Neon

Il neon è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha numero atomico 10 e il cui simbolo è Ne.^[1] È il secondo elemento del gruppo 18 del sistema periodico (gruppo dei gas nobili), facente parte del blocco p,^[2] dove è collocato nel secondo periodo^[3] tra l'elio e l'argon.

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Neon
10 Ne                                                                                                                                                                                                                                               fluoro ← neon → sodio
Aspetto
Aspetto dell'elemento Gas incolore, emissione di luce rossa
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	neon, Ne, 10
Serie	gas nobili
Gruppo, periodo, blocco	18 (VIIIA), 2, p
Densità	0,8999 kg/m³ a 273 K
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	1S0
Proprietà atomiche
Peso atomico	20,1797
Raggio covalente	69 pm
Raggio di van der Waals	154 pm
Configurazione elettronica	[He]2s22p6
e− per livello energetico	2, 8
Stati di ossidazione	0 (sconosciuto)
Struttura cristallina	cubica
Proprietà fisiche
Stato della materia	gassoso (non magnetico)
Punto di fusione	24,56 K (−248,59 °C)
Punto di ebollizione	27,07 K (−246,08 °C)
Punto critico	−228,74 °C a 2,76 MPa
Volume molare	13,23×10−3 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	1,7326 kJ/mol
Calore di fusione	0,3317 kJ/mol
Velocità del suono	435 m/s a 273,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-01-9
Calore specifico	103 J/(kg·K)
Conducibilità termica	0,049,3 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	2 080,7 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	3 952,3 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	6 122 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	9 371 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	12 177 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione	15 238 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione	19 999 kJ/mol
Energia di ottava ionizzazione	23 069,5 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 20Ne 90,48% È stabile con 10 neutroni 21Ne 0,27% È stabile con 11 neutroni 22Ne 9,25% È stabile con 12 neutroni
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

La sua massa atomica è pari a 20,180 u,^[4] mentre la sua massa monoisotopica è pari a 19,99244 u.^[2]

Storia

Il nome deriva dal greco νέον, neon, che significa "nuovo", come per dire "nuovo elemento".^[5][6] Fu scoperto dal chimico scozzese William Ramsay e dal suo assistente, il chimico inglese Morris William Travers, nel 1898 grazie alle brillanti linee giallo arancio negli spettri del vapore di campioni nominalmente di argon liquido, ma provenienti dalla liquefazione dell'aria, miscela che contiene anche il neon.^[6][7] Il nome neon fu suggerito a Ramsay dal figlio tredicenne come novum, (latino per "nuovo") che il padre, come d'uso, traspose in greco come νέον.^[6]

L'illuminazione al neon, mostrata all'Esposizione di Parigi del 1910, fu sviluppata dalla creatività dell'inventore francese Georges Claude.^[8] Il primo cartello pubblicitario al neon negli Stati Uniti fu installato nel 1923 da un concessionario Packard a Los Angeles.^[8]

Nel 1912, J. J. Thomson osservò che i raggi canale (fascetti di ioni positivi) ottenuti dal neon ionizzato seguivano due traiettorie distinte quando passavano attraverso un campo magnetico e un campo elettrico. Dedusse la presenza di atomi di neon con due diverse masse atomiche, ²⁰Ne e ²²Ne, scoprendo così l'esistenza di due diversi isotopi di un elemento non radioattivo.^[9]

Isotopi

Il neon (₁₀Ne) è il quinto elemento per abbondanza nell'Universo^[10] e il sesto nel sistema solare.^[11]

Di questo elemento si conoscono almeno 19 isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 16, ad A = 34. Tra questi, quelli presenti in natura, e che sono stabili, sono i tre isotopi che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi: ²⁰Ne (90,48%, il più abbondante, con N = Z, neutroni pari ai protoni),^{[12] 21}Ne (0,27%, 1 neutrone in più)^[13] e ²²Ne (9,25%, 2 neutroni in più).^[14]

Isotopi naturali

Il ²¹Ne e il ²²Ne si formano naturalmente nella crosta terrestre principalmente attraverso reazioni dell'¹⁸O e del ¹⁹F nei minerali con emissione di neutroni e particelle α dal decadimento dell'uranio e del torio, che prendono il nome di "isotopi di neon nucleogenico".^[15][16] Inoltre, gli isotopi di neon possono formarsi sulla superficie della Terra e nei corpi extraterrestri tramite reazioni di spallazione indotte dai raggi cosmici su magnesio, silicio, alluminio e sodio.^[17][18]

Le analisi di tutti e tre gli isotopi stabili del neon possono essere utilizzate per distinguere queste fonti dal neon primordiale. Le quantità relative di neon atmosferico e isotopi di neon nucleogenico crostali nelle acque sotterranee profonde e nei gas naturali sono state utilizzate in studi sulle interazioni solido-acqua-gas e sulla migrazione.^[19]

La componente cosmogenica è principalmente rilevata nel ²¹Ne e può essere utilizzata per determinare le età di esposizione ai raggi cosmici dei campioni di roccia, inclusi i meteoriti esposti durante il viaggio attraverso lo spazio e i massi esposti dallo scioglimento del ghiaccio glaciale.^[19]

Il ²²Ne viene utilizzato per produrre il radioisotopo ²²Na tramite la reazione:^[20]

${\displaystyle {\ce {^22Ne (p, n) -> ^22Na}}}$

Il ²⁰Ne è stato utilizzato per produrre il radioisotopo ¹⁸F tramite la reazione:^[20]

${\displaystyle {\ce {^20Ne (d, ^4He) -> ^18F}}}$

Un team di ricercatori guidato dall'Università di Osaka ha fornito prove sperimentali che esistono stati eccitati nel ²⁰Ne. Focalizzando particelle α su un gas di neon, hanno infatti osservato che i prodotti di decadimento indicavano l'esistenza di stati energetici specifici nel nucleo originale. Questi si sono adattati molto bene alle previsioni dello stato condensato 5α, in cui i 10 protoni e 10 neutroni sono raggruppati in cinque particelle α nell'orbitale a più bassa energia.^[21]

Isotopi del neon^[22]

Nuclide	Z	N	Massa isotopica (Da)	Emivita	Decadimento	Spin	Anno
15Ne	10	5	15,043170(70)	770 anni	2p	3/2-	2014
16Ne	10	6	16,025751(22)	> 5,7 zs	2p	0+	1977
17Ne	10	7	17,0177140(4)	109,2 ms	β+p (94,4(2,9)%), β+α (3,51(1)%), β+ (2,1(2,9)%) e β+pα (0,014(4)%)	1/2-	1963
18Ne	10	8	18,0057087(4)	1,664,20 ms	β+	0+	1954
19Ne	10	9	19,00188091(17)	17,2569 s	β+	1/2+	1939
20Ne	10	10	19,9924401753(16)	stabile		0+	1913
21Ne	10	11	20,99384669(4)	stabile		3/2+	1928
22Ne	10	12	21,991385114(19)	stabile		0+	1913
23Ne	10	13	22,99446691(11)	37,15 s	β−	5/2+	1936
24Ne	10	14	23,9936106(6)	3,38 min	β−	0+	1956
25Ne	10	15	24,997810(30)	602 ms	β−	1/2+	1970
26Ne	10	16	26,000516(20)	197 ms	β− (99,87(3)%) e β−n (0,13(3)%)	0+	1970
27Ne	10	17	27,007570(100)	30,9 ms	β− (98,0(5)%), β−n (2,0(5)%) e β−2n ?	(3/2+)	1977
28Ne	10	18	28,012130(140)	18,8 ms	β− (84,3(1,1)%), β−n (12(1)%) e β−2n (3,7(5)%)	0+	1979
29Ne	10	19	29,019750(160)	14,7 ms	β− (68,0(5,1)%), β−n (28(5)%) e β−2n (4(1)%)	(3/2−)	1985
30Ne	10	20	30,024990(270)	7,22ms	β− (78,1(4,6)%), β−n (13(4)%) e β−2n (8,9(2,3)%)	0+	1985
31Ne	10	21	31,033470(290)	3,4 ms	β−, β−n ? e β−2n ?	(3/2−)	1996
32Ne	10	22	32,039720(540)	3,5 ms	β−, β−n ? e β−2n ?	0+	1990
34Ne	10	24	34,056730(550)	2 ms	β−, β−n ? e β−2n ?	0+	2002

Neon
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	Ne
Numero CAS	7440-01-9
Numero EINECS	231-110-9
PubChem	23935
DrugBank	DBDB11589
SMILES	[Ne]
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
Frasi H	280 - 281 [23]
Consigli P	282 - 336+317 - 403 - 410+403

Abbondanza e disponibilità

Il neon è il quinto elemento più abbondante nell'universo per massa, ma sulla Terra è raro.^[24] Si trova infatti nell'atmosfera terrestre in misura di 1 parte su 65.000^[25] (≈0,007%)^[26] e in tracce nella crosta terrestre^[27] (5×10^-3 mg/kg) e negli oceani (1,2×10^-4 mg/l).^[3]

Metodi di preparazione

Viene prodotto attraverso il sopraraffreddamento e la distillazione frazionata dell'aria.^[26]

Caratteristiche chimico-fisiche

Modellino di atomo di neon

È un gas nobile quasi inerte,^[28] incolore,^[25] inodore, insapore,^[29] più leggero dell'aria,^[30] in grado di produrre una fluorescenza rossastra.^[24]

Informazioni strutturali

Caratteristica
Raggio atomico di Van der Walls[31]	154 pm
Raggio atomico covalente[32]	58 pm

Caratteristiche elettroniche

Caratteristica
Configurazione elettronica[4]	[He] 2s2 2p6
Stato fondamentale[33]	1S0
Stati di ossidazione[31]	0
Affinità elettronica[34]	-0,3 eV
Affinità protonica[35]	198,8 kJ/mol
Elettronegatività[36]	4,787
Energia di ionizzazione[3]	21,565 eV

Caratteristiche termodinamiche

Proprietà
Punto di ebollizione[25]	-246,053 °C
Punto di fusione[31]	-258,59 °C
Punto triplo[25]	-248,609 °C a 43 kPa
Entalpia di vaporizzazione del liquido[28]	1,741 kJ/mol
Calore specifico[37]	0,904 J/g K

Stato gassoso

Proprietà
Solubilità in acqua[28]	10,5 cm3/kg a 20 °C
Costante della legge di Henry[38]	45 *10-5 mol/kg*bar a 450 K
Densità[25]	0,825 g/L
Gravità specifica[39]	0,69
Coefficiente di ripartizione ottanolo/acqua[40]	0,28
Temperatura critica[28]	44,40 K
Pressione critica[28]	2654 kPa
Densità critica[28]	483 kg/cu m
Entropoia standard di formazione[41]	146,33 J/mol*K
Basicità del gas[35]	174,4 kJ/mol

Stato solido

La forma solida esiste a temperature ottenute mediante l'utilizzo di idrogeno liquido, come cristalli cubici a facce centrate a pressione normale.^[28]

Proprietà
Entalpia di vaporizzazione del solido[28]	2,139 kJ/mol
Entalpia di fusione[28]	0,335 kJ/mol

Proprietà di trasporto

Proprietà
Conducibilità termica[37]	0,0493 W/m K

Caratteristiche chimiche

Reazioni ioniche in fase gassosa

Il potenziale di ionizzazione del neon, che ammonta a 21,5645 eV,^[42] è secondo solo a quello dell'elio (24,587 eV).^[43] Analoga situazione si ha per la protonazione: il neon può essere protonato in fase gassosa, sebbene con difficoltà; la sua affinità protonica è 198,8 kJ/mol,^[42] contro 177,8 kJ/mol dell'elio;^[43] per questo, una specie che può protonare il neon nelle condizioni relativamente blande della ionizzazione chimica è l'elio protonato, HHe⁺. Del neon sono inoltre conosciute le seguenti reazioni chimiche, che consistono nella formazione di addotti tra un catione, atomico o molecolare, e un atomo di neon:

${\displaystyle {\ce {Co+ + Ne -> (Co+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 10,5 ± 0,4 kJ/mol ΔS_r° = 64,4 J/mol*K

${\displaystyle {\ce {(Co^+ * Ne) + Ne -> (Co^+ * 2Ne)}}}$ ΔH_r° = 8,2 ± 0,4 kJ/mol ΔS_r° = 48,5 J/mol*K

${\displaystyle {\ce {Cr+ + Ne -> (Cr+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 6,8 ± 0,4 kJ/mol ΔS_r° = 61,1 J/mol*K

${\displaystyle {\ce {(Cr+ * Ne) + Ne -> (Cr+ * 2Ne)}}}$ ΔH_r° = 3,6 ± 0,4 kJ/mol ΔS_r° = 24 J/mol*K

${\displaystyle {\ce {Ni+ + Ne -> (Ni+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 11,5 ± 0,4 kJ/mol^[43]

${\displaystyle {\ce {(Ni+ * Ne) + Ne -> (Ni+ * 2Ne)}}}$ ΔH_r° = 9,6 ± 0,8 kJ/mol ΔS_r° = 53,6 J/mol*K^[44]

${\displaystyle {\ce {K+ + Ne -> (K+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 4,56 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {Li+ + Ne -> (Li+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 11,0 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {Na+ + Ne -> (Na+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 7,36 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {Cs+ + Ne -> (Cs+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 2,3 kJ/mol^[45]

${\displaystyle {\ce {Ne+ + Ne -> (Ne+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 131 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {Xe+ + Ne -> (Xe+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 4,0 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {Ar+ + Ne -> (Ar+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 7,5 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {Kr+ + Ne -> (Kr+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 5,31 kJ/mol^[46]

${\displaystyle {\ce {Rb+ + Ne -> (Rb+ * Ne)}}}$ ΔH_r° = 3,2 kJ/mol^[47]

Spettri analitici

Del neon sono disponibili:

• lo spettro GC-MS.^[48]
• gli spettri atomici^[33]

Precauzioni

Non tossico L'esposizione dei contenitori contenenti neon a calore prolungato o al fuoco può causarne la rottura violenta e il lancio come un razzo.^[49] Il contatto con l'elemento in forma liquida può causare congelamento.^[50] Se inalato può causare vertigini, letargia, mal di testa e asfissia.^[39]

Applicazioni

Medicina

Il neon viene utilizzato come composto di riferimento per il cambiamento chimico nella risonanza magnetica nucleare (NMR).^[2] Il neon può essere utilizzato in ambito clinico come gas tracciante diagnostico in un analizzatore di gas per il test di diffusione polmonare.^[24]

La radioterapia con ioni di neon possiede vantaggi biologici e fisici rispetto ai raggi X ad alta tensione. Biologicamente, il fascio di neon riduce il rapporto di potenziamento dell'ossigeno e aumenta l'efficacia biologica relativa. Le cellule irragiate con ioni di neon mostrano meno variazione nella radiosensibilità legata al ciclo cellulare e una riduzione della riparazione dei danni da radiazioni. Il comportamento fisico delle particelle pesanti cariche consente una somministrazione precisa di alte dosi di radiazioni ai tumori, minimizzando al contempo l'irradiazione dei tessuti normali.^[51]

Uno studio ha dimostrato che il trattamento con neon migliora l'esito per diversi tipi di tumori:^[51]

• carcinomi avanzati o recidivanti delle ghiandole salivari macroscopiche (DSS5 59%; LC5 61%)
• tumori dei seni paranasali (DSS5 69%; LC5 69% per malattia macroscopica)
• sarcomi dei tessuti molli avanzati (DSS5 56%, LC5 56% per malattia macroscopica)
• sarcomi macroscopici delle ossa (DSS5 45%; LC5 59%)
• carcinomi della prostata localmente avanzati (DSS5 90%; LC5 75%)
• carcinomi delle vie biliari (DSS5 28%; LC5 44%)

Il trattamento dei gliomi maligni, dei tumori pancreatici, gastrici, esofagei, polmonari e del cancro avanzato o recidivante della testa e del collo è stato meno efficace. I risultati per questi tumori non sembrano essere migliori di quelli ottenuti con la terapia convenzionale con raggi X.^[51]

Elettronica ed illuminazione

Viene usato nelle lampade dette, appunto, "al neon". Le lampade al neon sono generalmente piccole e la maggior parte funziona tra 100 e 250 volt.^[52] Sono state ampiamente utilizzate come indicatori di accensione e nelle apparecchiature di test dei circuiti, sostituiti dai diodi a emissione di luce (LED). Questi semplici dispositivi al neon sono stati i precursori dei display al plasma e degli schermi al plasma.^[53][54] Le insegne al neon funzionano con tensioni molto più elevate (2-15 kV) e i tubi luminosi sono di solito lunghi anche alcuni metri.^[55] Il tubo di vetro viene spesso modellato in forme e lettere per la segnaletica, come pure per applicazioni architettoniche e artistiche.

Quando viene attivato tramite scariche elettriche, il neon emette una caratteristica luce rosso-arancione, ampiamente usata nelle insegne pubblicitarie.^[26][56] Il termine "neon" viene normalmente usato per indicare questo tipo di luci, anche se in realtà diversi gas vengono utilizzati per ottenere i vari colori. Per esempio l'argon produce una tonalità color lavanda o blu.^[57] Nel 2005 erano disponibili oltre cento colori.^[58]

Viene utilizzato in valvole termoioniche, indicatori ad alta tensione, parafulmini, tubi per misuratori d'onda e nei tubi catodici. .^[24]

Laser

Neon ed elio sono utilizzati nei laser a gas.^[26] Miscele di gas che includono neon ad elevata purezza vengono utilizzate nei laser per la fotolitografia nella fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore.^[59] Viene inoltre utilizzato nei laser elio-neon.^[24]

Criogenia

Il neon in forma liquefatta viene utilizzato commercialmente come refrigerante criogenico in applicazioni che non richiedono le temperature più basse ottenute con la refrigerazione dell'elio liquido,^[26] dato che meno costoso e che ha una capacità refrigerante 40 volte maggiore dell'elio liquido (in volume) e tre volte quella dell'idrogeno liquido.^[60]

Altre applicazioni

I maser contenenti ²⁰Ne sono stati utilizzati in studi di fisica quantistica.^[61] Gli ioni, Ne⁺, (NeAr)⁺, (NeH)⁺, e (HeNe⁺) sono stati impiegati nelle ricerche nel campo dell'ottica e della spettrometria di massa.^[31]