Neon

Überblick und Bedeutung

Neon ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ne und der Ordnungszahl 10. Es steht in der 18. IUPAC-Gruppe des Periodensystems und gehört zu den Edelgasen. Unter Normalbedingungen ist es ein farbloses, geruchloses, einatomiges und äußerst reaktionsträges Gas. Seine Elektronenkonfiguration lautet [He] 2s² 2p⁶; die vollständig besetzte äußere Elektronenschale erklärt seine geringe Reaktivität.

Im Universum gehört Neon zu den häufigsten Elementen. Auf der Erde ist es dagegen selten, weil ein großer Teil seit der Entstehung der Erde in das Weltall entwichen ist. Bekannt ist Neon vor allem als Füllgas in Leuchtröhren, in denen eine Gasentladung das charakteristische orangerote Licht erzeugt. Weitere wichtige Anwendungen liegen bei Lasern, besonders in der Halbleiterfertigung.

Entdeckung und Entstehung in Sternen

William Ramsay und Morris William Travers entdeckten Neon 1898 bei der Untersuchung von Rohargon aus verflüssigter Luft. Nachdem sie das Gemisch durch Verflüssigung und fraktionierte Destillation getrennt hatten, isolierten sie am 13. Juni 1898 ein leichtes Element aus der niedriger siedenden Fraktion. Der Nachweis gelang anhand des Flammenspektrums. Zuvor hatte Ramsay aus der Stellung der Edelgase im Periodensystem geschlossen, dass zwischen Helium und Argon ein Element mit einer Atommasse von etwa 20 u liegen müsse. Die erste praktische Anwendung war die 1910 von Georges Claude entwickelte Neonlampe.

In Sternen ist besonders ²⁰Ne ein wichtiges Zwischenprodukt der Nukleosynthese, also der Bildung von Atomkernen. Es entsteht vor allem beim Kohlenstoffbrennen: Zwei ¹²C-Kerne fusionieren zunächst zu angeregtem ²⁴Mg*, aus dem durch Abgabe eines Heliumkerns ²⁰Ne entsteht:

¹²C + ¹²C → ²⁴Mg* → ²⁰Ne + ⁴He

Beim Heliumbrennen bei etwa 200 · 10⁶ K entsteht kaum ²⁰Ne, weil ¹⁶O nur mit geringer Wahrscheinlichkeit ein α-Teilchen einfängt; aus ¹⁸O können jedoch ²¹Ne und ²²Ne entstehen. Bei weiter steigender Temperatur und steigendem Druck folgt das Neonbrennen. Dabei wird ²⁰Ne entweder durch Photodesintegration, also Zerlegung durch Gammastrahlung, zu ¹⁶O und ⁴He oder es fusioniert mit ⁴He zu ²⁴Mg:

²⁰Ne + γ → ¹⁶O + ⁴He ²⁰Ne + ⁴He → ²⁴Mg + γ

Nach dem Neonbrennen folgt das Sauerstoffbrennen, bei dem schwerere Elemente wie Silicium, Phosphor und Schwefel entstehen.

Vorkommen und Gewinnung

Nur Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff sind im Universum häufiger als Neon. Der Massenanteil an der Erdhülle beträgt dagegen nur etwa 0,005 ppm. Der größte Teil befindet sich in der Atmosphäre. Dort liegt der durchschnittliche Gehalt bei 18,18 ppm; Neon ist damit nach Argon das häufigste Edelgas der Atmosphäre.

Kleine Mengen wurden auch in Granit, Basaltgesteinen, Diamanten und vulkanischen Gasen nachgewiesen. Aufgrund unterschiedlicher Isotopenzusammensetzungen unterscheidet man drei Ursprünge: primordiales Neon, das seit der Entstehung der Erde ohne Kontakt zur Atmosphäre etwa in Diamanten oder im Erdmantel eingeschlossen ist; atmosphärisches Neon; und Neon, das durch Spallationsreaktionen kosmischer Strahlung gebildet wurde. Auf Gasplaneten wie Jupiter verhindert die hohe Gravitation das Entweichen. Das von der Raumsonde Galileo gemessene Verhältnis von ²⁰Ne zu ²²Ne entspricht dort dem Verhältnis in der Sonne und erlaubt Rückschlüsse auf die Entstehungsbedingungen der Gasplaneten.

Technisch wird Neon als Nebenprodukt der Luftzerlegung nach dem Linde-Verfahren gewonnen. Nach Entfernung von Wasser, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, höher siedenden Edelgasen und dem größten Teil des Stickstoffs bleibt ein Gemisch aus etwa 35 % Neon, etwa 50 % Stickstoff sowie Helium und Wasserstoff. Nach der katalytischen Entfernung des Wasserstoffs wird Stickstoff zunächst bei 30 bar und 66 K verflüssigt; Reste werden an Silicagel adsorbiert. Das verbleibende Gemisch enthält ungefähr 76 % Neon und 24 % Helium. Es wird auf 180 bar verdichtet und stufenweise auf 50 K abgekühlt. Bei der Expansion auf 25 bar und danach 1,5 bar kondensiert Neon, während Helium gasförmig bleibt. Die Feintrennung erfolgt durch Rektifikation, also wiederholtes Verdampfen und Kondensieren. Alternativ kann Neon bei 5 bar und 67 K an einem Trägermaterial adsorbiert und bei 3 bar wieder freigesetzt werden.

Bis zum Einmarsch russischer Truppen in die Ukraine 2022 wurden dort etwa 70 % der Weltproduktion erzeugt. Der Ausfall dieser Produktion kann die Halbleiterindustrie erheblich beeinträchtigen.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Neon kondensiert bei ungefähr 27,15 K (−246 °C) und erstarrt bei 24,56 bis 24,57 K (−248,59 °C). Es besitzt damit unter allen Elementen den kleinsten Temperaturbereich, in dem es flüssig ist. Festes Neon bildet wie die anderen Edelgase außer Helium eine kubisch dichteste Kugelpackung; der Gitterparameter beträgt a = 443 pm. Der Tripelpunkt, an dem feste, flüssige und gasförmige Phase gleichzeitig bestehen, liegt bei 24,56 K und 43,37 kPa. Die kritische Temperatur beträgt 44,4 K, der kritische Druck 265,4 kPa und die kritische Dichte 0,483 g/cm³.

Bei 0 °C und 1013 hPa hat Neon eine Dichte von 0,9 kg/m³. Es ist damit etwas leichter als Luft und steigt auf. In Wasser ist es schlecht löslich: Bei 20 °C lösen sich in einem Liter Wasser höchstens 10,5 ml Neon. Bei Gasentladungen besitzt es ein charakteristisches Linienspektrum. Weil die sichtbaren Spektrallinien überwiegend im roten bis gelben Bereich liegen, leuchtet es typisch orangerot beziehungsweise rot.

Chemisch ist Neon äußerst reaktionsträge. Es sind keine Neonverbindungen und nicht einmal Clathrate bekannt, also Strukturen, in denen Gasatome lediglich physikalisch in Hohlräumen anderer Stoffe eingeschlossen sind. Theoretischen Berechnungen zufolge ist Neon das am wenigsten reaktive Element. Massenspektrometrisch wurden lediglich einige beteiligte Ionen nachgewiesen, darunter Ne⁺, ArNe⁺, HeNe⁺ und HNe⁺.

Isotope und biologische Wirkung

Von Neon sind insgesamt 19 Isotope zwischen ¹⁵Ne und ³⁴Ne bekannt. Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Drei Neonisotope sind stabil und kommen natürlich vor: ²⁰Ne mit 90,48 %, ²¹Ne mit 0,27 % und ²²Ne mit 9,25 %. Alle übrigen Isotope sind radioaktiv und besitzen kurze Halbwertszeiten; die längste beträgt 3,38 Minuten bei ²⁴Ne.

Die Verhältnisse ²⁰Ne/²²Ne und ²¹Ne/²²Ne können je nach Herkunft verschieden sein. Gesteine mit Neon aus Spallationsreaktionen enthalten mehr ²¹Ne. Primordiales Neon, das bereits vor dem Verlust eines großen Teils des atmosphärischen Neons in Gesteinen oder Diamanten eingeschlossen wurde, besitzt einen höheren Anteil an ²⁰Ne. Isotopenverhältnisse geben deshalb Hinweise auf die Entstehung und Herkunft einer Probe.

Wegen seiner Reaktionsträgheit besitzt Neon keine biologische Bedeutung und ist nicht giftig. In hoher Konzentration kann es jedoch Sauerstoff verdrängen und dadurch erstickend wirken. Bei Drücken von mehr als 110 bar wirkt es narkotisierend.

Verwendung

Neon wird wegen seiner Seltenheit, der aufwendigen Gewinnung und des im Vergleich zu Argon höheren Preises nur begrenzt eingesetzt. Die weltweite Produktion lag 2020 zwischen etwa 720.000 und 760.000 m³.

Die bekannteste Anwendung ist als Füllgas in Leuchtröhren und Glimmlampen. Eine elektrische Gasentladung regt die Neonatome an und erzeugt das typische orangerote Licht. Neon dient außerdem als Füllgas in Blitz- und Stroboskoplampen.

Helium-Neon-Laser enthalten ein Gemisch aus Helium und Neon. Eine Gasentladung regt zunächst Helium an; anschließend wird die Energie durch einen strahlungslosen Übergang auf Neon übertragen. Dadurch entsteht im Neon die für den Laserbetrieb notwendige Besetzungsinversion, also ein Zustand, in dem mehr Teilchen in einem höheren als in einem niedrigeren Energiezustand vorliegen. Bei passenden Resonatorspiegeln erfolgt die stimulierte Emission bei 632,8 nm und erscheint rot. Weitere mögliche Wellenlängen sind 1152,3 nm und 3391 nm im Infrarotbereich sowie 543,3 nm im grünen Bereich.

In Excimerlasern dient Neon als Puffergas. Solche Laser werden in der Ultraviolett-Fotolithografie zur Herstellung von Halbleitern verwendet. Die Halbleiterfertigung war 2020 das wichtigste Einsatzgebiet und verbrauchte etwa 80 bis 90 % des erzeugten Neons.

Flüssiges Neon kann als Kältemittel eingesetzt werden. Seine Kühlleistung ist 40-mal höher als die von flüssigem Helium und dreimal höher als die von Wasserstoff. Wegen seiner tiefen Temperatur gegenüber Flüssigstickstoff und seiner geringeren Diffusionsrate gegenüber Helium eignet es sich für wenige, nicht preissensible Anwendungen, beispielsweise die Vorrats-Verdampfungskühlung von Sensoren in der Raumfahrt. Ein Gemisch aus Neon und Sauerstoff kann außerdem als Atemgas beim Tieftauchen dienen, wird wegen des höheren Preises und des größeren Atemwiderstands im Vergleich zu Helium jedoch selten genutzt.