Neon ( Ne ), 10 - 네온

 

원소 네온은 과거에 전광판으로 많이 사용했던 네온사인으로 유명하다. 또 프레젠테이션할 때 사용하는 붉은색 빛을 내는 포인터, 피부과에서 사용하는 붉은색 빛이 나오는 레이저 등도 네온을 사용한다. 네온은 비록 지구에 존재하는 양이 적고 값이 비싸며 화합물을 만들지 않아 사용되는 분야는 많지 않으나, 최초로 안정한 동위원소가 발견되는 등 과학 발전에는 크게 기여하였다.     원자번호 10번, 네온 네온(Neon)은 원자번호 10번의 원소로, 원소기호는 Ne이다. 주기율표에서 비활성 기체(noble gas)족으로도 불리는 18족(0족 또는 8A족)에서 헬륨 다음으로 가볍다. 다른 비활성기체 원소와 마찬가지로, 1기압, 실온에서 무색 무취의 단원자 분자로 존재하며, 비활성 기체 중에서도 화학 반응성이 가장 작다. 네온은 우주에서는 질량으로 수소, 헬륨, 산소, 탄소 다음으로 많으나, 건조된 공기 중에는 부피로 단지 0.00182%(18.2 ppm, 무게로는 0.00127%) 포함되어 있는데, 비활성 기체 중에서는 아르곤(부피비로 0.934%) 다음으로 많다.

 

 

원자번호 10번, 네온. <출처: (cc)Pslawinski ati Wikipedia.org>

네온의 원소 정보.

 

 

네온은 헬륨(주로 천연가스에서 분리)을 제외한 다른 비활성 기체와 마찬가지로 공기에서 분리한다. 네온 전구, 네온 방전관, 네온사인 등에서 붉은 빛을 내는데 사용되며, 헬륨(He)과 함께 He-Ne 레이저를 만드는데 이용된다. 끓는점이 낮고 냉동 효과가 좋아 저온 냉매로 사용하기도 한다.

 

 

네온의 역사

네온은 1898년에 램지(William Ramsay, 1852~1916)와 그의 제자 트래버스(Morris W. Travers, 1872~1961)가 당시 새롭게 찾아낸 기체 아르곤(Ar, 1894년 발견)과 헬륨(He, 1895년 분리, 확인)의 성질을 연구하는 과정에서 발견하였다. 그들은 액화 공기의 저온 분별 증류를 통해 네온과 함께 다른 비활성 기체인 크립톤(Kr)과 제논(Xe)도 분리하였고, 스펙트럼으로 이들을 확인하였다. 네온을 전기적으로 들뜨게 하면 밝은 붉은색의 빛을 낸다는 것도 이들이 발견하였다. 이들 공적으로 램지는 1904년 노벨화학상을 수상하였다. 램지는 네온을 그리스어로 ‘새로운’을 뜻하는 ‘neos’를 따서 ‘neon’이라 이름지었다. 크립톤(krypton)과 제논(zenon)은 각각 그리스어로 ‘숨겨진 것’을 뜻하는 ‘kryptos’와 ‘낯선’을 뜻하는 ‘xenos’를 따서 명명하였다.   1902년에 프랑스의 ‘에어리퀴드(Air Liquide, 액화 공기란 뜻)’ 회사가 설립되고, 공기에서 네온을 분리∙생산하여 판매하기 시작하였다. 이 회사는 1910년에 네온 램프를 선보였고, 1912년에는 광고판으로 네온 방전관(네온사인)을 판매하기 시작하였다. 네온은 과학의 발전에 큰 기여를 하였다. 톰슨(Joseph John Thomson, 1856~1940) 경은 1913년에 기체 방전관에서 나오는 양이온의 조성을 연구하는 과정에서, 네온 양이온들이 이의 경로에 수직으로 걸어준 전기장과 자기장에 의해 두 개의 포물선을 그리며 휘는 것을 발견하였다. 이를 통해 그는 질량이 다른 두 가지의 네온 양이온이 있음을 발견하였다. 즉 네온의 동위원소를 발견하였다. 이는 한 원소에서 방사성이 아닌 안정한 동위원소가 존재할 수 있다는 최초의 발견이다. 또한 이 실험은 오늘날 과학의 여러 분야에서 중요하게 사용되는 질량분석(mass spectrometry)의 첫 번째 예이다.

네온은 1898년에 램지와 그의 제자 트래버스가 당시 새롭게 찾아낸 기체 아르곤과 헬륨의 성질을 연구하는 과정에서 발견하였다.

 

네온을 비롯한 비활성 기체들이 잇달아 발견됨에 따라 이들이 주기율표에 0족(8B족)으로 들어가게 됨으로써 주기율표의 정확성이 입증되고, 가장 전기음성인 할로겐족 원소와 가장 전기양성인 알칼리 금속 사이의 연결 고리가 만들어졌다. 그리고 이들 원소들이 화학 반응성이 없고 단원자 분자로 존재한다는 사실에서, 원소들의 성질을 원자가 전자의 수로 설명하는 팔전자규칙(octet rule, 최외각 전자 껍질에 8개의 전자를 갖는 것이 가장 안정하다는 규칙)이 나오게 되었다.

 

네온의 선스펙트럼.

 

 

네온의 물리적 성질

네온은 안정한 전자배치 1s22s22p6를 하고 있고, 색, 냄새, 맛이 없는 단원자 분자 기체이다. <출처: (CC)Pumbaa at wikipedia.org>

네온은 안정한 전자배치 1s22s22p6를 하고 있고, 색, 냄새, 맛이 없는 단원자 분자 기체이다. 다른 원자와 화학결합을 하지 않으며, 물에 대한 용해도도 낮다. 1 기압에서 네온의 녹는점은  -248.59oC (24.56K)이고 끓는점은 -246.08oC(27.07 K)이다. 따라서 네온이 액체로 존재하는 온도 범위는 2.51 oC에 불과하다. 같은 부피에서 비교할 때, 네온의 냉동 능력은 헬륨의 40배이고 수소의 3배이다.   네온은 3가지 안정한 동위원소가 있는데, 이들은 20Ne(90.48%), 21Ne(0.27%), 22Ne(9.25%)이다. 20Ne는 별에서 일어난 핵합성으로 생성되었는데, 2 개의 탄소 원자핵의 융합으로 만들어 졌다. 이와는 달리, 21Ne와 22Ne은 주로 24Mg와 25Mg가 중성자를 흡수한 후 α-입자를 내어 놓는 경로로 합성되었다.   12C + 12C → 20Ne + 4He (α입자)  24Mg(또는 25Mg) + 1n → 21Ne(또는 22Ne) + 4He(α입자)

 

 

네온의 화학적 성질과 화합물 네온은 비활성 원소 중에서도 가장 화학 반응성이 작다. 안정한 네온 화합물은 아직 알려지지 않았으며, 다만 (NeAr)+, (NeH)+, (HeNe)+와 같은 분자 이온들이 분광학적 실험이나 질량분석에서 관찰되었다.    네온의 분포와 생산 네온은 우주에서는 비교적 풍부하나, 대기 중에는 극소량(부피로 0.00182%) 들어 있다. 가볍고, 다른 원소와 화합물을 만들지 않기 때문에 지구가 탄생할 떄 생성되었던 네온의 대부분은 지구를 빠져나간 것으로 여겨진다. 다른 원소의 핵 반응으로도 거의 만들어지지 않기 때문에, 지구 암석에도 아르곤에 비해 월등히 낮은 농도(화성암에 무게로 7x10-5 ppm: 1 ppm은 1백만분의 1)로 들어 있다. 네온은 공기를 액화시킨 후 분별 증류하여 얻는다. 공기 중에 들어 있는 양이 극소량이라 년간 생산량도 작다. 2004년 기준 가격은 60~120$/m3로, 헬륨(산업용 4.2~4.9$/m3, 실험실용 22.3~44.9$/m3)이나 아르곤(2.7~8.5$/m3)에 비해 월등히 비싸다.     네온의 용도 네온의 가장 큰 용도는 밝은 주홍빛을 내는 네온 조명이다. 이에는 두 가지 유형이 있는데, 하나는 보통 네온램프(neon glow lamp)라 부르는 것이고, 다른 하나는 네온사인으로 대표되는 네온 방전관(neon discharge tube)이다. 네온램프는 네온 기체가 조금 들어있는 유리 전구에 2개의 전극을 2~3mm 간격으로 두고 방전시켜 음극에서 밝은 붉은색의 빛을 내게 만든 장치이다. 네온램프는 소형으로 제작 가능하며, 가정용 전압으로 작동되고 소모 전력이 적어 전자 기기의 표시기, 야간 실내등으로 사용되며, 전압 조절기, 고전압 보호기로도 이용된다. 또한 네온램프에서 나오는 빛의 스펙트럼(가장 강한 것이 585.249nm)은 광학 장치의 파장 보정에도 사용된다. 네온 방전관은 긴 (또는 굽어진) 유리관에 네온 기체를 조금 넣고 관의 양 끝에 전극을 두고 높은 전압으로 방전하여 빛을 내게 만든 장치로, 광고판 등에 이용되었다. 네온은 조명 이외에 피뢰기, 브라운관, 검전기 등을 만드는데도 사용되어 왔다.

 

네온램프는 네온 기체가 조금 들어있는 유리 전구에 2개의 전극을 2~3mm 간격으로 두고 방전시켜 음극에서 밝은 붉은색의 빛을 내게 만든 장치이다. <출처: (CC)Teravolt at Wikipedia.org>

네온 방전관은 긴 유리관에 네온 기체를 조금 넣고 관의 양 끝에 전극을 두고 높은 전압으로 방전하여 빛을 내게 만든 장치로, 광고판 등에 이용되었다.<출처: Wikipedia>

 

 

네온 기체는 헬륨과 혼합되어 레이저에 사용된다. He-Ne 레이저에서 나오는 빛(파장 632.8nm)은 들뜬 네온에서 나오는 것으로 헬륨은 Ne을 들뜨게 하는 작용을 한다. 붉은색의 레이저 포인터, 의료용으로, 그리고 광학 디스크를 읽는데 사용된다. 액체 네온은 저온 냉각기의 냉매로도 사용된다. 네온은 가격이 비싸 다른 용도로는 거의 사용되지 않는다.

 

 

1. 수치로 보는 네온

   네온의 표준원자량은 20.180g/mol이고, 전자배치는 1s²2s²2p⁶이다. 우주에서 질량으로 5번째로 많은 원소이나. 지구상에서는 건조된 공기 부피의 0.00182%(무게로는 0.00127%)를 차지하며, 수권이나 암석권에는 극미량 존재한다. 녹는점은 -248.59^oC (24.56K)이고, 끓는점은 -246.08^oC(27.07K)이며, 삼중점은 -249^oC, 0.43기압이다. 0^oC, 1기압에서의 밀도는 0.900g/L (공기는 1.293g/L)이다. 20^oC에서 물 1kg에 10.5cm³의 네온이 녹는다. 첫 번째 이온화에너지는 2080kJ/mol이다. 자연 상태의 동위원소 분포는 ²⁰Ne(90.48%), ²¹Ne(0.27%), ²²Ne(9.25%)이다. 네온램프에서 나오는 가장 강한 빛의 파장은 585.248nm이고, He-Ne 레이저의 붉은 빛의 파장은 632.8nm이다.

2. 네온사인

   유리관에 낮은 압력의 기체를 넣고 방전시켜 빛을 내게 하는 장치로, 대표적인 것이 네온 기체를 넣어 붉은 빛을 내는 것이다. 기체의 종류를 바꾸면 각 기체에 특성적인 색깔의 빛이 나온다. 각종 전광판에 사용되었고, 예술 작품을 만들고 건물을 장식하는데 이용되기도 하였다. 네온사인을 더욱 발전시킨 것이 플라스마 표시 패널(Plasma display panel, PDP)로 평판 TV 등에 사용되었다. 현재는 보다 값싸고 수명이 긴 발광 다이오드(LED)로 거의 대체되었다.

3. 레이저(Laser)

   유도 방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 약자이다, 1954년에 마이크로파를 증폭시키는 메이저(Maser)가 처음으로 개발되엇고, 1960년에 루비 막대를 사용한 붉은색 레이저가 개발되었다. 레이저 빛은 아주 강한 세기의 단일 파장의 빛이다. 현재는 세기와 파장, 그리고 발진 형태가 다른 여러 유형의 레이저가 개발되어 각종 산업과 과학 연구에 아주 중요하게 이용되고 있다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2011.11.30

Neon

Atomic Weight		20.1797
Density		0.9 g/l[note]
Melting Point		-248.59 °C
Boiling Point		-246.08 °C
Full technical data

 

Neon signs really are made with neon, like this Ne-shaped tube filled with this inert gas. A high voltage transformer sends an electric current through the tube, creating a characteristic bright neon-red arc.

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Technical data for Neon Click any property name to see plots of that property for all the elements. Overview Name Neon Symbol Ne Atomic Number 10 Atomic Weight 20.1797 Density 0.9 g/l[note] Melting Point -248.59 °C Boiling Point -246.08 °C Thermal properties Phase Gas Melting Point -248.59 °C Boiling Point -246.08 °C Absolute Melting Point 24.56 K Absolute Boiling Point 27.07 K Critical Pressure 2.76 MPa (27.24 Atm) Critical Temperature 44.4 K Heat of Fusion 0.34 kJ/mol Heat of Vaporization 1.75 kJ/mol Heat of Combustion N/A Specific Heat 1030 J/(kg K)[note] Adiabatic Index 5/3 Neel Point N/A Thermal Conductivity 0.0491 W/(m K) Thermal Expansion N/A Bulk physical properties Density 0.9 g/l[note] Density (Liquid) N/A Molar Volume 0.02242 Brinell Hardness N/A Mohs Hardness N/A Vickers Hardness N/A Bulk Modulus N/A Shear Modulus N/A Young Modulus N/A Poisson Ratio N/A Refractive Index 1.000067 Speed of Sound 936 m/s Thermal Conductivity 0.0491 W/(m K) Thermal Expansion N/A Reactivity Valence 0 Electronegativity N/A ElectronAffinity 0 kJ/mol Ionization Energies 2080.7, 3952.3, 6122, 9371, 12177, 15238, 19999, 23069.5, 115379.5, 131432 kJ/mol Health and Safety Autoignition Point N/A Flashpoint N/A Heat of Combustion N/A DOT Hazard Class 2.2 DOT Numbers 1913 EU Number N/A NFPA Fire Rating N/A NFPA Hazards N/A NFPA Health Rating N/A NFPA Reactivity Rating N/A RTECS Number RTECSQP4450000 NFPA Label N/A Classifications Alternate Names None Names of Allotropes None Block p Group 18 Period 2 Electron Configuration [He]2s22p6 Color Colorless Discovery 1898 in United Kingdom Gas phase Monoatomic CAS Number CAS7440-01-9 CID Number CID23935 Gmelin Number N/A NSC Number N/A RTECS Number RTECSQP4450000 Electrical properties Electrical Type N/A Electrical Conductivity N/A Resistivity N/A Superconducting Point N/A Magnetic properties Magnetic Type Diamagnetic Curie Point N/A Mass Magnetic Susceptibility -4.1×10-9 Molar Magnetic Susceptibility -8.27×10-11 Volume Magnetic Susceptibility -3.69×10-9 Abundances % in Universe 0.13% % in Sun 0.1% % in Meteorites N/A % in Earth's Crust 3×10-7% % in Oceans 1.2×10-8% % in Humans N/A Atomic dimensions and structure Atomic Radius 38 pm Covalent Radius 69 pm Van der Waals Radius 154 pm Crystal Structure Face Centered Cubic Lattice Angles π/2, π/2, π/2 Lattice Constants 442.9, 442.9, 442.9 pm Space Group Name Fm_ 3m Space Group Number 225 Nuclear Properties Half-Life Stable Lifetime Stable Decay Mode N/A Quantum Numbers 1S0 Neutron Cross Section 0.04 Neutron Mass Absorption 0.0006 Known Isotopes 16Ne, 17Ne, 18Ne, 19Ne, 20Ne, 21Ne, 22Ne, 23Ne, 24Ne, 25Ne, 26Ne, 27Ne, 28Ne, 29Ne, 30Ne, 31Ne, 32Ne, 33Ne, 34Ne Stable Isotopes 20Ne, 21Ne, 22Ne Isotopic Abundances 20Ne 90.48% 21Ne 0.27% 22Ne 9.25% Notes on the properties of Neon: Density: Density at 0° Celsius. Specific Heat: Value given for gas phase. Up to date, curated data provided by Mathematica's ElementData function from Wolfram Research, Inc.