Metalowy wzór część 1 - najłatwiejszy

Poprzedni artykuł zakończył się zapowiedzią doświadczeń z ogniwami litowymi, które w zeszłym roku zdobyły Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Trzyczęściowy cykl, rozpoczynający się prezentacją litu, będzie kontynuacją zakończonego w grudniu cyklu o halogenach. Pierwiastki z grupy 17 to niemetale modelowe, a standardem metaliczności jest lit.

Czytelnicy zaznajomieni z właściwościami fizycznymi metale litowemoże być zaskoczony tym stwierdzeniem. Substancje, które zwykle topią się w temperaturze nie wyższej niż 100°C, są na tyle miękkie, że można je ciąć nożem, a w dodatku szybko reagują z tlenem i wodą, czy powinny być wzorcami metali? I co można z nich zbudować?

Stopy litu wprawdzie nie nadają się jako materiał konstrukcyjny, nie zmienia to jednak faktu, że są to pełnoprawne metale. Przyczyną rozbieżności jest odmienne rozumienie tego pojęcia w języku potocznym i naukowym. Dlatego nie każdy metal jest substancją stałą i niepalną – przykładem jest rtęć.

Lekka masa korzenia...

Po gazowym wodorze i helu w układzie okresowym pojawia się pierwszy metal - lit. Od jego imienia cała rodzina wzięła swoją nazwę (wodór, choć należy również do grupy 1, znalazł się w niej trochę z konieczności – po prostu trzeba było gdzieś umieścić ten drugi pierwiastek). Wracając do litu, nazwa nie jest przypadkowa dla substancji o gęstości 0,54 g/cmXNUMX³jest taki sam jak las sosnowy.

Kawałek litu unosi się w wodzie, ale nie na długo, ponieważ szybko z nim reaguje. Z obu tych powodów przechowuje się go w zestalonej parafinie, ponieważ spływa na powierzchnię nafty używanej do ochrony pozostałych metali alkalicznych przed tlenem i wilgocią. Lit topi się w temperaturze około 180°C (najwyższej ze wszystkich metali alkalicznych), ale wrze w temperaturze prawie 1200°C wyższej. Rzadko zdarza się widzieć tak dużą różnicę. Jest to także metal srebrzystoszary, który można ciąć nożem, ale powierzchnia przekroju szybko ciemnieje (choć wolniej niż inne pierwiastki z tej grupy) (1).

W 1800 roku na szwedzkiej wyspie odkryto minerał nazwany jego imieniem. płatekale dopiero siedemnaście lat później zbadano jego skład chemiczny. Młody człowiek wziął się do pracy Johanna Augusta Arfvedsona, 25-letni student słyn Berzelius (czemu zawdzięczamy m.in. oznaczenia obecnie stosowanych elementów). Arfvedson doszedł do wniosku, że minerał ten należy do grupy glinokrzemianów, dużej rodziny związków składających się z glinu, krzemu i tlenu, którym towarzyszy metal – zwykle sód, potas lub wapń. Chociaż badania wykazały obecność w płatku metalu podobnego do sodu, jego masa nie była zgodna. Było to około trzy razy mniej niż powinno, gdyby sód rzeczywiście był częścią minerału (masa atomowa sodu – 23 jednostki, litu – 7 jednostek).

Niekwestionowany autorytet tamtych czasów Berzelius oświadczył, że odkryto nowy pierwiastek, który nazwał od greckiego słowa lithos, czyli kamień (2). Podkreślano, że chociaż oświetlony jest podobny do znanych już sodu i potasu, izolowanych z minerałów, a nie z substancji roślinnych i zwierzęcych (jest jednak także pierwiastkiem śladowym obecnym w szlakach metabolicznych organizmów żywych). Arfvedson znalazł nowy metal także w szeregu innych minerałów, co potwierdziło poprawność nazwy. Można było wyizolować jedynie czysty lit metaliczny (poprzez elektrolizę jego chlorku). Roberta Bunsena i Mattiessens Augusta, w 1855 r. Nazwa pierwszego związana jest z historią odkrycia dwóch innych litów.

2. Ważne postacie w historii litu. Po lewej: jego odkrywca Johan August Arfvedson (1792-1841). Po prawej: Jens Jakob Berzelius (1779–1848).

Ile litu jest na Ziemi? Całkiem sporo, bo około 0,0065% masy powierzchniowej warstwy, co daje jej 26. miejsce pod względem zawartości pierwiastków. Chociaż odsetek ten nie wydaje się szczególnie wysoki, jest tam prawie tyle samo litu co azotu i więcej niż cynku i cyny. A we Wszechświecie? Lit powstał wkrótce po Wielkim Wybuchu wraz z wodorem, helem, berylem i borem i nadal jest produkowany w gwiazdach. Jednak dość łatwo reaguje z protonami, dlatego w kosmosie znajdują się jedynie ślady litu.

...do ciężkiej pracy

Mimo swojej filigranowej masy lit nie stroni od pracy. Wśród związków tego pierwiastka w masie największy udział ma zastosowanie tlenku i węglanu litu jako składników szkieł żaroodpornych i powłok do ceramiki. Następnym krokiem jest wykorzystanie litu do wytwarzania źródeł energii. Jest to stosunkowo nowe zastosowanie, ale ma szerokie zastosowanie we współczesnym świecie, od małych ogniw litowych po zasilanie zegarków czy komputerowych układów elektronicznych, poprzez baterie do telefonów komórkowych, laptopów i elektronarzędzi, aż po baterie w pojazdach elektrycznych m.in. słynna Tesla Roadster (3).

3. Akumulator litowo-jonowy. W ubiegłym roku za prace nad jego konstrukcją przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

oraz - ze względu na niewielką masę metalu - akumulują znacznie więcej energii w jednostce masy niż w przypadku konstrukcji opartych na innych elementach. Sole kwasów tłuszczowych litu (mydła litowe, np. stearynian litu) są cennym składnikiem smarów pracujących w szerokim zakresie temperatur (w tym w temperaturach poniżej zera). Węglan litu to najstarszy lek stosowany współcześnie w leczeniu zaburzeń psychicznych, stabilizujący pracę układu nerwowego.

Lit metaliczny został po raz pierwszy zastosowany jako dodatek zwiększający wytrzymałość stopów aluminium, ołowiu i magnezu. Lit łatwo łączy się z wodorem, tworząc wodorek. Ponieważ związek ten w reakcji z wodą uwalnia wodór, można go wykorzystać jako magazyn wodoru. Podczas ostatniej wojny do szybkiego napełniania kamizelek ratunkowych używano wodorku litu. Izotop litu-6 powstaje pod wpływem bombardowania neutronami próbować (wodór-3), niezbędny do syntezy jąder termojądrowych.

Pod wpływem milionów stopni temperatury i ogromnego ciśnienia tryt łączy się z deuterem (wodorem-2), uwalniając ogromne ilości energii. Do tej pory proces ten mógł odbywać się jedynie w sposób niekontrolowany, przy wybuchu bomby termojądrowej (detonatorem dostarczającym neutrony i tworzącym odpowiednie warunki reakcji był wybuch konwencjonalnej bomby atomowej) (4).

4. Siła deuterku litu – wybuch bomby termojądrowej Castle Bravo na atolu Bikini w 1954 roku.

Lit pod ręką

W przeciwieństwie do innych metali litowych, lit metaliczny jest w rzeczywistości na wyciągnięcie ręki. Twoim źródłem będzie bateria litowa. Nie zabieraj baterii tylko do zasilania telefonu czy laptopa, gdyż ich demontaż jest niebezpieczny (nie zapomnij oddać zużytego sprzętu do punktu zbiórki). Do przeprowadzenia eksperymentów wystarczy oznaczony link CR2032. Jest często używany do zasilania niektórych typów kalkulatorów i chipów płyt głównych komputerów.

5. Po lewej stronie element CR2032 z kolejnymi wynikami jego „cięcia”: obudowa z warstwą metalicznego litu; separator impregnowany niewodnym elektrolitem; pierścień z tworzywa sztucznego (izolacja); warstwa dwutlenku manganu; druga część ciała.

6. Lit w płomieniu palnika.

Ściśnij ogniwo szczypcami (rozpadnie się) i ułóż fragmenty konstrukcji na tacy. Ogniwo składa się z metalowych części tworzących korpus, czarnej sprasowanej warstwy zawierającej dwutlenek manganu MnO.₂, porowaty separator zaimpregnowany bezwodnym elektrolitem organicznym oraz izolujący pierścień z tworzywa sztucznego (5). Lit jest nałożony na mniejszą część obudowy (elektroda ujemna), można go ciąć nożem i widać, że ciemnieje w powietrzu. Z końcówki żelaznego drutu weź kawałek miękkiego metalu i włóż próbkę do płomienia palnika - zamieni się ona w karmin (6). Kolor jest również charakterystyczny dla związków litu. Zauważysz podobny kolor, jeśli dodasz do płomienia palnika sole strontu z grupy 2.

Korpus wraz z resztą metalu umieścić w szklance z niewielką ilością wody. Reakcja rozpuszczania litu zachodzi w naczyniu:

Papier uniwersalny zanurzony w powstałym roztworze zmienia kolor na niebieski, co świadczy o tym, że wodorotlenek litu jest mocną zasadą (7). Nie wylewaj roztworu - za minutę przeprowadzisz z nim kolejny eksperyment.

7. Po lewej: rozpuszczanie litu w wodzie (na dnie szklanki widoczny fragment korpusu kuwety). Po prawej: Niebieski kolor papierka wskaźnikowego wskazuje, że powstały roztwór wodorotlenku litu ma odczyn zasadowy.

Proteus

Odkrywca zauważył już, że lit jest podobny do pozostałych pierwiastków z grupy 1. Lit zachowuje się jednak nieco inaczej niż jego bracia o większej masie.

Otrzymany wcześniej roztwór wlać do parownika i ostrożnie odparować. Po ochłodzeniu do osadu wlać jak najmniej 5-10% roztworu kwasu solnego i ponownie odparować wodę. Dostaniesz chlorek litu LiCl.

Część soli rozpuścić w niewielkiej ilości wody i wlać roztwór do probówki. Dodać roztwór węglanu sodu Na₂CO₃. W naczyniu powinien wytrącić się biały osad, a jeśli czegoś takiego nie zauważysz, podgrzej probówkę. Węglan litu Li₂CO₃ jest słabo rozpuszczalny w wodzie, ponadto jego rozpuszczalność maleje wraz ze wzrostem temperatury. To niezwykły przypadek: rozpuszczalność większości związków wzrasta po podgrzaniu roztworu, a sole pierwiastków z grupy 1, w tym węglany, są wysoce rozpuszczalne. Osad tworzy się również wtedy, gdy roztwór chlorku litu traktuje się roztworem fosforanu sodu lub fluorku sodu.

Wyniki reakcji pokazują, że lit nie jest zwykłym litem metalicznym. Jego właściwości są nieco podobne do drugiej grupy sąsiadów, zwłaszcza magnezu.

Wypróbuj podobne testy z z magnezem: Dodaj dowolny rozpuszczalny roztwór węglanu, fosforanu lub fluorku do roztworu soli tego pierwiastka (najłatwiej dostępne są chlorki lub siarczany). Tak czy inaczej, pozostaniesz z białymi osadami. Czy pamiętasz odkrycie dwutlenku węgla przy użyciu wody wapiennej? Występują tam również opady węglanów. Ale nie myśl, że lit znajduje się w niewłaściwym miejscu układu okresowego. Jest to pierwiastek jednowartościowy i w układzie okresowym obowiązuje pewna izolacja lidera grupy od pozostałych członków rodziny (patrz ramka: Kuzyni diagonalni).

Więcej litu miesięcznie nie odbiega od normy grupy 1.

Zobacz także: