапливаются в глубине - иногда вместе с природным газом. В некоторых газовых скважинах содержание неона достигает 0,2 процента, что в сотни раз выше, чем в воздухе. Но такие месторождения редки.
Ещё больше неона внутри звёзд. В ядрах массивных светил идут термоядерные реакции, в которых из углерода и гелия рождаются неон, магний и другие элементы. А когда звезда взрывается сверхновой, неон вместе с остальными газами разлетается по галактике. Оттуда он со временем попадает в газопылевые облака, часть которых когда-то сформировала нашу Солнечную систему. Так что в каждом кубическом сантиметре неоновой вывески есть атомы, родившиеся в недрах давно умерших звёзд.
На Земле неон постоянно образуется и в земной коре - как продукт радиоактивного распада урана и тория. Но этот процесс даёт микроскопические количества, которые не имеют промышленного значения.
Часть 4. Неон не один
Когда вы видите яркую вывеску с надписью «NEON», в ней далеко не всегда настоящий неон. Парадокс? Нет, просто маркетинг. В газосветных трубках используют разные газы для получения разных цветов. Сам неон даёт только красный и красно-оранжевый. Все остальные оттенки - синий, зелёный, жёлтый, розовый, белый - это заслуга других газов или смесей. Например, голубые трубки наполняют аргоном с капелькой ртути, а зелёные - неоном с жёлтым люминофором на стенках.
Но почему же все такие лампы называют неоновыми? Так сложилось исторически. Первые яркие рекламные вывески были именно красными и использовали чистый неон. Слово «неон» звучало футуристично и привлекало внимание. Потом появились другие цвета, но название приклеилось ко всей технологии. Так что технически правильнее говорить «газосветные трубки», но в быту «неоновая вывеска» стало общим термином. Вы можете смело использовать это слово - все поймут, о чём речь, но запомните разницу.
Настоящие неоновые трубки узнаваемы не только по цвету. Они дают очень насыщенный, чистый красный свет без примесей. Его трудно спутать с красным от аргона с ртутью, который выглядит более бледным и фиолетовым.
Часть 5. Зачем неон нужен сегодня
Первое и самое очевидное применение - реклама и декоративное освещение. Неоновые трубки долговечны, экономичны и не боятся влаги. Одна хорошо сделанная трубка может светить 10–15 лет без замены. Единственная проблема - хрупкость. Стеклянные трубки легко разбить, а при падении вывески газ улетучивается. Поэтому сейчас их всё чаще заменяют светодиодными лентами, имитирующими неон. Но настоящий неон всё ещё используют в дизайнерских проектах, музеях, на исторических зданиях, где важен аутентичный вид.
Второе важное направление - наука и техника. Жидкий неон при температуре минус 245 градусов Цельсия используют как хладагент. Это холоднее, чем жидкий водород, но не настолько экстремально, как жидкий гелий. Для некоторых экспериментов и приборов нужна именно такая температура. Например, детекторы частиц в ускорителях или чувствительные инфракрасные датчики охлаждают жидким неоном. Это дешевле, чем гелий, и безопаснее, чем водород.
Третье применение - лазеры. Гелий-неоновые лазеры - это классика. Они дают очень стабильный красный луч, который используется в строительных уровнях, лабораторных установках, а раньше - в считывателях штрих-кодов в супермаркетах. Правда, сегодня их вытесняют полупроводниковые лазеры - они дешевле и компактнее. Но учебные и научные лаборатории до сих пор ценят гелий-неоновые лазеры за надёжность и понятное устройство.
Четвёртое и неожиданное применение - высоковольтные индикаторы и газоразрядные стабилизаторы напряжения. В старых электронных схемах неоновые лампочки использовали для защиты от перенапряжения. При нормальном напряжении они не светились, а при скачке зажигались и замыкали ток на землю. Сейчас эту функцию выполняют полупроводниковые варисторы, но в некоторых приборах ещё можно увидеть маленькую красную неоновую лампу-глазок, которая показывает наличие напряжения.
И наконец, смеси с неоном применяют в производстве плазмы для микросхем. В некоторых процессах травления кремния нужен именно неон, потому что он не реагирует с другими веществами и создаёт стабильную плазму.
Часть 6. Опасности и мифы
Многие боятся слова «газ» - сразу вспоминают утечку, взрыв, отравление. С неоном этого не случится. Он не токсичен, не горюч и не взрывоопасен. Единственная реальная опасность - вытеснение кислорода в замкнутом помещении. Если в комнате вырвется много жидкого неона или большого баллона с газом, воздух станет бедным кислородом. Но для этого нужно очень много газа. В обычной жизни с неоновыми вывесками такое невозможно - объём трубки крошечный.
Жидкий неон опасен холодовыми ожогами. Его температура ниже минус 240 градусов. Попадание капли на кожу вызывает обморожение мгновенно, как и жидкий азот. Поэтому с ним работают в толстых перчатках и защитных очках. Но в быту вы с жидким неоном не столкнётесь - он используется только в лабораториях и на заводах.
Мифов о неоне много. Самый распространённый: «Неон радиоактивен». Нет, неон стабилен, все его природные изотопы не распадаются. Другой миф: «Неон светится сам по себе». Нет, ему нужен электрический разряд или очень сильный нагрев. Третий миф: «Неоновые вывески горячие». На самом деле стекло едва тёплое, почти всё электричество уходит на свечение, а не на нагрев.
Часть 7. Будущее неона
Сейчас неон переживает неожиданный кризис. Неон редок, дорог, его добыча сложна, а потребности в нём для высокотехнологичного производства только растут. Поэтому инженеры активно ищут способы заменить неон в лазерах и охлаждении. Гелий дороже, но его проще получить из природного газа. Аргон дешевле, но он не подходит для всех задач. Скорее всего, в ближайшие десятилетия неон уйдёт из массового производства и останется в нишевых научных и художественных применениях. Как старый, надёжный, но дорогой инструмент.
Но вывески останутся. Во-первых, их потребление газа в них ничтожно мало. Во-вторых, для искусства и дизайна цена не так важна. Ручная работа и живой огонь красного цвета имеют свою ценность, которую не заменишь светодиодами.
***
Итак, неон - это не просто красивое слово на вывеске. Это полноценный химический элемент, один из самых необщительных в природе. Он рождается в недрах звёзд, добывается из воздуха с большими затратами, светит чистым красным светом и охлаждает научные приборы до запредельных температур. Он почти безопасен, но дорог. Его будущее туманно, но его прошлое и настоящее - это история о том, как крошечная примесь в воздухе стала символом ночного города и незаметным помощником учёных.
В следующий раз, когда увидите красную надпись, светящуюся в витрине, знайте - внутри тонкой стеклянной трубки движутся атомы, старше Земли, и каждый из них помнит взрыв сверхновой.